汽車智能電子控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)與研究

包蕾

汽車智能電子控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)與研究

包蕾

（河北優(yōu)控新能源科技有限公司 系統(tǒng)應(yīng)用部，河北 石家莊 050000）

智能汽車電子控制系統(tǒng)是在整車控制過程中非常重要的系統(tǒng)組成，在新能源汽車，尤其是純電動汽車行業(yè)的地位尤其重要。在此控制系統(tǒng)中，主要是由整車控制器VCU、高級輔助駕駛系統(tǒng)ADAS、制動系統(tǒng)IBooster、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)EPS及中控系統(tǒng)組成。此項目以整車控制器VCU為主導(dǎo)，通過和ADAS的信息交互共同實現(xiàn)自動跟車ACC、緊急制動AEB、車道保持LKA、自動泊車輔助APA等功能。同時，此智能汽車電子控制系統(tǒng)具有車道偏離報警LDW、前碰撞預(yù)警FCW、后面防碰撞輔助報警RCTA、盲點監(jiān)測BSD、并線輔助危險報警LCA功能。整車控制器VCU通過各個系統(tǒng)和本身傳感器的信號得知車輛當(dāng)前工況信息，智能控制車輛各個部件實現(xiàn)主動安全及滿足駕駛者的駕駛體驗要求。此控制系統(tǒng)在新能源汽車項目中也實現(xiàn)了利用電機制動能量回收，在車輛減速滑行和制動工況高效的把機械能轉(zhuǎn)化成電能，增加車輛行駛里程，提高經(jīng)濟型。智能汽車電子控制系統(tǒng)也是汽車行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，也是未來汽車電子發(fā)展的主要方向。

電動汽車；整車控制器；高級輔助駕駛；Simulink模型開發(fā)；控制策略

前言

智能汽車電子控制系統(tǒng)主要研發(fā)范圍是在新能源汽車的整車駕駛性和主動安全方面的研發(fā)。在新能源汽車行業(yè)，電動汽車整車控制器VCU占據(jù)主導(dǎo)作用。在此項目研發(fā)中，主要是針對整車動力控制及汽車智能駕駛及主動安全方面的開發(fā)與研究。整車控制器VCU通過和高級輔助駕駛系統(tǒng)ADAS、制動系統(tǒng)iBooster、電機控制器MCU、電池包管理系統(tǒng)BMS的信息交互實現(xiàn)整車車輛動力性、主動安全及智能駕駛的控制。電動汽車整車控制器VCU通過采集駕駛者輸入（加速踏板開度、制動踏板開度、檔位信號）解析駕駛者意圖，通過向動力電池包管理系統(tǒng)BMS和驅(qū)動電機控制器MCU發(fā)送控制指令，實現(xiàn)車輛的正常行駛。

在智能電子控制系統(tǒng)中，高級輔助駕駛系統(tǒng)ADAS通過雷達(dá)、攝像頭、環(huán)視系統(tǒng)等采集車輛周圍信息，通過內(nèi)部控制器的詳細(xì)計算，得出車輛在當(dāng)前工況下可能出現(xiàn)的危險情況，通過報警信號傳遞給駕駛者和整車控制器VCU，當(dāng)駕駛者未采取安全措施時，VCU根據(jù)當(dāng)前工況實現(xiàn)加速、制動、并線等操作，在保證安全的前提下智能控制車輛。

1 汽車智能電子控制系統(tǒng)研發(fā)意義及內(nèi)容

1.1 研發(fā)意義

在汽車已經(jīng)成為人們標(biāo)準(zhǔn)的代步工具的時代，隨之而來所面臨的安全駕駛問題比舒適化的駕駛體驗更加急待解決。有過駕駛經(jīng)驗的人都知道，在開車的過程中，我們總是需要全神貫注地來注意周圍的路面狀況及環(huán)境，然而即使是這樣，人們也常常會有一時的疏忽大意而造成交通事故，甚至危害生命安全，基于汽車主動安全技術(shù)的智能汽車電子控制系統(tǒng)就成為目前的研究發(fā)展趨勢。

