電動汽車動力域控制器設計研究

【摘要】本文先分析電動汽車域控制器的發展背景及演變歷程，然后基于一款純電動汽車，對整車電子電氣架構及動力域控制器進行設計，并設定其動力域控制器的性能目標，還為其設計一種硬件分時復用和軟件模塊化的動力域控制器方案，對原子服務功能、大數據驅動下的服務功能、信息安全功能進行定義。最后，通過臺架性能試驗、整車性能試驗及整車可靠性試驗結果，驗證其動力域控制器的關鍵性能指標，希望為行業電動汽車域控制器設計提供參考。

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）數量激增。據了解，從1993年到2010年，奧迪A8車型上使用的ECU數量從5個驟增至100余個，奧迪A8L裝配的ECU數量在2013年也已超過100個[1]。而隨著電動化快速普及和智能化迅速升級，通過增加ECU數量已非良策。由于不同ECU來自不同供應商，無論是整車功能的開發還是后期的維護升級，車企均需要和這些供應商分別溝通協作，過程繁瑣，整車開發周期也因此拉長，人力物力成本隨之增長[2]。此種背景下，傳統分布式整車電子電氣架構出現集中化演變趨勢，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）應運而生[3]。

借由域控制器，可實現全車100余ECU到少數幾個DCU的變化，控制功能迅速集中，有利于降成本[4]；域控制器具備算力可擴展、更靈活的整車遠程升級（Over-the-air Technology，OTA），使得汽車企業可以為用戶實現不斷迭代升級的功能體驗[4]；更為關鍵的是，域控制器打破了傳統感知+算法+ECU的捆綁式開發模式，多種傳感器的感知數據處理可以實現與控制器計算平臺的數據融合，車輛能夠及時作出更安全的決策[5]。前述的成本、安全或維護升級問題迎刃而解。因此，研究域控制器已成為各大主機企業和電控零部件企業的熱門課題。

2 整車電子電氣架構設計

2.1 域控制器的分類

目前行業對電動車的域控制器暫無統一的分類標準，但從目前來看，域控制器主要有兩種分類方式。一種是按區域劃分，具體可分為前區域控制器、左區域控制器、右區域控制器等，由于集中度較高、技術難度較大等原因，目前僅有特斯拉等少數企業采用這樣的分類方式；此種分類方式對應的整車電子電氣架構中，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企業接受。目前多數車企或是零部件企業都采用這一方式。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控制功能，主要負責動力總成的優化與控制。隨著新能源汽車電驅和電控系統集成化發展，動力域控制器也越來越多地應用。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

本文研究的電動汽車電子電氣架構已由傳統的分布式演變為當前的“三域”架構，如圖3所示。

圖3 “三域”整車電子電氣架構示意圖

智能駕駛域控制器，基于環境感知、精準定位、控制與執行等項關鍵技術，實現車道保持、自適應巡航、自動泊車等項功能。座艙域控制器，應用異構操作系統，實現娛樂系統、駕駛員監控、車聯網、OTA和音頻處理功能集成。動力域控制器，是整車智能大腦，實現動力學控制、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 動力域控制器設計

3.1 性能目標

目前主要以博世、德爾福、大陸為代表的國外技術公司長期壟斷動力系統的控制器產品，開發具有自主知識產權、功能性能與國際一流產品相當的動力域控制器，化解電動汽車域控制技術“卡脖子”迫在眉睫。本文研究的電動車動力域控制器，主要性能目標見表1。

表1 動力域控制器的主要性能目標

3.2 分時復用的硬件

應用分時復用技術，設計動力域控制器的硬件，實現集成整車控制器、空調控制器、中央網關、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 分時復用的動力域控制器硬件示意圖

3.3 模塊化的應用層軟件

應用Autosar軟件架構，開發虛擬總線軟件模塊，軟件和硬件解耦、應用層軟件解耦，實現軟件模塊可重用、易移植。應用層軟件有模式管理、整車動力學控制、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 原子服務功能

在應用層軟件的模塊化、標準化基礎上，進一步識別出不可再分的最小控制單元，建立標準的軟件庫函數和API接口，開發可供不同軟件應用調用的原子服務功能。動力域控制器的應用層軟件根據功能的時序及其功能特性，調用相關的原子服務，開展基于邏輯的組合和排序，實現面向服務的敏捷開發。

本文研究的動力域控制器，開發了8項原子服務功能，包括上下電控制、擋位控制、制動燈控制、轉向燈控制、電子駐車控制、轉向控制、制動壓力控制、電機驅動控制。8個原子服務可以任意分組或任意數量的組合，形成新的整車控制應用軟件，如圖7所示。

圖7 原子服務功能示意圖

3.4.2 大數據驅動下的服務功能

大數據驅動下的服務建立在由車端的動力域控制器、車載遠程監控終端TBOX和車外的遠程監控云平臺三層架構之上。電動汽車均連接在遠程監控云平臺上，在使用過程中，云平臺實時采集整車數據，應用邊緣計算技術開展用戶駕駛行為分析，并將結果反饋給動力域控制器。基于云端到車端的數字化協調控制，實現千人千面的服務，如圖8所示。

圖8 大數據驅動的服務功能示意圖

3.4.3 信息安全功能

因電動汽車均與遠程監控云平臺連接，本文設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協議安全，針對關鍵信號，應用身份認證和信號有效性識別技術，杜絕外接設備發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，應用加密算法完成信號正確性檢查；③網絡安全，應用安全網關過濾非法ID，降低網絡泛洪攻擊造成的網絡癱瘓風險。

2）云 端，3個 方 面。①訪 問 安 全，應 用GRE隧 道 和VPN專線技術，保證云端數據與公網物理隔離，降低網絡數據攔截風險；②通信安全，私有化安全交互協議，應用時間戳、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據應用非對稱秘鑰體系加密，保證業務安全。

4 設計方案驗證

4.1 硬件臺架試驗驗證

根據法規及多年實踐積累的試驗項目，設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，為達成整車經濟性、動力性目標，重點針對全加速踏板起步工況、模式轉換工況、駐坡工況開展駕駛性攻關，達到主觀駕駛平順無抖動。整車功能性能試驗結果見表4。

表4 整車性能試驗結論

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出安全、可靠的特性。整車可靠性試驗結論見表5。

表5 整車可靠性試驗結論

5 總結

本文基于一款純電動汽車設計了整車電子電氣架構及動力域控制器，設定了動力域控制器的性能目標，設計了一種硬件分時復用和軟件模塊化的動力域控制器方案，定義了原子服務功能、大數據驅動下的服務功能、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果，驗證了動力域控制器的關鍵性能指標，供純電動汽車域控制器設計開發參考。

參考文獻：

[1]吳成東.傳統汽車應用域控制器與主干網技術路線探索[J].汽車電器，2021（3）：43-45.

[2]郭炎菊，查云飛，陳文強，等.智能汽車電子電氣架構綜述[J].汽車文摘，2021（8）：19-24.

[3]高麗，楊依楠.純電動汽車整車控制器技術及發展[J].汽車實用技術，2021（6）：20-22.

[4]黎偉，喻曉勇，匡小軍.淺析汽車電子架構發展與典型域控制器[J].時代汽車，2021（16）：163-164.

[5]劉佳熙，丁鋒.面向未來汽車電子電氣架構的域控制器平臺[J].中國集成電路，2019（9）：82-87.

END