基于AUTOSAR架构的电动汽车VCU软件功能设计

潘志前

（上海蔚兰动力科技有限公司，上海，200050）

0 前言

截至2018年9月，全国机动车保有量达3.22亿辆[公安部数据]，2017年，全国机动车四项污染物排放总量初步核算为4359.7万吨，机动车的尾气排放成为空气污染的首要因素。电动汽车具有零排放、零污染的优点，受到相关国家部门的推广。VCU作为电动汽车的整车控制器，相当于电动汽车的大脑，跟电池控制器、电机控制器、底盘控制器等通过CAN总线进行通讯，控制车辆安全平稳的运行。

1 ATUOSAR简介

AUTOSAR是AUTOmotive Op en System Architecture（汽车开放系统架构）的首字母缩写，由汽车制造商，供应商以及工具开发商联合开发。截止到2018年，成员中有9大核心成员，200多其他成员。

随着汽车软件开发的复杂度不断增加，软件代码量的急速上升，硬件的多样化，导致对软件可移植性的依赖越来越强。AUTOSAR具有标准化的接口，通过配置可以任意移植应用层到不同的硬件上，不但可以提高代码质量，而且大大缩短了软件的开发时间。

1.1 AUTOSAR架构

AUTOSAR架构将底层软件和应用层软件通过RTE层进行分离，再将底层分为微控制器抽象层、ECU抽象层、服务层和复杂驱动。见图1。微控制器抽象层是底层软件的最底层，主要包括微控制器驱动、MEMORY驱动、通讯驱动、I/O驱动等；ECU抽象层处在底层软件的中间层，将ECU硬件抽象化，主要是作为微控制器层驱动的接口，也包含外部设备驱动；服务层是底层软件的最高层，主要包括操作系统，网络管理、内存管理、诊断服务、ECU状态及模式管理、监控管理等；复杂驱动是在AUTOSAR里面未被定义，具有很高时序限制的驱动。

1.2 AUTOSAR方法论

图1 AUTOSAR分层架构

图2 V型开发流程

AUTOSAR具有一整套的方法进行软件开发，即方法论。整个方法分为三个阶段，即系统配置阶段、ECU配置阶段及生成代码阶段。系统配置阶段包括软件组件描述、ECU资源描述及系统限制描述。软件组件描述主要包括该SWC用到的操作和数据、对架构和硬件的要求、所使用的资源、运行机制等；ECU资源描述主要包括使用了哪些硬件，比如传感器、执行器、存储器、处理器、外部设备、引脚分配等；系统限制描述主要包括网络拓扑、协议、通讯矩阵、波特率等。系统配置阶段主要包括将端口数据映射到通信矩阵，并将SWC映射到ECU；ECU配置阶段主要包括将runnable映射到task中；最后进行软件集成，利用工具将各个软件模块生成的代码进行集中编译，最后生成可执行的代码。

2 VCU软件功能开发

VCU软件功能的开发严格按照V型架构开发，如图2所示。

VCU相当于电动汽车的大脑，收集来自于驾驶员需求的加速踏板信号、刹车信号、档位

信号，还有来自于底盘控制器、车身控制器、人机交互等信号，来自于电机控制器的MCU的信号，来自于电池控制器BMU的信号等其他控制器的信号，见图3。VCU综合这些信号进行判断，最终输出命令到其他控制器，从而达到车辆的安全平稳运行。

VCU的功能主要包括整车高压上、下电管理、扭矩管理、驱动系统热管理、高压能量管理、低压能量管理、充电管理、诊断管理等，下面简要介绍一下各个功能模块。

2.1 整车高压上、下电管理

该模块主要负责整车高压的上电和下电时序。上电时，VCU被唤醒，唤醒后VCU进行自检，自检完成后接着唤醒其他动力系统控制器，如BMU、MCU等；所有控制器唤醒后，VCU发送上高压请求，BMU进入预充，预充完成后闭合主继电器，完成上高压的流程。下高压时，VCU发送下电请求，接下来进入电池、电机的绝缘检测阶段，绝缘检测完毕后，VCU请求BMU打开主继电器，BMU打开主继电器后，进入电机主动放电阶段，放电完成后，完成下电操作。

图3 VCU控制系统

2.2 扭矩管理

该模块采集加速踏板、刹车踏板、档位、巡航等信号，经过处理后反应了驾驶员对车辆的需求，期望加速、减速还是巡航等，然后对需求的扭矩进行滤波，保证驾驶的平稳性。最后对来自于底盘控制器、电机控制器、电池控制器等的扭矩进行仲裁，仲裁后输出需求扭矩到电机控制器。

