基于AUTOSAR架構(gòu)的電動(dòng)汽車(chē)VCU軟件功能設(shè)計(jì)

潘志前

（上海蔚蘭動(dòng)力科技有限公司，上海，200050）

0 前言

截至2018年9月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.22億輛[公安部數(shù)據(jù)]，2017年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)四項(xiàng)污染物排放總量初步核算為4359.7萬(wàn)噸，機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放成為空氣污染的首要因素。電動(dòng)汽車(chē)具有零排放、零污染的優(yōu)點(diǎn)，受到相關(guān)國(guó)家部門(mén)的推廣。VCU作為電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)控制器，相當(dāng)于電動(dòng)汽車(chē)的大腦，跟電池控制器、電機(jī)控制器、底盤(pán)控制器等通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊，控制車(chē)輛安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

1 ATUOSAR簡(jiǎn)介

AUTOSAR是AUTOmotive Op en System Architecture（汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)）的首字母縮寫(xiě)，由汽車(chē)制造商，供應(yīng)商以及工具開(kāi)發(fā)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)。截止到2018年，成員中有9大核心成員，200多其他成員。

隨著汽車(chē)軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度不斷增加，軟件代碼量的急速上升，硬件的多樣化，導(dǎo)致對(duì)軟件可移植性的依賴(lài)越來(lái)越強(qiáng)。AUTOSAR具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過(guò)配置可以任意移植應(yīng)用層到不同的硬件上，不但可以提高代碼質(zhì)量，而且大大縮短了軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

1.1 AUTOSAR架構(gòu)

AUTOSAR架構(gòu)將底層軟件和應(yīng)用層軟件通過(guò)RTE層進(jìn)行分離，再將底層分為微控制器抽象層、ECU抽象層、服務(wù)層和復(fù)雜驅(qū)動(dòng)。見(jiàn)圖1。微控制器抽象層是底層軟件的最底層，主要包括微控制器驅(qū)動(dòng)、MEMORY驅(qū)動(dòng)、通訊驅(qū)動(dòng)、I/O驅(qū)動(dòng)等；ECU抽象層處在底層軟件的中間層，將ECU硬件抽象化，主要是作為微控制器層驅(qū)動(dòng)的接口，也包含外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)；服務(wù)層是底層軟件的最高層，主要包括操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理、內(nèi)存管理、診斷服務(wù)、ECU狀態(tài)及模式管理、監(jiān)控管理等；復(fù)雜驅(qū)動(dòng)是在AUTOSAR里面未被定義，具有很高時(shí)序限制的驅(qū)動(dòng)。

1.2 AUTOSAR方法論

圖1 AUTOSAR分層架構(gòu)

圖2 V型開(kāi)發(fā)流程

AUTOSAR具有一整套的方法進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，即方法論。整個(gè)方法分為三個(gè)階段，即系統(tǒng)配置階段、ECU配置階段及生成代碼階段。系統(tǒng)配置階段包括軟件組件描述、ECU資源描述及系統(tǒng)限制描述。軟件組件描述主要包括該SWC用到的操作和數(shù)據(jù)、對(duì)架構(gòu)和硬件的要求、所使用的資源、運(yùn)行機(jī)制等；ECU資源描述主要包括使用了哪些硬件，比如傳感器、執(zhí)行器、存儲(chǔ)器、處理器、外部設(shè)備、引腳分配等；系統(tǒng)限制描述主要包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、協(xié)議、通訊矩陣、波特率等。系統(tǒng)配置階段主要包括將端口數(shù)據(jù)映射到通信矩陣，并將SWC映射到ECU；ECU配置階段主要包括將runnable映射到task中；最后進(jìn)行軟件集成，利用工具將各個(gè)軟件模塊生成的代碼進(jìn)行集中編譯，最后生成可執(zhí)行的代碼。

2 VCU軟件功能開(kāi)發(fā)

VCU軟件功能的開(kāi)發(fā)嚴(yán)格按照V型架構(gòu)開(kāi)發(fā)，如圖2所示。

VCU相當(dāng)于電動(dòng)汽車(chē)的大腦，收集來(lái)自于駕駛員需求的加速踏板信號(hào)、剎車(chē)信號(hào)、檔位

信號(hào)，還有來(lái)自于底盤(pán)控制器、車(chē)身控制器、人機(jī)交互等信號(hào)，來(lái)自于電機(jī)控制器的MCU的信號(hào)，來(lái)自于電池控制器BMU的信號(hào)等其他控制器的信號(hào)，見(jiàn)圖3。VCU綜合這些信號(hào)進(jìn)行判斷，最終輸出命令到其他控制器，從而達(dá)到車(chē)輛的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