同時此智能汽車電子控制系統(tǒng)還有自動跟車、緊急剎車、車道保持、自動泊車輔助、危險預(yù)警等功能，在汽車安全和駕駛性上都有很重要的意義，不僅在安全上多了一套保障，在駕駛舒適性上也有很好的體驗。

1.2 研發(fā)內(nèi)容

智能汽車電子控制系統(tǒng)是研發(fā)一款適用于新能源電動汽車的產(chǎn)品系統(tǒng)，包括整車控制器VCU及ADAS控制器ACU。不僅僅是研發(fā)此系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，也研發(fā)車輛控制應(yīng)用功能。

整車控制器VCU具備以下功能：

1.2.1 電動汽車整車控制功能

整車各種工況扭矩管理、能量管理、電機電池協(xié)調(diào)管理、充電管理、故障診斷等功能。能夠?qū)ι舷码姇r的高低壓控制邏輯進行管理，根據(jù)駕駛員輸入對駕駛扭矩做出準(zhǔn)確判斷，能夠?qū)囕v當(dāng)前工況進行判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩請求和扭矩限制功能。

1.2.2 制動能量回收功能

VCU控制策略可以實現(xiàn)能源再生制動功能，并且協(xié)調(diào)制動能量回收過程電機制動與ABS系統(tǒng)工作，保證制動安全。

1.2.3 車輛附件控制功能

車輛附件包括空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向、風(fēng)扇、冷卻水泵等部件，VCU能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入/輸出信號的處理，包括濾波、抗抖、滯回處理，保證輸入可靠有效，輸出明確。

1.2.4 故障診斷功能

VCU能夠識別零部件及系統(tǒng)功能故障，并采取相應(yīng)的應(yīng)對策略，提供系統(tǒng)故障保護下的跛行等故障處理功能，同時具備故障碼存儲、上傳、清除等功能。

1.2.5 CAN網(wǎng)絡(luò)通信管理功能

實現(xiàn)整車CAN網(wǎng)絡(luò)總線調(diào)度，具有故障診斷功能（包含故障路徑類型、存儲故障代碼、故障處理等）、能管理相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)鍵信息。

ADAS控制器ACU具備以下功能：

（1）攝像頭、雷達(dá)、慣導(dǎo)等傳感器的信號采集及處理功能。

（2）環(huán)境感知及路況分析功能。

（3）CAN信號管理、和VCU信號交互功能。

（4）自動跟車ACC、緊急制動AEB、自動泊車APA功能。

（5）具備盲點檢測、車道保持輔助功能、防碰撞預(yù)警等主動安全功能。

2 智能汽車整車系統(tǒng)方案設(shè)計研發(fā)

為了滿足整車控制及此系統(tǒng)驗證，整車電控系統(tǒng)需要具備以下零部件系統(tǒng)：

整車系統(tǒng)控制器（VCU）、電池及電池管理系統(tǒng)（BMS）、主驅(qū)動電機及控制器（MCU）、制動系統(tǒng)（Ibooster）、ADAS系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向（EPAS）、儀表盤（IC）、DC-DC、 On-Board Charger、電動汽車熱管理系統(tǒng)、各個車身電子控制器（BCM）、傳感器系統(tǒng)。

3 智能汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 電子控制系統(tǒng)方案架構(gòu)設(shè)計

基于此系統(tǒng)設(shè)計，即具有整車驅(qū)動功能，又具有智能輔助駕駛功能，所以采用S32V234作為高級智能輔助駕駛ADAS控制器ACU的核心芯片，采用MPC5744作為整車控制器的核心芯片， ACU與VCU之間通過CAN線信號互傳信息。

ACU輔助采集雷達(dá)、慣導(dǎo)、攝像頭、高精度地圖等信號，處理路況信息。

VCU負(fù)責(zé)采集駕駛員輸入，控制高壓電池包、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等驅(qū)動車輛正常運行。

