电动汽车高性能整车控制器设计

2024年3月14日发(作者：)

电动汽车高性能整车控制器设计

作者：文／周相青 韩军良 宋会 冯长虹 袁书豪

来源：《时代汽车》 2018年第10期

摘要：整车控制器(VCU)是电动汽车整车控制系统的核心部件，直接影响车辆的动力性、经

济型和可靠性。本文采用模块化、隔离化的思想设计了高性能整车控制器的硬件架构，以汽车

开放系统架构(AUTOSAR)的层次模式为基础，设计了整车控制器的环形层次软件架构，给出了程

序流程图。采用基于模型的设计方法设计应用层的软件，在Matlab中对算法进行建模，自动生

成代码，最后将自动生成的代码与底层代码集成。本文的研究方法对于提高整车控制器的性能、

提高底层软件的可移植性、减轻应用层软件的开发工作量等方面具有重要意义。

关键词：整车控制器；电动汽车；微控制器；AUTOSAR软件架构

1引言

整车控制器(VCU)是电动汽车的核心控制单元，负责与电机控制和驱动系统、电池管理系统、

车载充电机、DC／DC转换系统、能量回收系统、车载空调系统、仪表显示装置等之间的协调控

制和综合管理，实现整车驱动控制、能量优化管理、车内环境温度控制、整车网络化管理、整

车状态监测及故障诊断和处理等功能[1]。整车控制器需要具有很强的运算能力，来保证系统运

行的实时性；要具有丰富的外围端口，能够采集档位、加速踏板、制动踏板、温度、母线电压、

母线电流等各种信号，能够控制主继电器、空调继电器等；要具备CAN通讯接口，能够与电机

控制和驱动系统、电池管理系统、仪表显示系统等进行通信[2]。本文针对电动汽车高性能整车

控制器的硬件设计、基于AUTOSAR软件架构的底层驱动软件设计、基于模型的应用层软件设计

等方面展开研究。

2整车控制器硬件架构设计

高性能整车控制器硬件架构采用模块化、隔离化的设计思想，包括电源模块、微控制器

(MCU)最小系统、模拟信号输入调理模块、开关量信号输入调理模块、开关量信号输出驱动模块、

CAN通讯模块，其硬件架构如图1所示。电源模块将DC-DC电源输出的电压转化为+5V、+3.3V

和+1.2V电压。模拟信号输入调理模块用于采集油门踏板、制动踏板、方向盘转角等模拟信号。

开关量信号输入调理模块用于采集充电开关、钥匙开关、档位开关、模式开关等开关量信息。

开关量信号输出驱动模块用于驱动主电源继电器、充电机继电器和空调继电器等。CAN通讯模

块用于整车控制器和充电机、电机控制器、电池管理系统、能量管理系统等之间的数据通信。

微控制器是整车控制器的核心，它负责所有系统数据的采集、处理、逻辑运算以及控制指

令的输人输出。高性能整车控制器的核心MCU采用TI公司的高性能32位

HerculesTMS570LS3137安全微控制器。TMS570LS3137是一款用于安全系统的高性能汽车级微控

制器，集成了ARMCortex-R4F浮点型CPU，具有高达180MHz的系统时钟，支持单精度和双精度

浮点运算，内部集成了3MB闪存以及256KB的RAM。TMS570LS3137具有很强的运算能力与数据

存储能力，能够保证系统运行的实时性。

3整车控制器软件架构设计

本文依照AUTOSAR设计规范来设计整车控制器软件架构。AUTOSAR是由全球主要汽车生产

商、汽车零部件供应商、汽车电子软件系统公司、电子器件供应商联合建立的一套开放的、标

准化的软件架构。AUTOSAR架构通过引入模块化的软件开发方法，规范不同结构的电子控制单

元的接口特征标椎化，使得应用软件具备更强的可扩展性以及可移植性，大大简化了软件开发

流程，提升了软件兼容性，从而能够灵活应对日益复杂的汽车电子软件开发需求，提升了汽车

电子软件的开发效率[3]。

为了实现应用程序和硬件模块之间的分离，AUTOSAR架构被抽象成四层，由上至下依次是：

应用层、实时运行环境层(RTE)、基础软件层和微控制器层[4]，共架构如图2所示。

3.1应用层

应用层即软件组件层，是整个系统开发的核心，它把汽车电子领域内的一些典型的应用划

分为若干个由一个或多个软件组件组成的模块，应用层的软件组件是通过实时运行环境层进行

内部通信及对vcu资源的访问，从而可使软件设计能够独立于底层硬件部分。

3.2实时运行环境(RTE)