2.3 动力系统热管理

该模块主要负责动力系统的热管理工作，包括电池和电机的热管理。热管理模式主要包括主动冷却模式、被动冷却模式、大小循环、远程预加热等，VCU根据电池SOC、电机工况、电池温度、电机温度、环境温度等条件判断需要何种热管理模式，保证电池、电机处于高性能区域。同时，当在低温环境下，热管理还针对远程请求对电池进行预加热，以保证客户用车时电池性能不受限制。当车辆的慢充枪插入且低温时，还能对电池进行保温管理，维持电池在合理的温度范围内。

2.4 高压能量管理

该模块主要负责高压能量的分配，通过计算电池可用功率、电机功率需求、高压附件的功率需求，分别计算出在放电工况和制动能量回收工况下的能量，再根据电池的能力进行能力分配。当车辆在充电工况时，根据充电枪能力、电池SOC、电池温度、环境温度等要素综合考虑高压能量的分配，比如电池加热或制冷需要的能量、乘员舱加热或制冷需要的能量等。

2.5 低压能量管理

该模块主要负责整车的低压能量管理，主要包括休眠时唤醒VCU使能DCDC给低压电池充电和整车电压负载的管理。当低压电池SOC或电压低于阈值时，低压电池通过通讯发送信息唤醒VCU，从而使能DCDC给低压电池充电；另外，将低压电压分为三级，在不同的电压等级下，根据负载的优先级，会卸载不同的负载，以保证低压电的稳定。

2.6 充电管理

该模块主要负责交流慢充，当车辆处于休眠时，可通过插枪信号唤醒VCU，VCU根据当前车辆档位、充电口温度、是否有其他故障等综合判断是否具备充电条件，如果不具备，则终止，如果具备，则唤醒OBCM、DCDC、BMU等控制器，并完成上高压准备，然后VCU请求闭合S2和慢充继电器，进行慢充充电。在充电过程中，持续监控电池的状态和其他控制器的状态，当电池充满或客户终止时或有过温、过流、过压、绝缘等故障时，VCU进行下电请求，以保证安全。

2.7 诊断管理

该模块按照UDS的规范要求，对电动汽车动力系统及其相关系统进行诊断，包括零部件的对地短路、对电源短路、开路、性能等故障进行时时在线诊断外，还包括出现故障后的安全处理，一方面保证人员的安全，另一方面保证车辆的安全。另外，诊断管理还对产线EOL进行测试，以保证车辆零部件能够正常工作。

3 VCU软件集成

软件集成工具采用的是ETAS提供的ISOLAR-A和Matlab，主要集成步骤包括以下几步：

1.生成AUTOSAR接口文件，文件格式为.ARXML；

2.将AUTOSAR工程添加到ISOLAR-A工具中；

3.添加软件组件SWC的输入和输出接口；

4.生成软件组件SWC；

5.连接软件组件SWC的接口；

6.代码生成；

7.进行预编译、编译和后编译；

8.生成 Hex 和 A2l。

整个集成主要包括上述的8个步骤，如图4所示。

4 VCU软件测试

软件测试是软件开发环节中必不可少、至关重要的环节，主要包括单元测试、MIL测试及HIL测试。

单元测试是软件开发中最小集合的测试，包括收集软件需求、制定单元测试计划、设计单元测试用例、进行单元测试、输出单元测试报告、评审单元测试结果等活动，见图5。单元测试可在Matlab/Simulink测试环境下进行，输入测试用例，输出测试报告。

MIL（Module In Loop）测试，顾名思义，测试环境也是在Matlab/Simulink下搭建的，将所有VCU模型或部分模型联系在一起进行测试，亦可搭建驾驶员输入模型、电机模型、电池模型等，尽可能模拟真实环境，得出的测试结果也更接近实际情况。MIL测试过程类似单元测试。

HIL（Hardware In Loop）测试是软件开发最后一环测试，我们采用的是ETAS测试台架，将VCU外围硬件，如踏板、刹车、慢充继电器、档位等接入台架，在ECU-TEST上根据测试用例进行自动化测试。

5 总结

AUTOSAR架构具有很多的优点，也是目前主流厂商开发软件采用的方法。VCU软件的开发基于此，具有软件的移植性、替代性、兼容性等优点，本文就是在AUTOSAR架构上进行了VCU多种功能的开发，并对开发的软件进行集成、测试，以达到整车功能的需求。

图4 软件集成流程

图5 测试流程