一种新能源纯电动汽车整车充电应用研究

董宇 崔佳乐 郑鹏 * 郜昊强 赵海洋

(1.安徽智途科技有限公司 合肥安徽 230601; 2.安徽理工大学 安徽淮南232001; 3.安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽合肥 230000)

新能源汽车整车控制器能够实现整车上下电、模式切换、整车充电、人机交互、电驱动控制、整车安全管理等功能；目前，国内大部分主机厂OEM 的整车控制器开发的模式为应用逻辑基于C 代码或MBD 模型开发，底层软件包括操作系统、CAN通信服务、诊断服务、网络管理、故障处理、存储服务以及相关外设驱动等由供应商Tier1开发，整体集成编译由Tier提供的编译脚本进行生成S19 文件，但是针对不同的电池厂家往往需要整车控制器VCU来适配不同的电池管理系统BMS，从而来实现电池的充电功能，因此研究通过从软件架构层面使VCU软件分块化，针对底层对应用层的接口保持统一，仅仅对应用层逻辑代码或模型的变动来实现对不同电池厂家电池的充电交互，并实现新能源汽车的快充和慢充功能。

1 系统概述

1.1 软件模块概述

新能源汽车整车控制器作为纯电动汽车控制中枢系统统一调度和协调各个控制单元[1]，实现整车上下电、整车热管理、整车行驶控制、整车充电以及车辆部件管理等，将控制器软件分层、模块化进行隔离；目前，整车控制器开发以AUTOSAR+ISO26262 组合的方式为主要技术路线[2]，整车控制器VCU 软件架构采用Autosar 架构思路，具体如图1 所示。软件功能部署由下至上分为6 层：Bootloader 层、驱动层、服务层、接口层、复杂驱动层、应用层。整车充电模块是VCU 应用层的一个独立模块，本模块与模式管理、通信模块、高压上下电模块、接口层模块进行交互[3]。

1.2 充电概述

VCU 充电模块隶属于电池管理系统的子模块，分为快充管理和慢充管理两大模块；新能源整车控制器的软件开发按照V 流程方法开发[4]，各模块功能描述如下。

1.2.1 快充充电

车辆处于快充充电模式时，VCU仅对BMS进行充电允许控制，其余的充电过程由BMS与充电桩进行通信控制。

1.2.2 慢充充电

车辆处于慢充充电模式时，VCU控制OBC的充电状态，同时VCU 与BMS 进行充电允许控制和充电状态、充电电流等信息交互完成充电功能。

2 控制逻辑设计

2.1 系统框图

车辆充电功能的实现是通过VCU 新能源整车控制器与OBC慢充机[5]、MCU电机控制器、BMS电池管理系统、CHR 充电桩之间进行CAN 总线通信，并监测车辆的SOC 状态、电池温度、电池电压等，具体的系统框图如图2所示。充电逻辑设计主要是与VCU端相关的充电控制流程。

图2 整车充电系统框图

2.2 软件设计

充电模块对外接口同软件中的服务层、接口层以及应用层内部模块进行通信，充电管理模块通过接口与模式管理MC、通信模块Vcs、接口模块Interface、高压上下电HV模块进行交互，从而实现整车充电功能；对内包括电池充电管理负责快慢充的统一接口函数封装（慢充快充主任务调度、充电允许标志、获取CAN信号、发送CAN信号等），电池慢充模块负责电池的慢充实现逻辑（充电电流、充电电压、充电唤醒判断、充电连接判断、电池状态等）并与慢充机OBC、电池管理系统BMS进行CAN通信交互，电池快充模块负责电池的快充实现逻辑（电机状态、动力电池状态、快充唤醒、快充连接有效等）并与电池管理系统BMS 进行CAN 通信交互。

根据整车控制器软件架构设计，整车电池管理模块处在软件应用层，由App Task 进行调度，与接口层、通信层、模式管理、高低压上下电模块通过接口通信，具体代码架构包含文件batmanage、Modecontrol、accharge、dccharge等模块。

3 充电台架测试

3.1 测试台架搭建

测试台架包括测试负载箱、整车控制器VCU、接插件线束一套、CAN 设备、稳压电源、PC 上位机，具体台架如图3所示。

图3 负载项测试台架

3.2 充电允许测试

充电允许标志位为快充、慢充的判断前置条件，通过判断快充、慢充唤醒、BMS 发送的充电控制状态、电机转速及电机转速有效位，综合以上条件由充电模块来判断是否允许充电，同时VCU发送CAN总线信号给BMS是否允许充电指令[6]。

快充的前置条件为允许充电、高压上电状态(正常高压上电、快充高压上电)、快充CC 连接、电池热失稳状态、禁止快充标志位，通过以上条件按照快充流程逻辑进行判断控制VCU发送给BMS的允许充电标志，由BMS 控制电池进行充电，具体快充的测试用见表1，BMS软件会根据VCU发送的允许充电指令CAN信号、电池的单体电压、单体温度、故障状态、电池电压电流、绝缘状态以及工作模式综合判断是否执行充电动作[7]。

表1 快充测试用例

慢充充电由整车控制器、电池管理系统、慢充机以及慢充桩之间的通信交互，慢充机控制器采用集成化控制，模块内部集成了DCDC控制器[8]。快充充电的前置条件为允许充电、高压上电状态（正常高压上电、快充高压上电）、慢充CC 连接、电池热失稳状态、慢充模式请求、CC电阻值、禁止快充标志位，通过以上条件按照快充流程逻辑进行判断控制VCU 发送给BMS 的允许充电标志，由BMS 控制电池进行充电，同时VCU 接收BMS发送的充电电压请求、充电电流请求并通过校验后VCU进行数据转发给OBC进行充电控制，并VCU发送OBC充电允许指令。

3.3 测试步骤与结果

根据负载箱台架及测试用例，进行台架软件测试及功能调试，CAN数据通过CAN通信设备上位机进行模拟CAN 数据发送，模拟量输入、数字量输入通过负载箱进行充电允许标志位测试，根据表的充电允许测试用例输入验证允许充电状态是否与预期相符，用例1测试的具体结果如图4所示。

图4 充电允许标志用例1测试结果

4 结语

根据新能源整车电池特性，制定了新能源整车慢充、快充的控制策略，并完成新能源汽车的充电软件开发、功能测试用例编制、台架测试以及实车验证。

验证了基于分层式架构软件实现真正的软件模块解耦，整车充电模块与底层CAN 通信、接口层以及应用层内部模块交互隔离，实现新能源整车慢充、快充充电功能；且对于不同的电池管理控制器、电机控制器、DCDC控制器厂家可保持平台化的接口与代码实现不同车型的排列组合，极大地降低开发周期，可快速适应功能需求变化、车型适配、车型迭代。