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?背景?
在汽車產(chǎn)業(yè)智能化的大背景下，汽車的功能變得更加豐富和智能，隨之帶來的是車輛的各種電子控制器的交互變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的分布式電子電氣架構(gòu)已無法滿足日趨復(fù)雜多樣的汽車功能，汽車電子電氣架構(gòu)也要隨之進行升級和進化。根據(jù)汽車電子電氣架構(gòu)的演進趨勢來看，電子電氣架構(gòu)正在向著更加先進的域集中架構(gòu)、跨域融合架構(gòu)以及車輛集中式架構(gòu)的方向快速發(fā)展。
在跨域融合架構(gòu)階段，為了進一步增強協(xié)同，在域集中架構(gòu)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了跨域融合的概念，即將多個域功能集成在一起，并進一步融合功能關(guān)聯(lián)度較高的其他功能，由功能域控制器將此類域功能進行集中。比如，在域集中架構(gòu)階段，動力域和底盤域分別承擔(dān)了車輛動力系統(tǒng)和車輛底盤系統(tǒng)控制的功能，而在跨域融合階段，動力域和底盤域可以進行融合，共同承擔(dān)了車輛運動相關(guān)的控制，進一步形成了車輛運動域的概念。車輛運動域?qū)τ趧恿σ约暗妆P系統(tǒng)的協(xié)同控制，可以在提高能效、駕駛樂趣和舒適度的同時，實現(xiàn)簡化系統(tǒng)、降低成本的目標(biāo)，同時可以通過可擴展和模塊化的設(shè)計，以適應(yīng)客戶多樣化的需求。
?整車運動域控制器平臺(VCU8.5)?
聯(lián)合電子推出了面向跨域融合的整車運動域控制器VCU8.5平臺。該平臺在前代整車控制器的基礎(chǔ)上進行了功能的升級和優(yōu)化，特別是針對跨域融合控制的需求進行了系統(tǒng)的分析和設(shè)計，集成了EPB、FlexRay和Delay off等功能，具備更加強大的性能和更廣泛的適用性，為新能源汽車的“車輛運動融合控制”提供初步的探索。
VCU8.5整車運動域控制器產(chǎn)品除了具備上一代控制器基本整車控制器功能和系統(tǒng)解決方案以外（詳細(xì)請見：聯(lián)合電子新一代高性能整車控制器平臺(VCU8.1)），其特殊功能體現(xiàn)在如下幾個方面：
更加豐富的通訊資源，除支持CAN/LIN/Ethernet等多種通訊方式外，新增FlexRay通訊方式，支持更高速率、更高容錯率、更高靈活性和更高確定性的數(shù)據(jù)傳輸
支持EPB冗余控制，車輛的左右卡鉗由不同控制器分開控制，即使一側(cè)卡鉗或其控制器發(fā)生故障，另一側(cè)卡鉗仍可單獨控制，提高了EPB控制的安全性
支持Delay off控制，即使控制器發(fā)生非預(yù)期的軟件reset，Delay off功能仍然能夠保持繼電器吸合一段時間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性
支持車用Cyber Security技術(shù)
功能安全達到了ISO26262 ASIL D等級
支持A/B備份模式的遠(yuǎn)程刷新（FOTA)
VCU8.5平臺支持Full Calibration系統(tǒng)解決方案，以及單獨提供硬件和底層軟件的Software sharing解決方案等多種靈活的合作模式。
圖1? VCU協(xié)調(diào)控制的高低壓部件
作為車輛驅(qū)動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心控制器，VCU需要負(fù)責(zé)整車狀態(tài)協(xié)調(diào)、駕駛員駕駛需求實現(xiàn)等最基本也是最重要的功能。因此VCU軟件的完善度直接影響了車輛運行的穩(wěn)定性和行駛安全性。隨著“域融合”的概念推廣，越來越多的新功能也逐漸被融合到VCU控制器中，例如：跟充電相關(guān)的AC/DC車輛端充電主控功能，以及跟底盤相關(guān)的電動四驅(qū)控制功能。
從系統(tǒng)功能劃分角度考慮，可以把VCU的功能劃分為：車輛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)，以及OBD診斷、通訊、安全監(jiān)控等系統(tǒng)功能。VCU的主要功能如下圖2。
圖2? VCU系統(tǒng)功能分類和概覽
VCU軟件核心功能介紹
基于多個已經(jīng)量產(chǎn)的客戶項目，經(jīng)過多年的系統(tǒng)知識建立和功能軟件開發(fā)驗證工作，目前聯(lián)合汽車電子的VCU軟件已經(jīng)在“扭矩”“電”“熱” 三個核心領(lǐng)域都具備完整的并且可根據(jù)客戶需求靈活配置的VCU系統(tǒng)解決方案。本文會主要圍繞與“扭矩”相關(guān)的車輛驅(qū)動方面介紹一些VCU軟件中的核心功能。后續(xù)還會有其它文章介紹與“電”“熱”相關(guān)的核心功能介紹。
支持多模式的車輛運行模式管理功能(混合動力)?
