電動汽車動力域控制器設(shè)計研究

馬小超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 國際公司 海外汽車研究所，安徽 合肥 230051）

1 引言

近年來，隨著汽車加速電動化和智能化，汽車中的電子控制器單元（Electronic Control Unit，ECU）數(shù)量激增。據(jù)了解，從1993年到2010年，奧迪A8車型上使用的ECU數(shù)量從5個驟增至100余個，奧迪A8L裝配的ECU數(shù)量在2013年也已超過100個。而隨著電動化快速普及和智能化迅速升級，通過增加ECU數(shù)量已非良策。由于不同ECU來自不同供應(yīng)商，無論是整車功能的開發(fā)還是后期的維護(hù)升級，車企均需要和這些供應(yīng)商分別溝通協(xié)作，過程繁瑣，整車開發(fā)周期也因此拉長，人力物力成本隨之增長。此種背景下，傳統(tǒng)分布式整車電子電氣架構(gòu)出現(xiàn)集中化演變趨勢，原先相互孤立的ECU相互融合，分組集中控制，域控制器（Domain Control Unit，DCU）應(yīng)運而生。

借由域控制器，可實現(xiàn)全車100余ECU到少數(shù)幾個DCU的變化，控制功能迅速集中，有利于降成本；域控制器具備算力可擴(kuò)展、更靈活的整車遠(yuǎn)程升級（Over-the-air Technology，OTA），使得汽車企業(yè)可以為用戶實現(xiàn)不斷迭代升級的功能體驗；更為關(guān)鍵的是，域控制器打破了傳統(tǒng)感知+算法+ECU的捆綁式開發(fā)模式，多種傳感器的感知數(shù)據(jù)處理可以實現(xiàn)與控制器計算平臺的數(shù)據(jù)融合，車輛能夠及時作出更安全的決策。前述的成本、安全或維護(hù)升級問題迎刃而解。因此，研究域控制器已成為各大主機(jī)企業(yè)和電控零部件企業(yè)的熱門課題。

2 整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計

2.1 域控制器的分類

目前行業(yè)對電動車的域控制器暫無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，但從目前來看，域控制器主要有兩種分類方式。一種是按區(qū)域劃分，具體可分為前區(qū)域控制器、左區(qū)域控制器、右區(qū)域控制器等，由于集中度較高、技術(shù)難度較大等原因，目前僅有特斯拉等少數(shù)企業(yè)采用這樣的分類方式；此種分類方式對應(yīng)的整車電子電氣架構(gòu)中，配置一個中央計算模塊及3個域控制器，分別為前車身域控制器、左車身域控制器、右車身域控制器，如圖1所示。

圖1 按區(qū)域劃分的域控制器示意圖

相較于上述分類方式，按照功能劃分的方式更為各主機(jī)企業(yè)接受。目前多數(shù)車企或是零部件企業(yè)都采用這一方式。從目前來看，主要分類有動力域控制器、底盤域控制器、車身域控制器、座艙域控制器、自動駕駛域控制器等，不同企業(yè)間略有差異。其中，動力域控制器，主要集成的是動力總成相關(guān)控制功能，主要負(fù)責(zé)動力總成的優(yōu)化與控制。隨著新能源汽車電驅(qū)和電控系統(tǒng)集成化發(fā)展，動力域控制器也越來越多地應(yīng)用。按功能劃分的域控制器示意如圖2所示。

圖2 按功能劃分的域控制器示意圖

本文研究的是一款純電動汽車動力域控制器的設(shè)計，該域控制器的劃分方式與前述按功能劃分的方式相似，是一款動力域控制器。但功能與前述略有不同，該動力域控制器集成了動力域及部分底盤部件和車身部件的控制，在整車電子電氣架構(gòu)中扮演著核心控制作用。為表述和理解方便，下文一律稱為“動力域控制器”。

2.2 本文研究的電動汽車電子電氣架構(gòu)

本文研究的電動汽車電子電氣架構(gòu)已由傳統(tǒng)的分布式演變?yōu)楫?dāng)前的“三域”架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 “三域”整車電子電氣架構(gòu)示意圖

智能駕駛域控制器，基于環(huán)境感知、精準(zhǔn)定位、控制與執(zhí)行等項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)車道保持、自適應(yīng)巡航、自動泊車等項功能。座艙域控制器，應(yīng)用異構(gòu)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)娛樂系統(tǒng)、駕駛員監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)、OTA和音頻處理功能集成。動力域控制器，是整車智能大腦，實現(xiàn)動力學(xué)控制、動力電池核心算法、充電控制、整車一體化熱管理、車身控制和決策的邏輯和算法等。動力域控制器功能集成示意如圖4所示。

圖4 動力域控制器功能集成示意圖

3 動力域控制器設(shè)計

3.1 性能目標(biāo)

目前主要以博世、德爾福、大陸為代表的國外技術(shù)公司長期壟斷動力系統(tǒng)的控制器產(chǎn)品，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、功能性能與國際一流產(chǎn)品相當(dāng)?shù)膭恿τ蚩刂破鳎怆妱悠囉蚩刂萍夹g(shù)“卡脖子”迫在眉睫。本文研究的電動車動力域控制器，主要性能目標(biāo)見表1。

表1 動力域控制器的主要性能目標(biāo)

3.2 分時復(fù)用的硬件

應(yīng)用分時復(fù)用技術(shù)，設(shè)計動力域控制器的硬件，實現(xiàn)集成整車控制器、空調(diào)控制器、中央網(wǎng)關(guān)、真空泵控制器、水泵控制器，微處理芯片、電源芯片、存儲芯片分別由原來的5個減少為1個，通信芯片由原來的8個減少為4個。在控制器硬件的安全性能、控制精度、采樣精度和響應(yīng)水平均提高的情況下，成本下降30%。未集成的5個控制器如圖5所示，集成后的動力域控制器如圖6所示。