同時VCU接收ACU的路況信息，控制驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機、制動系統(tǒng)來實現(xiàn)ACC、AEB、APA等智能功能，保證車輛主動安全，提高駕駛性。

圖1 智能汽車電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

3.2 電子控制系統(tǒng)功能架構(gòu)介紹

電子系統(tǒng)控制功能如下：

3.2.1 主動駕駛功能

整車控制器VCU采集駕駛員輸入信號（鑰匙信號、加速踏板信號、制動踏板信號、檔位信號、方向盤轉(zhuǎn)角信號等）通過控制BMS使高壓電池包高壓上電，并根據(jù)駕駛需求控制轉(zhuǎn)向電機和驅(qū)動電機控制車輛行駛，具備車輛行駛、轉(zhuǎn)向、制動、停車、充電等功能，滿足駕駛員駕駛需求。

3.2.2 自動輔助駕駛功能

在特定工況下，整車控制器VCU和高級輔助駕駛控制器ADAS進行交互，VCU接收ADAS的控制指令（ACC、AEB、APA等）來通過控制轉(zhuǎn)向電機和驅(qū)動電機達(dá)到輔助駕駛功能，使車輛具備自動跟車、自動緊急剎車、自動泊車、碰撞報警等功能，提高車輛行駛安全。

3.2.3 輔助預(yù)警功能

此智能汽車電子控制系統(tǒng)具備車道偏離報警CDW、前碰撞預(yù)警FCW、后碰撞輔助報警RCTA、盲點檢測BSD、并線輔助危險報警LCA等功能。

3.3 電子控制系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件設(shè)計

軟件開發(fā)采用Model Based Design基于模型的編程模式，采用MATLAB/SIMULINK/工具語言，實現(xiàn)設(shè)計建模和在線仿真。

圖2 控制策略Simulink模型圖

圖3 控制策略開發(fā)流程圖

3.4 電子控制系統(tǒng)控制策略介紹

整車控制策略功能框架由輸入信號處理、動力系統(tǒng)上下電、驅(qū)動電機邊界條件、電池包邊界條件、整車及零部件限制、整車能量管理、扭矩分配、附件控制及診斷等幾部分組成，如下圖：

圖4 控制策略功能框架圖

3.4.1 VCU解析駕駛需求

（1）加速踏板解析

VCU通過檢測加速踏板傳感器的硬線信號，解析為0-100%的開度信號。根據(jù)加速踏板開度和車速信號查MAP表得出當(dāng)前工況駕駛者扭矩。

（2）制動踏板解析

VCU通過CAN線采集WBS上傳的制動踏板開度信號（0-100%）。

（3）檔位信號解析

VCU根據(jù)采集換擋旋鈕位置硬線信號判斷當(dāng)前實際檔位。

（4）車輛滑行解析

當(dāng)車輛在以一定車速滑行行駛時（沒有加速踏板信號和制動踏板信號），VCU根據(jù)既定策略進行滑行能量回收，VCU根據(jù)車速查表得出滑行能量回收扭矩，發(fā)給電機。

3.4.2 ADAS控制策略

（1） ACC控制策略

1）當(dāng)ADAS發(fā)送的加速度請求為0時，則VCU保持當(dāng)前扭矩輸出。

2）當(dāng)ADAS發(fā)送的當(dāng)ADAS發(fā)送的加速度請求為正時，VCU把當(dāng)前駕駛者扭矩作為PID調(diào)節(jié)的初始值，根據(jù)VCU實際計算的加速度和ADAS發(fā)送的加速度差值進行PID調(diào)節(jié)，增加扭矩輸出。把整車實際加速度達(dá)到ADAS的請求。

3）當(dāng)ADAS發(fā)送的當(dāng)ADAS發(fā)送的加速度請求為負(fù)時，VCU把當(dāng)前駕駛者扭矩作為PID調(diào)節(jié)的初始值，根據(jù)VCU實際計算的加速度和ADAS發(fā)送的加速度差值進行PID調(diào)節(jié)，減小扭矩輸出。