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混合動力車輛的運行模式?jīng)Q策和切換過程控制可以實現(xiàn)：純電運行、串聯(lián)增程、并聯(lián)驅(qū)動三種運行模式?jīng)Q策和切換（圖3）。
圖3 混動運行模式和能量流
整車運行模式?jīng)Q策功能基于ECMS(等效燃油消耗最小)算法（圖4），在各種工況下決策出能量消耗最小的運行模式（圖5）并實現(xiàn)電機/發(fā)動機最優(yōu)能量分配比例，以達到更好的動力性和經(jīng)濟性：在中低速時通過增程器發(fā)電，使發(fā)動機始終工作在高效區(qū)并為動力系統(tǒng)提供動力源；在高速時讓發(fā)動機和電機共同驅(qū)動車輛行駛，滿足動力性和經(jīng)濟性需求。該模式?jīng)Q策相比行業(yè)中應(yīng)用廣泛的基于規(guī)則的能量管理策略，ECMS能夠達到更好的節(jié)油效果，與全局優(yōu)化策略和基于工況自適應(yīng)的能量管理策略相比，ECMS能夠更好應(yīng)用于實際工程項目中。
圖4 混動模式管理功能架構(gòu)
圖5 WLTC循環(huán)中模式分布
當(dāng)車輛運行工況發(fā)生變化車輛運行模式需要切換時，模式切換過程控制功能可以確保在不影響駕駛員駕駛需求扭矩實現(xiàn)的前提下，VCU通過協(xié)調(diào)發(fā)動機、增程器、驅(qū)動電機和離合器之間的轉(zhuǎn)速和扭矩配合，實現(xiàn)快速平穩(wěn)的模式切換控制過程（圖6）。
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圖6 模式切換過程測試效果
基于部件物理層級的扭矩管理
扭矩管理需要協(xié)調(diào)來自駕駛員、駕駛輔助功能的驅(qū)動和制動扭矩需求，并可以根據(jù)整車運行模式功能和模式切換功能的輸出，協(xié)調(diào)各驅(qū)動部件(發(fā)動機、發(fā)電機、前驅(qū)動電機、后驅(qū)動電機)準(zhǔn)確響應(yīng)各種來源的扭矩需求。
已開發(fā)應(yīng)用的扭矩管理功能實現(xiàn)了可靈活配置拓展的扭矩結(jié)構(gòu)（圖7），可支持純電、混動項目，四驅(qū)/兩驅(qū)項目的靈活配置?；趯嶋H部件物理層級的扭矩結(jié)構(gòu)，也更易于拓展應(yīng)用到其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合動力/純電車輛。
圖7 扭矩管理示意圖
多種分配方式的四驅(qū)控制功能
四驅(qū)控制功能是將駕駛員需求扭矩按照當(dāng)前四驅(qū)控制需求進行前后軸扭矩分配，最終輸出至前后驅(qū)動電機，四驅(qū)控制功能在分配前后軸扭矩時能夠充分考慮不同因素的影響，兼顧整車的經(jīng)濟性，動力性和操縱穩(wěn)定性。也可以識別車輛的運動趨勢，主動介入車輛的運動控制，實現(xiàn)無級全范圍分配比調(diào)節(jié)（圖8）。
圖8 四驅(qū)控制功能架構(gòu)
四驅(qū)經(jīng)濟性分配功能可以在平穩(wěn)駕駛的過程中使前后軸驅(qū)動電機工作在當(dāng)前需求下的系統(tǒng)整體效率最優(yōu)點，實現(xiàn)雙電機、三電機及四電機的效率最優(yōu)分配，降低能耗增加續(xù)航里程。
四驅(qū)動力性分配中的負(fù)載分配功能可以通過識別當(dāng)前路面坡度及車輛加減速情況，建立前后軸載荷模型計算前后軸扭矩的最佳分配比，在載荷轉(zhuǎn)移時通過前后軸扭矩智能分配充分利用地面最大附著力，減少車輪滑轉(zhuǎn)提高車輛加速能力（圖9）。
圖9? 加速負(fù)載轉(zhuǎn)移四驅(qū)分配測試效果
四驅(qū)動力性分配中的脫困防滑功能能夠在車輛單軸處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)時主動調(diào)整前后軸扭矩分配向未滑轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)移，降低動力損失，在識別到前后軸交替滑轉(zhuǎn)時，動態(tài)控制前后軸扭矩分配，充分利用路面附著系數(shù)，提高車輛在低速時的脫困能力，降低無力感，提升駕駛舒適性。（圖10）