VCU的功能主要包括整車(chē)高壓上、下電管理、扭矩管理、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理、高壓能量管理、低壓能量管理、充電管理、診斷管理等，下面簡(jiǎn)要介紹一下各個(gè)功能模塊。

2.1 整車(chē)高壓上、下電管理

該模塊主要負(fù)責(zé)整車(chē)高壓的上電和下電時(shí)序。上電時(shí)，VCU被喚醒，喚醒后VCU進(jìn)行自檢，自檢完成后接著喚醒其他動(dòng)力系統(tǒng)控制器，如BMU、MCU等；所有控制器喚醒后，VCU發(fā)送上高壓請(qǐng)求，BMU進(jìn)入預(yù)充，預(yù)充完成后閉合主繼電器，完成上高壓的流程。下高壓時(shí)，VCU發(fā)送下電請(qǐng)求，接下來(lái)進(jìn)入電池、電機(jī)的絕緣檢測(cè)階段，絕緣檢測(cè)完畢后，VCU請(qǐng)求BMU打開(kāi)主繼電器，BMU打開(kāi)主繼電器后，進(jìn)入電機(jī)主動(dòng)放電階段，放電完成后，完成下電操作。

圖3 VCU控制系統(tǒng)

2.2 扭矩管理

該模塊采集加速踏板、剎車(chē)踏板、檔位、巡航等信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后反應(yīng)了駕駛員對(duì)車(chē)輛的需求，期望加速、減速還是巡航等，然后對(duì)需求的扭矩進(jìn)行濾波，保證駕駛的平穩(wěn)性。最后對(duì)來(lái)自于底盤(pán)控制器、電機(jī)控制器、電池控制器等的扭矩進(jìn)行仲裁，仲裁后輸出需求扭矩到電機(jī)控制器。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)熱管理

該模塊主要負(fù)責(zé)動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理工作，包括電池和電機(jī)的熱管理。熱管理模式主要包括主動(dòng)冷卻模式、被動(dòng)冷卻模式、大小循環(huán)、遠(yuǎn)程預(yù)加熱等，VCU根據(jù)電池SOC、電機(jī)工況、電池溫度、電機(jī)溫度、環(huán)境溫度等條件判斷需要何種熱管理模式，保證電池、電機(jī)處于高性能區(qū)域。同時(shí)，當(dāng)在低溫環(huán)境下，熱管理還針對(duì)遠(yuǎn)程請(qǐng)求對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱，以保證客戶(hù)用車(chē)時(shí)電池性能不受限制。當(dāng)車(chē)輛的慢充槍插入且低溫時(shí)，還能對(duì)電池進(jìn)行保溫管理，維持電池在合理的溫度范圍內(nèi)。

2.4 高壓能量管理

該模塊主要負(fù)責(zé)高壓能量的分配，通過(guò)計(jì)算電池可用功率、電機(jī)功率需求、高壓附件的功率需求，分別計(jì)算出在放電工況和制動(dòng)能量回收工況下的能量，再根據(jù)電池的能力進(jìn)行能力分配。當(dāng)車(chē)輛在充電工況時(shí)，根據(jù)充電槍能力、電池SOC、電池溫度、環(huán)境溫度等要素綜合考慮高壓能量的分配，比如電池加熱或制冷需要的能量、乘員艙加熱或制冷需要的能量等。

2.5 低壓能量管理

該模塊主要負(fù)責(zé)整車(chē)的低壓能量管理，主要包括休眠時(shí)喚醒VCU使能DCDC給低壓電池充電和整車(chē)電壓負(fù)載的管理。當(dāng)?shù)蛪弘姵豐OC或電壓低于閾值時(shí)，低壓電池通過(guò)通訊發(fā)送信息喚醒VCU，從而使能DCDC給低壓電池充電；另外，將低壓電壓分為三級(jí)，在不同的電壓等級(jí)下，根據(jù)負(fù)載的優(yōu)先級(jí)，會(huì)卸載不同的負(fù)載，以保證低壓電的穩(wěn)定。