4）在ACC功能使能過程中，如果駕駛員踩下了加速踏板信號，并且加速踏板信號產(chǎn)生的扭矩需求大于ACC目標(biāo)加速度的扭矩需求，則VCU輸出加速踏板扭矩需求。

5）當(dāng)VCU接收到制動踏板信號輸入時，則VCU退出ACC控制，響應(yīng)制動踏板信號，制動優(yōu)先。此時VCU向WBS發(fā)送電機最大回收扭矩，并響應(yīng)WBS分配的制動回收扭矩。

（2）AEB控制策略

VCU接收到ADAS發(fā)送的AEB請求并且有效時，則進入AEB控制邏輯，VCU取消對電機的扭矩輸出，輸出值置為0，即無加速又無制動。

WBS響應(yīng)AEB的目標(biāo)減速度，控制整車制動。

（3）APA控制策略

VCU接收到ADAS發(fā)送的APA功能請求時，VCU進入APA功能。

VCU響應(yīng)ADAS的目標(biāo)檔位請求，根據(jù)ADAS發(fā)送的目標(biāo)距離和泊車最大控制速度來控制車輛。

當(dāng)VCU檢測到駕駛員輸入（加速踏板信號、制動踏板信號、換擋旋鈕信號）時，則退出APA功能，響應(yīng)駕駛員輸入。

3.4.3 RBS控制策略

VCU根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送是否運行能量回收指令。

（1）VCU在ACC功能Active時，收到小于0.3g的目標(biāo)減速度時，優(yōu)先實現(xiàn)電機控制實現(xiàn)減速并進行發(fā)電制動，并將發(fā)電扭矩發(fā)送給WBS，由WBS分配電機扭矩且VCU響應(yīng)回收扭矩，WBS實現(xiàn)剩余不足的制動扭矩。

（2）在ACC功能Active時，當(dāng)減速度值目標(biāo)值大于0.3g時，VCU禁止電機進行制動能量回收，由WBS進行機械制動響應(yīng)目標(biāo)減速度。

（3）當(dāng)AEB功能激活時，VCU不進行能量回收。

（4）制動踏板開度信號大于40%或變化率大于一定值（20%/20ms），VCU不進行能量回收。

（5）車速小于一定值（e.g 10km/h）時不允許進行能量回收。

（6）SOC電量大于一定值（e.g，95%）時不允許進行能量回收。

（7）電機發(fā)電功能故障時，VCU不進行電機能量回收。

（8）電池充電相關(guān)故障時，VCU不電機進行能量回收。

4 智能汽車電子控制系統(tǒng)仿真與應(yīng)用

智能汽車電子控制系統(tǒng)控制策略采用SIMULINK模型搭建，并對其進行MIL和SIL的測試仿真。

4.1 ACC功能仿真

仿真用例輸入：

檔位：D檔。

油門：開度為0%。

ADAS：發(fā)送ACC使能和1m/s2的加速度請求。

圖5 ACC仿真輸入

仿真結(jié)果：

由下圖可知VCU收到ADAS的ACC的1m/s2請求后，通過PID調(diào)節(jié)扭矩輸出，使車輛實際加速度同ACC請求加速度一致。

圖6 ACC仿真結(jié)果

4.2 AEB功能仿真

AEB用例輸入：

車輛加速到一定時間，激活A(yù)EB功能，觀察實際減速度和請求減速度的輸出：

圖7 AEB仿真測試輸入

AEB仿真結(jié)果：

由圖中可以看出，車速歲加速踏板上升，當(dāng)AEB使能后，車輛開始減速，并且減速度在增加，逐漸向目標(biāo)減速度靠近。

圖8 AEB仿真結(jié)果

4.3 APA功能仿真

APA仿真輸入：

發(fā)送APA使能請求，將目標(biāo)轉(zhuǎn)彎半徑的值設(shè)置為0，APA的加速度請求為0.4m/s2，一段時間后改為0m/s2，APA檔位設(shè)置為D檔，觀察車速和加速度的變化。