AUTOSAR架构中各个组件之间无法直接进行数据交换，实时运行环境层为应用层组件、基

础软件层各组件之间提供通信服务。

3.3基拙软件层

基础软件层又分为系统服务层、vcu抽象层、复杂驱动层、微控制器抽象层。系统服务层

为应用软件和基础软件模块提供基础服务，VCU抽象层将系统中VCU结构抽象出来。复杂驱动

层主要任务是整合具有特殊目的且不能用微控制器抽象层进行配置的非标准功能模块。微控制

器抽象层位于基础软件层的最底层，包含内部驱动，可以直接访问微控制器和片内外设。

在本文设计中，高性能整车控制器的软件架构设计遵循V模型开发模式[5]，应用为上层的

控制策略，基础软件层为底层的硬件驱动，实时运行环境层为两者提供通讯服务。

以AUTOSAR架构的层次模式为基础，提出了一种环形层次软件架构，如图3所示。图中同

心圆代表软件系统，周边方形模块是硬件资源，从内至外，三层环形层次依次为核心层，调度

层和驱动层。核心层是整车控制器软件系统的最顶层，处于架构最核心的位置。调度层处在软

件系统的中层，既衔接驱动层，又支撑核心层。驱动层位于软件系统的最外层，实现微控制器

的初始化和与板载硬件资源的交互。根据上述设计思想，整车控制器主程序流程图设计如图4

所示。

本文采用基于模型的代码自动生成技术来实现上层控制代码的自动生成。首先在

Matlab/Simulink中建立控制算法的模型，然后利用Simulink的

RealTimeWorkshopEmbeddedCoder工具完成自动代码生成[6]。在完成模型在环测试、软件在环

测试等测试工作，保证自动生成代码的质量后，把自动生成的代码与基于整车控制器的底层驱

动代码集成到TMS570LS3137的开发环境CCS(CodeComposerStudio)工程中，从而完成整车控制

器软件的集成。

4结语

本文以高性能整车控制器为研究目标，进行了硬件架构设计和基于AUTOSAR规范的软件架

构设计。采用具有很强运算能力与数据存储能力的安全微控制器，保证了系统运行的实时性。

通过MATLAB软件利对上层控制代码进行了自动生成，然后将自动生成的代码与底层代码集成。

采用代码自动生成技术减少了软件开发过程中程序编写花费的时间，减轻了应用层软件的开发

工作量，简化了软件开发流程，提升了软件兼容性，提高了汽车电子软件的开发效率。

基金项目：1、河南省高等学校重点科研项目计划“电动汽车高性能整车控制器研究”，项

目编号：17A470003;2、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）“新能源汽车变频空调关键技

术研究”，项目编号：80

参考文献：

[1]黄万友，王广灿，富文军等．电动汽车整车控制器控制策略研究综述[J]．内燃机与动

力装置，2018，35(1)：35-39．

[2]邱静，汤峰．纯电动客车整车控制器设计及测试[J]合肥学院学报（自然科学版），

2015，25(2)：54-57．

[3]吴志红，李清晨等.AUTOSAR规范下安全车栽通信技术的研究与实现Ⅱ]．通信技术，

2017,50(12):2822-2827.

[4]江艳，蒋先庆．基于AUTOSAR的空调控制器软件架构设计[J]．汽车电气，2016，6：

60-62．

[5]李建秋，田光宇，卢青春等．利用V型开发模式研制燃料电池混合动力客车的整车控制

器卟机械工程学报，2005，41(12)：30-36．

[6]刘新磊，程增木．基于MATLABSimulink的纯电动汽车整车控制系统开发方法研究

[J]．工业技术创新，2016，03(01)：2-6.

作者简介

周相青：（1973.4-），男，河南新野人，工程师。