圖10 驅(qū)動防滑功能測試效果
四驅(qū)操縱穩(wěn)定性分配使汽車跟隨駕駛員轉(zhuǎn)向意圖，提高轉(zhuǎn)向敏捷度，主要包含轉(zhuǎn)向狀態(tài)監(jiān)測與轉(zhuǎn)向扭矩控制?？梢栽贓SP介入前通過前后軸扭矩分配實時調(diào)整車輛運動姿態(tài)，及時抑制車輛轉(zhuǎn)向不足(US)和轉(zhuǎn)向過度(OS)的失穩(wěn)狀況發(fā)生，在加速轉(zhuǎn)向工況降低ESP的介入頻次，減少制動沖擊與橫擺感，提高駕駛員的駕駛感受（圖11）。
圖11 OS及US工況下的穩(wěn)定性控制
四驅(qū)控制功能具有很強的擴展性和通用性，在EV和PHEV車輛上都可以使用。該方案將動力域與底盤域的部分相關(guān)控制功能進行了整合，提高了車輛運動相關(guān)的跨域整合能力。
支持 Reset后可自動恢復(fù)行駛狀態(tài)的電管理功能
如上文中提到VCU協(xié)調(diào)的部件很多，其中很多是高壓電力部件。因此VCU主要的工作之一是負(fù)責(zé)高低/壓電力系統(tǒng)的控制。包括：高壓上/下電協(xié)調(diào)、高壓功率分配和限制、高壓部件信息處理（包含D/R擋切換時的電機四象限映射），以及部件的診斷和保護功能。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很大程度的決定了整車的運行狀況。
對于電子控制器來說，在整個生命周期內(nèi)很難避免完全不發(fā)生復(fù)位，比如VCU自身內(nèi)部導(dǎo)致的硬件復(fù)位、軟件復(fù)位，以及外部干擾導(dǎo)致的復(fù)位等。雖然復(fù)位時間很短（比如軟件復(fù)位，發(fā)生復(fù)位到恢復(fù)通訊大概不到0.2s），但如果在有些場景（如高速行駛時）復(fù)位后不能盡快自動恢復(fù)之前的狀態(tài)，則車輛會失去動力，進而可能會給駕駛員帶來非常大的安全隱患。
特別是對于整車控制器VCU，很多動力相關(guān)的部件都受其控制。并且在正常情況下，如果要進入行車就緒狀態(tài)，一般需要至少兩個不同的操作（如踩剎車、按啟動按鈕、換擋等）；而一旦在高速工況下出現(xiàn)了控制器復(fù)位，很多復(fù)位前儲存的信號會被初始化，此時如果仍需要駕駛員兩個連續(xù)不同操作，則可能出現(xiàn)非期望的減速，甚至造成追尾事故。
為此，聯(lián)合電子開發(fā)了一種新能源整車控制器軟件復(fù)位后動力自動恢復(fù)的控制功能（圖12），該功能通過識別到控制器發(fā)生了軟件復(fù)位，然后根據(jù)復(fù)位后車輛的狀態(tài)，決定是否需要恢復(fù)車輛復(fù)位前的狀態(tài)，實現(xiàn)在盡可能保證安全的前提下，自動恢復(fù)到復(fù)位前的狀態(tài)。
圖12 VCU 復(fù)位后自動恢復(fù)可行駛狀態(tài)
上述方案經(jīng)過實車測試，在VCU發(fā)生復(fù)位后約0.11s后恢復(fù)通訊，該功能可以在0.19s內(nèi)自動恢復(fù)高壓狀態(tài)，0.25s后自動恢復(fù)整車驅(qū)動就緒狀態(tài)，0.38s后自動恢復(fù)D擋并完成整個恢復(fù)過程。不需要駕駛員任何操作，整車恢復(fù)正常行駛狀態(tài)且沒有發(fā)生長時間動力丟失的現(xiàn)象（圖13）。
圖13?VCU 復(fù)位后自動恢復(fù)可行駛狀態(tài)實測效果
支持多種協(xié)議的VCU充電主控功能