圖9 APA仿真輸入

APA仿真結(jié)果：

由下圖可知，當(dāng)APA發(fā)送0加速請求時，VCU能夠保持當(dāng)前車速輸出。

圖10 APA仿真結(jié)果

5 結(jié)論

此智能汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)項目主要是在整車駕駛性和主動安全方面的控制器及控制策略的研發(fā)。

在新能源汽車行業(yè)，電動汽車整車控制器VCU占據(jù)主導(dǎo)作用。在此項目研發(fā)中，主要是針對汽車智能駕駛及主動安全方面的合作。整車控制器VCU通過和高級輔助駕駛系統(tǒng)ADAS、整車制動安全系統(tǒng)ESC的信息交互實現(xiàn)整車車輛主動安全及智能駕駛的控制。

電動汽車整車控制器VCU通過采集駕駛者輸入（加速踏板開度、制動踏板開度、檔位信號）解析駕駛者意圖，通過向動力電池包管理系統(tǒng)BMS和驅(qū)動電機控制器MCU發(fā)送控制指令，實現(xiàn)車輛的正常行駛。

在智能電子控制系統(tǒng)中，高級輔助駕駛系統(tǒng)ADAS通過雷達(dá)、攝像頭、環(huán)視系統(tǒng)等采集車輛周圍信息，通過內(nèi)部控制器的詳細(xì)計算，得出車輛在當(dāng)前工況下可能出現(xiàn)的危險情況，通過報警信號傳遞給駕駛者和整車控制器VCU，當(dāng)駕駛者未采取安全措施時，VCU根據(jù)當(dāng)前工況實現(xiàn)加速、制動、并線等操作，在保證安全的前提下智能控制車輛。通過本項目的開發(fā)與研究對新能源電動汽車控制與開發(fā)提供了很好的支持。

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Development and Research of Automotive Intelligent Electronic Control System

Bao Lei

（Hebei Youkong New Energy Technology Co, Ltd, System Application Department, Hebei Shijiazhuang 050000）

Automotive Intelligent Electronic Control System is a significant component of vehicle control system. It’s very important in new energy vehicle industry, especially in electric vehicle industry. The vehicle control system consists of Vehicle Control Unit(VCU), Advanced Driver Assistance System(ADAS), Electronic Braking System (Ibooster), Electrical Power Steering(EPS) and Central Control System. In the project, VCU interacts with ADAS and EBS in order to realize Adaptive Cruise Control (ACC), Autonomous Emergency Braking (AEB), Lane Keeping Assist (LKA), and Auto Parking Assist (APA).Moreover, the Automotive Intelligent Electronic Control System has functions of Lane Departure Warning (LDW), Forward Collision Warning (FCW), Rear Crossing Traffic Alert (RCTA), Blind Spot Detection(BSD) and Lane Change Assist(LCA). VCU obtains the work condition of the vehicle by collecting signals from subsystems and sensors, then controls every component of the vehicle to realize active safety and meets the drivers’ requirement of extraordinary driving experience.Brake Energy Regeneration is contained in the control system of the new energy vehicle project. When the vehicle is sliding or braking, the regeneration system will convert the mechanical energy into electricity, which will increase the vehicle miles traveled and enhance the economy.Automotive Intelligent Electronic Control System is the natural and inevitable result of the development of automotive industry, and will be the main direction of the future development of automotive electronics.

Electric Vehicle; Vehicle Control Unit; ADAS; Design of Simulink; Control strategy

U469.72

A

1671-7988(2019)13-124-05

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包蕾（1987.6-），男，技術(shù)總監(jiān)，就職于河北優(yōu)控新能源科技有限公司，從事系統(tǒng)開發(fā)及集成應(yīng)用工作。

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