当前市面上出现的新能源汽车主要有纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力电池汽车，针对不同的车辆对象，匹配不同的控制方案和策略。目前一般的整车控制系统主要指车辆控制器或称为整车控制器，主要控制车辆行驶和安全并兼顾信号附加驱动，如一些必要的输入和输出信号以及一些信号级驱动负载和使能控制功能等，很少涉及高压控制集成、高压附件应用功率控制。比如空调PTC加热方面，基本都是PTC厂家开发应用，但是这块PTC控制功率可达到5 kW左右，里程上至少20 km，对电动汽车整车能源管理和功耗影响巨大。因此，整合此两类产品功能集成控制，结合电和车系统来控制实现整车控制器系统开发。

整车控制器的功能

本文主要针对应用领域开发的一种整车控制器，集成了PTC控制器全部功能。PTC控制器是应用于乘客舱加热的高压附件，通过整车控制器集成统一管理低压、高压系统供电和控制并通过输出PWM信号对PTC加热的IGBT进行驱动输出，通过对PWM信号的控制进行PI调节，实现恒功率加热和自动控制功能，应用此功能对应一般纯电动乘用车的自动空调系统。低压系统分为车辆控制基本信号和PTC驱动控制系统PWM信号，这个PWM信号依据算法学习匹配采集必要的车外温、车内温、功率、电流等因数，输出200～500 Hz的PWM占空比信号，信号的频率依据IGBT的功耗和温升等因数来设定，通过一定的测试确定具体的频率点。整车控制器采集来自驾驶人的车速指令需求信号后，通过外部传感器采集必要的加速踏板、档位、制动、点火、高压检测、绝缘监控、环路互锁等信号，依据转矩请求指令、ABS轮速信号、电动机转速信号及驱动输出必要的负载状态，来驱动使能信号控制车辆起动和运行，并通过必要的CAN通信获取CLM power请求信号，启动需求的PTC加热功能。

此信号控制具体说来：基本的外部输入采集信号如加速踏板、变速器档位、KL30/KL15等电源信号和制动信号等，外部包含温度、电流、真空泵采集等传感器信号、外部PWM采集信号等，如ABS传感器信号，输出主要是驱动负载的继电器控制信号如倒车灯、环路互锁、DCDC使能、cooling pump、brake pump、battery contactor、EAC relay及fan等负载，使能命令信号如电动机工作使能信号、PTC enable等，PWM驱动信号如泵或三通阀等一些信号，针对驱动信号控制器对象PWM信号，有些给档位电动机和PTC加热的也纳入PWM控制。

应对整车控制器功能进行整合集成，本文阐明这一新型集成技术方案控制和应用，因此不但控制原来一些开关信号、驱动工作，还控制了小功率高压系统驱动如PTC驱动控制。高压附件的控制依据整车动总需求层次来规划，最后的控制管理集中到整车控制器系统中并通过CAN信息及使能统一调度启动。从控制上来说，高低压系统集中控制，高压附件负载本体单独分离出来给专业厂家，便于主机厂分配资源和采购合理性，主机厂专注技术和集成，现如今PTC本体基本都是零部件厂商或专业厂家提供资源，他们对应用更为熟悉。对主机厂来说直接外协即可，不便再独自开发且无性价比，对应于控制部分设计和开发，主控由主机厂控制，这也符合主机厂资源分配管理和能力提升储备。

另外，原来的整车控制器一般都是设计成金属壳体且具备IP67防护，能满足散热等各项性能，这一良好的特性为此种方案应用提供了可能和环境条件，不仅减少了布置空间，而且省去了成本控制。

系统架构

基于freescale56系列32位控制系统，为系统整车控制提供了高效运算和安全管理，整车控制器系统包含各个单元模块功能，由主控系统电路、电源供电模块电路、CAN通信电路、看门狗电路、数字量采集模块、调试工具层、驱动输出及数字/PWM输出（图1）。根据电气系统需求确定VCU整车控制器的系统功能定义，端口资源需求依据平台化架构要求，确定主控系统主频、flash、主控时钟、ADC/GPIO等端口资源及芯片厂家确定主控系统的车辆方向，确定最终MCU并基于此集成分配各单元模块功能及资源。通过CAN网络管理使得控制器与空调控制器间的通信工作更加协调一致，保证正常的车辆控制与大屏系统同步及PTC加热功能请求各自独立运行。

图 1 系统架构

主控控制功能

图2显示了主控单片将整车控制功能进行分配管理，有输入信号、使能驱动信号和PWM驱动、诊断反馈功能、喂狗维持信号功能等。通过驾驶人车速指令需求定义分配不同的port口，系统化的分配资源。将模拟量、数字量采集、PWM输入采集、PWM输出驱动、低端和高端驱动负载逐一分配体现。

图 2 主控控制功能分配

驱动负载功能

1.整车控制输出负载

目前整车控制输出负载主要应用控制各类负载继电器，有低端驱动和高端驱动，低端驱动主要驱动一些cooling pump、cooling fan 、lamp等，高端驱动主要驱动HIVL OUTPUT、inverter enable、EAC RELAY、battery contactor、PTC enable等，上述主要是继电器负载控制。