充電控制功能負(fù)責(zé)識別不同模式的充電需求，根據(jù)不同的模式選擇對應(yīng)充電控制過程。與供電設(shè)備（EVSE）、動力電池BMS等充電相關(guān)部件協(xié)調(diào)交互，實現(xiàn)充電使能條件判斷，充電過程監(jiān)控，充電結(jié)束條件判斷等功能。開發(fā)的軟件不僅能實現(xiàn)支持國標(biāo)交流/直流充電協(xié)議，也能滿足歐洲和北美的聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）以及日本CHAdeMO充電協(xié)議（圖14）。為了解決充電設(shè)備的兼容性和充電時長難以滿足電動車車主的需求，軟件也實現(xiàn)了超級充電標(biāo)準(zhǔn)的充電控制功能。
圖14?充電控制軟件架構(gòu)
剩余充電時間是指電動車開始充電到充電結(jié)束所花費的時間，充電時間隨著車輛電量增多逐漸減小。剩余充電時間估算功能要求車輛在充電開始階段就能準(zhǔn)確預(yù)測整個充電過程所花費的時間，但電動車充電過程中，充電時間受電芯特性、充電策略、樁輸出能力、整車熱管理和SOX估算精度等多個因素的影響，因此，高精度的剩余充電時間估算一直是行業(yè)難題。
聯(lián)合電子采用的是一種基于充電工況動態(tài)修正的自適應(yīng)剩余充電時間估算算法，該算法將充電過程分為低電壓預(yù)充電，恒流充電和恒壓充電三個階段，算法根據(jù)每一階段的充電特征，分別估算各階段充電時間，然后累加求和得出總時間。在恒流充電階段，可以根據(jù)客戶需求配置基于電芯電壓或SOC階梯式充電策略的充電時間估算。
在充電過程中，算法通過增加充電樁輸出能力修正因子來預(yù)測未來充電樁最大輸出電流。對于高低溫工況，除了在充電開始前計算電池預(yù)熱、預(yù)冷時間外，充電時間算法在充電過程中也會基于電池?zé)崮Ｐ秃碗姵匕鼰峁芾聿呗?，預(yù)測未來電池溫度，進而確定電池未來的充電電流。對于充電末端，由于SOC精度造成充電時間偏差，算法增加基于單體電壓的充電時間倒計時算法以提高末端充電時間估算精度（圖15）。
圖15?直流充電剩余時間計算實測效果
支持充電預(yù)熱的中低溫回路熱管理控制
熱管理控制功能可以協(xié)調(diào)來自于電池、電機、發(fā)動機和駕駛艙等的加熱或冷卻需求（圖16），結(jié)合整車模式來決策和切換熱管理控制模式，進而控制各子系統(tǒng)準(zhǔn)確的響應(yīng)各種來源的熱管理需求。開發(fā)的軟件可以適用于純電和混動項目中的多種熱管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖16?VCU熱管理需求來源
為了提升低溫環(huán)境下車輛上電后快速達到電池合適的運行狀態(tài)，開發(fā)的電池遠(yuǎn)程預(yù)熱功能可以結(jié)合駕駛員的出行時間、電池狀態(tài)、充電狀態(tài)以及整車能量狀態(tài)對電池進行預(yù)熱，在駕駛員用車時使電池性能達到最優(yōu)狀態(tài)。方案引入了一次喚醒計算預(yù)熱時間和二次喚醒執(zhí)行預(yù)熱的概念，并且在駕駛艙有預(yù)調(diào)節(jié)需求時，引入特定的電管理和能量協(xié)調(diào)方案，進而實現(xiàn)能耗、電池性能、駕駛艙舒適性最優(yōu)。
充電預(yù)熱控制可以實現(xiàn)用戶在低溫插槍充電時，根據(jù)電池的預(yù)熱請求，控制電池處于預(yù)熱模式。在充電機輸出能力范圍內(nèi)，由充電機輸出功率通過電池加熱器（PTC）對電池加熱。因為在充電預(yù)熱模式下，電池的主繼電器在斷開狀態(tài)，能確保電池不會有電流輸入或輸出，確保不會對低溫條件下的電池造成損壞。當(dāng)電池被加熱到合適溫度后，再控制電池退出預(yù)熱模式進入正常的充電模式。方案實現(xiàn)了在低溫下給電池充電有效保護電池的同時，縮短充電時間，給用戶帶來更好的充電體驗（圖17）。
圖17?低溫交流充電預(yù)熱實測效果
低溫環(huán)境兼顧功率保護和駕駛性改善策略
在電池溫度很低時電池的充放電功率受限，行車過程中會經(jīng)常用到電池的功率邊界。當(dāng)整個系統(tǒng)在功率邊界附近運行時，會非常容易導(dǎo)致電池過充或過放發(fā)生。此時系統(tǒng)會進行快速閉環(huán)調(diào)節(jié)以把電池功率調(diào)整到正常范圍內(nèi)，但這會導(dǎo)致駕駛性變得很差。因此如何在低溫環(huán)境下同時兼顧功率邊界保護和可接受的駕駛性兩方面一直是行業(yè)的有個難題。