2.6 充電管理

該模塊主要負(fù)責(zé)交流慢充，當(dāng)車(chē)輛處于休眠時(shí)，可通過(guò)插槍信號(hào)喚醒VCU，VCU根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛檔位、充電口溫度、是否有其他故障等綜合判斷是否具備充電條件，如果不具備，則終止，如果具備，則喚醒OBCM、DCDC、BMU等控制器，并完成上高壓準(zhǔn)備，然后VCU請(qǐng)求閉合S2和慢充繼電器，進(jìn)行慢充充電。在充電過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)控電池的狀態(tài)和其他控制器的狀態(tài)，當(dāng)電池充滿(mǎn)或客戶(hù)終止時(shí)或有過(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓、絕緣等故障時(shí)，VCU進(jìn)行下電請(qǐng)求，以保證安全。

2.7 診斷管理

該模塊按照UDS的規(guī)范要求，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行診斷，包括零部件的對(duì)地短路、對(duì)電源短路、開(kāi)路、性能等故障進(jìn)行時(shí)時(shí)在線(xiàn)診斷外，還包括出現(xiàn)故障后的安全處理，一方面保證人員的安全，另一方面保證車(chē)輛的安全。另外，診斷管理還對(duì)產(chǎn)線(xiàn)EOL進(jìn)行測(cè)試，以保證車(chē)輛零部件能夠正常工作。

3 VCU軟件集成

軟件集成工具采用的是ETAS提供的ISOLAR-A和Matlab，主要集成步驟包括以下幾步：

1.生成AUTOSAR接口文件，文件格式為.ARXML；

2.將AUTOSAR工程添加到ISOLAR-A工具中；

3.添加軟件組件SWC的輸入和輸出接口；

4.生成軟件組件SWC；

5.連接軟件組件SWC的接口；

6.代碼生成；

7.進(jìn)行預(yù)編譯、編譯和后編譯；

8.生成 Hex 和 A2l。

整個(gè)集成主要包括上述的8個(gè)步驟，如圖4所示。

4 VCU軟件測(cè)試

軟件測(cè)試是軟件開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中必不可少、至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，主要包括單元測(cè)試、MIL測(cè)試及HIL測(cè)試。

單元測(cè)試是軟件開(kāi)發(fā)中最小集合的測(cè)試，包括收集軟件需求、制定單元測(cè)試計(jì)劃、設(shè)計(jì)單元測(cè)試用例、進(jìn)行單元測(cè)試、輸出單元測(cè)試報(bào)告、評(píng)審單元測(cè)試結(jié)果等活動(dòng)，見(jiàn)圖5。單元測(cè)試可在Matlab/Simulink測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行，輸入測(cè)試用例，輸出測(cè)試報(bào)告。

MIL（Module In Loop）測(cè)試，顧名思義，測(cè)試環(huán)境也是在Matlab/Simulink下搭建的，將所有VCU模型或部分模型聯(lián)系在一起進(jìn)行測(cè)試，亦可搭建駕駛員輸入模型、電機(jī)模型、電池模型等，盡可能模擬真實(shí)環(huán)境，得出的測(cè)試結(jié)果也更接近實(shí)際情況。MIL測(cè)試過(guò)程類(lèi)似單元測(cè)試。

HIL（Hardware In Loop）測(cè)試是軟件開(kāi)發(fā)最后一環(huán)測(cè)試，我們采用的是ETAS測(cè)試臺(tái)架，將VCU外圍硬件，如踏板、剎車(chē)、慢充繼電器、檔位等接入臺(tái)架，在ECU-TEST上根據(jù)測(cè)試用例進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。

5 總結(jié)

AUTOSAR架構(gòu)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，也是目前主流廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)軟件采用的方法。VCU軟件的開(kāi)發(fā)基于此，具有軟件的移植性、替代性、兼容性等優(yōu)點(diǎn)，本文就是在AUTOSAR架構(gòu)上進(jìn)行了VCU多種功能的開(kāi)發(fā)，并對(duì)開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行集成、測(cè)試，以達(dá)到整車(chē)功能的需求。

圖4 軟件集成流程

圖5 測(cè)試流程