2.高压附件PTC负载PWM加热控制

主控MCU输出200～500 Hz的PWM信号驱动PTC的IGBT开关导通，通过采集外部信号:车辆行驶需求信号及空调需求的PTC加热功能控制，完成了整个功能定义分配。

通过必要的温度、电流和电压等信号，并采用PI调节响应恒功率自动输出及自动功率输出，在正常工作之外实现安全降功率和功率保护，有效保证了室内温度舒适度和线性区域控制，真正实现了自动恒温空调控制，提高了车辆舒适度和品质感。

底层软件设计

底层软件平台采用结构化设计，其目的是增强控制软件及各模块的可重用性，参考AUTOSAR的软件结构设计，降低后继开发的难度。软件结构由两个基本层组成，应用层（Application layer），BSW(Basic Software)。BSW又细分为服务层、ECU抽象层和控制器抽象层。底层软件的基本架构如图3所示。

图 3 底层软件架构

服务层包含系统调度及部分模块的管理服务功能；ECU抽象层包含与控制硬件布局相关的部分功能；控制器抽象层含有未在其他结构中说明的功能，如某芯片的特有功能等。

基础软件操作系统采用的是μC/OS操作系统，基于10  ms的时间间隔产生基本的任务调度、循环调用及与外界进行数据交换。数据的输出将在每个tick周期优先处理，用以保证数据发送周期的一致性。另外，数据（输入）的更新将在应用程序调用前完成。

应用层软件设计

应用层软件设计采用Matlab/Simulink搭建被控对象的策略模型（图4、图5），并利用Targetlink工具自动生成代码，这样能够降低工程师手写代码的风险和工作量。策略平台功能拓展性良好，能够快速实现车辆功能拓展及提升。

图 4 整车控制器应用层软件模型

图 5 应用层模型

整车控制器应用层软件架构，主要划分为动力电池管理、电动机管理、失效保护、附件管理和功能提升五大功能群，包含了26个功能模块。

转矩仲裁功能模块模型如图6所示，对驱动、回收制动和Creep三个转矩输出进行仲裁并对输出转矩进行平滑处理，区域划分为前进、倒档和回收制动三个区域，每个区域内对转矩的上升和下降分别做平滑。

图 6 转矩仲裁功能模块模型

Creep功能模块原理图及模型如图7所示。其中，在车速低于7 km/h内根据车速高低进行PI控制，请求电动机输出转矩将车速稳定在8 km/h实现低速蠕动功能。

Creep功能是在驾驶人不踩制动踏板、不踩加速踏板且在驱动档或倒档的条件下，由电动机模拟带液力变矩器自动变速器车辆，提供较低的驱动转矩供车辆在低速条件下行驶，提高城市拥堵路面等条件下的驾驶舒适性。Creep的控制策略可以对电动机输出转矩进行开环控制，对电动机转速实行速度闭环控制，并能根据加速踏板开度和车速抵消Creep转矩。

图 7 Creep 功能模块原理图及模型

电路仿真及测试

依据车辆控制的一般负载和控制特性，对要求较为严格的电源做了仿真和测试，依据仿真和测试验证保证电源系统低压和高压两块独立协调工作。通过电池系统高压和低压不同输入状态及放电负载状态，建立仿真测试（图8），通过上位机对PWM功率负载监控和参数修改，筛选出满足PWM功率负载请求输入和输出的系统匹配需求。

图 8 输入电源仿真测试

法规及测试验证

全国汽车标准化技术委员会电动车辆分技术委员会今年对电动汽车安全要求进行了升级修订，针对高压部件安全等方面做了要求。控制器设计这部分重点是对高压安全要求的人员触电防护要求做了标记和防护要求，针对B级电压可能的电线标记要求防护、连接、维护等做了识别验证，主要体现在通过外壳提供触电防护对带电部分处理、安装位置、防护、连接器的设计要求等体现，针对间接防护满足直流电路绝缘电阻的最小值应大于100 Ω/V，耐电压设计满足法规要求，针对可能出现的失效通过电路的诊断反馈、CAN诊断及环路互锁结构、绝缘监测等有效防止可能出现的失效模式。

另外，针对高低压系统集成需满足GB7258-2012机动车运行安全技术条件，及GB11555-2009汽车风窗玻璃除霜除雾系统的性能要求及试验方法。尤其涉及加热控制和基本车辆控制满足基本功能同时要达到空调系统运行的要求。除此之外，高低压系统涉及高压这块需要特别重视在EMC电磁骚扰辐射发射和传导发射的限值要求。高压系统在辐射发射和传导发射需加强高低压的隔离及屏蔽，在高频及变压器和电源DC-DC、FLYBACK电路设计处理吸收滤波方案设计特点的要求。

总结

充分运用系统的控制技术应用电动汽车整车控制器高低压车辆系统控制，并根据整车厂实际功能需求匹配扩展高压子系统或附件功能，使其具备完整的高低压集成系统，节约了开发成本，同时使整车控制更为系统化、平台化、智能化，有效提高车辆安全和能源管理合理利用。