尤其對于多電機串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個電機實際功率都會相互影響彼此的功率邊界，是一個相互影響的多層閉環(huán)控制，某一個高壓部件功率抖動都會影響其他部件的抖動（圖18）。因此，在極低溫度時電池輸入輸出功率受限，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在多電機耦合時，更容易造成電池過充過放以及駕駛性抖動。
圖18?多電機串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)涔β蔬吔缬绊懯疽鈭D
針對多電機耦合的混動系統(tǒng)，通過大量策略優(yōu)化以及低溫駕駛性試驗驗證對比，軟件將電池長時功率進行動態(tài)邊界調(diào)節(jié)，在扭矩結(jié)構(gòu)以及模式切換過程中，用電機長時扭矩邊界對駕駛員驅(qū)動需求進行限制，用電機短時扭矩邊界對類似ESP干涉、發(fā)動機啟動預(yù)留等扭矩需求進行限制，保證滿足駕駛需求的同時，不會出現(xiàn)電池過充過放的情況。通過電池功率預(yù)測，電池限制功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，以及預(yù)測功率變化趨勢提前收窄或放寬功率限制邊界等方式。很好的解決了低溫環(huán)境下兼顧功率保護和駕駛性的效果（圖19）。
圖19?功率閉環(huán)保護功能框架
以低溫環(huán)境下起步全油門加速工況為例，通過上述軟件優(yōu)化措施，當(dāng)?shù)蜏毓r發(fā)電機實際功率波動情況下，也可以保證電池功率不過放，并且前后電機準(zhǔn)確響應(yīng)扭矩邊界限制，避免駕駛抖動的發(fā)生（圖20）。
圖20?低溫全油門加速駕駛性實測效果
故障診斷和響應(yīng)
新能源汽車的動力和高壓部件比傳統(tǒng)車多很多，車輛可能發(fā)生的故障類型和數(shù)量以及不同場景下(駐車、充電、行車等)的故障發(fā)生后的后處理的方式也很多。故障診斷的及時性、故障后處理的合理性對駕駛員的駕駛體驗和車輛安全性都有很大的影響。
基于對整車所有驅(qū)動部件的700多個故障原因和影響梳理，結(jié)合整車可能的故障響應(yīng)方式，軟件針對不同場景下發(fā)生故障的嚴(yán)重性，設(shè)計了多個等級的故障響應(yīng)方式。在確保車輛安全的前提下，盡可能做到了駕駛體驗的友好性。此外VCU作為整車OBD的主控制器,根據(jù)法規(guī)實現(xiàn)了不同部件發(fā)生故障發(fā)生后的亮燈需求協(xié)調(diào)和故障提示功能（圖21）。
圖21?故障診斷和響應(yīng)功能框架
?對客戶的收益?
VCU8.5整車運動域控制器平臺憑借強大的性能和豐富的功能，依托本地研發(fā)團隊的強力支持和快速響應(yīng)，滿足客戶日益豐富的需求和更高的質(zhì)量要求。
豐富的硬件資源，有助于客戶根據(jù)項目需求進行配置擴展開發(fā)
基于整車電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢，融合動力域和部分底盤域功能，實現(xiàn)底盤域部分功能的冗余控制和備份
靈活的合作開發(fā)模式，支持客戶化自主應(yīng)用開發(fā)及第三方軟件集成導(dǎo)入
100%本地開發(fā)和生產(chǎn)，快速靈活支持和響應(yīng)客戶
強大的功能安全和信息安全設(shè)計保障系統(tǒng)可靠運行
豐富的控制器生產(chǎn)制造經(jīng)驗和自動化生產(chǎn)率保障硬件質(zhì)量
SOP后可進行FOTA備份刷新，以提升車輛性能和終端客戶功能體驗
審核編輯：黃飛
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