圖5 動力域控制器需集成的5個硬件示意圖

圖6 分時復(fù)用的動力域控制器硬件示意圖

3.3 模塊化的應(yīng)用層軟件

應(yīng)用Autosar軟件架構(gòu)，開發(fā)虛擬總線軟件模塊，軟件和硬件解耦、應(yīng)用層軟件解耦，實現(xiàn)軟件模塊可重用、易移植。應(yīng)用層軟件有模式管理、整車動力學(xué)控制、熱管理、智能座艙交互等7個功能模塊、17個子功能。具體見表2。

表2 動力域控制器模塊化軟件

3.4 核心功能定義

3.4.1 原子服務(wù)功能

在應(yīng)用層軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識別出不可再分的最小控制單元，建立標(biāo)準(zhǔn)的軟件庫函數(shù)和API接口，開發(fā)可供不同軟件應(yīng)用調(diào)用的原子服務(wù)功能。動力域控制器的應(yīng)用層軟件根據(jù)功能的時序及其功能特性，調(diào)用相關(guān)的原子服務(wù)，開展基于邏輯的組合和排序，實現(xiàn)面向服務(wù)的敏捷開發(fā)。

本文研究的動力域控制器，開發(fā)了8項原子服務(wù)功能，包括上下電控制、擋位控制、制動燈控制、轉(zhuǎn)向燈控制、電子駐車控制、轉(zhuǎn)向控制、制動壓力控制、電機(jī)驅(qū)動控制。8個原子服務(wù)可以任意分組或任意數(shù)量的組合，形成新的整車控制應(yīng)用軟件，如圖7所示。

圖7 原子服務(wù)功能示意圖

3.4.2 大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的服務(wù)功能

大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的服務(wù)建立在由車端的動力域控制器、車載遠(yuǎn)程監(jiān)控終端TBOX和車外的遠(yuǎn)程監(jiān)控云平臺三層架構(gòu)之上。電動汽車均連接在遠(yuǎn)程監(jiān)控云平臺上，在使用過程中，云平臺實時采集整車數(shù)據(jù)，應(yīng)用邊緣計算技術(shù)開展用戶駕駛行為分析，并將結(jié)果反饋給動力域控制器?；谠贫说杰嚩说臄?shù)字化協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)千人千面的服務(wù)，如圖8所示。

圖8 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)功能示意圖

3.4.3 信息安全功能

因電動汽車均與遠(yuǎn)程監(jiān)控云平臺連接，本文設(shè)計的動力域控制器從車端和云端兩個維度確保整車信息安全，防止車輛被攻擊。

1）車端，3個方面。①協(xié)議安全，針對關(guān)鍵信號，應(yīng)用身份認(rèn)證和信號有效性識別技術(shù)，杜絕外接設(shè)備發(fā)出非法信號造成的干擾；②交互安全，針對跨域的信息交互，基于時間敏感管理完成信號合法性檢查，應(yīng)用加密算法完成信號正確性檢查；③網(wǎng)絡(luò)安全，應(yīng)用安全網(wǎng)關(guān)過濾非法ID，降低網(wǎng)絡(luò)泛洪攻擊造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓風(fēng)險。

2）云 端，3個 方 面。①訪 問 安 全，應(yīng) 用GRE隧 道 和VPN專線技術(shù)，保證云端數(shù)據(jù)與公網(wǎng)物理隔離，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)攔截風(fēng)險；②通信安全，私有化安全交互協(xié)議，應(yīng)用時間戳、底層心跳包，有效抵御中間攻擊和回滾攻擊；③鏈路安全，車端和云端的交互數(shù)據(jù)應(yīng)用非對稱秘鑰體系加密，保證業(yè)務(wù)安全。

4 設(shè)計方案驗證

4.1 硬件臺架試驗驗證

根據(jù)法規(guī)及多年實踐積累的試驗項目，設(shè)計了硬件臺架試驗驗證方案，共實施試驗9類86項，試驗全部驗證了動力域控制器的硬件設(shè)計可行。其中，最重要的試驗項目有5類15項，見表3。

表3 整域控制器硬件臺架試驗項目及結(jié)論

4.2 整車性能試驗驗證

使用本款動力域控制器的整車，為達(dá)成整車經(jīng)濟(jì)性、動力性目標(biāo)，重點針對全加速踏板起步工況、模式轉(zhuǎn)換工況、駐坡工況開展駕駛性攻關(guān)，達(dá)到主觀駕駛平順無抖動。整車功能性能試驗結(jié)果見表4。

表4 整車性能試驗結(jié)論

4.3 整車可靠性試驗驗證

使用該動力域控制器的整車，開展整車可靠性試驗，試驗道路及里程分布見表5，試驗歷時6個月，折合實際使用里程約30萬km，過程中動力域控制器表現(xiàn)出安全、可靠的特性。整車可靠性試驗結(jié)論見表5。

表5 整車可靠性試驗結(jié)論

5 總結(jié)

本文基于一款純電動汽車設(shè)計了整車電子電氣架構(gòu)及動力域控制器，設(shè)定了動力域控制器的性能目標(biāo)，設(shè)計了一種硬件分時復(fù)用和軟件模塊化的動力域控制器方案，定義了原子服務(wù)功能、大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的服務(wù)功能、信息安全功能，通過臺架性能試驗、整車性能試驗及整車可靠性試驗結(jié)果，驗證了動力域控制器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，供純電動汽車域控制器設(shè)計開發(fā)參考。