簡談整車控制器 VCU

文/李文龍，新能源產品總監/西安研發中心經理，普華軟件汽車電子事業部

李文龍在汽車電子控制軟硬件的設計和開發方面擁有十多年的經驗。先后在國內外知名汽車零部件公司擔任工程師、設計主管、測試經理、開發總監。主要從事汽車電子控制ECU（EMS、BCM、HCU、VCU、電機控制MCU、TCU、DCU、ADAS等）系統的建設、設計開發、生產和測試。

概述：車輛控制單元（VCU）作為新能源汽車的中央控制單元，是整個控制系統的核心。VCU收集電機和蓄電池狀態、加速踏板信號、制動踏板信號和其他執行器傳感器控制器信號。基于駕駛員的駕駛意圖，綜合分析并做出相應判斷，并監控下層各組件控制器的動作。負責車輛的正常行駛、制動能量反饋、整個發動機和動力電池的能量管理、網絡管理、故障診斷和處理以及車輛狀態監測，確保整車在良好的動力、高經濟性和可靠性條件下正常穩定運行。可以說，車輛控制器的性能直接決定了新能源汽車的性能，發揮著舉足輕重的作用。車輛控制器的發展過程可以描述為起源于傳統汽車，并登陸新能源汽車。傳統汽車包括發動機控制器、變速器控制器、車身控制模塊、底盤控制器等。每個控制器由不同的Tier1提供，并進行定制以解決其部件的功能和性能指標。例如，EMS涉及發動機燃油經濟性、排放法規和熱處理。齒輪箱用于協調和切換操作桿和齒輪的動作。每個人獨立控制車輛的某個部分，不能考慮車輛的整體性能和功能要求。因此，一些原始設備制造商開發了車輛控制器的初始概念，以實現車輛定制功能、個性化設計，并克服國外Tier1的高開發成本和周期。由于國內電子控制技術起步較晚，原始設備制造商對國外Tier1缺乏控制。直到新能源汽車的快速發展，混合動力迫切需要解決燃料和電池動力系統之間的有效協調，純電動汽車需要解決車輛動力管理問題。因此，明確了車輛控制器的概念和功能定義，為VCU的快速發展奠定了基礎。

混合E/E體系結構

對傳統汽車E/E架構的行業分析表明，在新能源發展初期，第一代VCU產品誕生于2012-2015年左右。該技術來源于傳統的汽車電子控制ECU，以發動機控制器和車身控制模塊為主要技術來源。該行業的典型產品包括德爾福的HCU-2、聯電的VCU、大陸H300和普華永道的第一代VCU-1。VCU-1是普華永道軟件公司與國內知名原始設備制造商的合作開發，使用主從式MCU硬件解決方案和AUTOSAR 3.1.5軟件平臺。它是中國最早的獨立AUTOSAR軟硬件集成VCU解決方案。從這些制造商身上不難看出，他們的前身都是主要從事發動機和車身控制模塊的零部件供應商。只有普華永道軟件是國內唯一的汽車電子控制基礎軟件和集成軟硬件解決方案提供商，開創了中國分工合作的先例。隨著行業的應用和發展，車輛控制器的功能定義和安全要求逐漸明確，行業內出現了滿足功能安全要求的MCU和外圍芯片等新能源汽車系統解決方案。第二代產品的初始階段是從2016年到2019年。目前，主要的行業解決方案產品包括聯電的VCU8、德爾福的HCU-5、的H500和ORIE……

第二代產品PwC_HCU-6的AIS受到補貼滑坡和車輛安全事件的影響，導致兩類產品符合功能安全要求，另一類產品不符合功能安全需求。然而，從長遠來看，VCU和AUTOSAR軟硬件平臺的功能安全是必不可少的。HCU-6硬件滿足ASIL-C要求，軟件滿足AUTOSAR4.2要求。X和功能齊全的AISL-D，實現了中國知名OEM車型的小批量裝載。如果汽車的未來趨勢是電動化和智能化，那么汽車控制器的未來發展將是高度集成和安全的。無論汽車發展到哪個階段，安全性、舒適性和經濟性始終是衡量汽車發展的硬指標。開放合作和分工合作是未來OEM、Tier1和Tier2的主流合作模式。行業安全標準ISO26262《道路車輛的功能安全》不斷完善，功能安全設計問題在汽車領域受到高度重視。本標準評估了產品的整個生命周期，從需求到概念設計、軟件設計、硬件設計，包括最終生產、報廢等，并在整個生命周期中制定了嚴格的要求，以確保安全相關電子產品的功能故障不會造成危險。無論是FMEA（故障模式和影響分析）還是FMEDA（故障模式影響和診斷分析），從安全分析的落地到軟硬件安全策略的制定，都需要不斷提出對策，然后投入大量的驗證策略，最終實現安全機制的覆蓋。硬件主要解決單點故障、隱藏故障和診斷覆蓋率問題。基于對國內外眾多產品的分析和行業多年產品的設計，未來的車輛控制器將滿足行業需求，總體上滿足以下技術指標和服務能力。滿足車輛12V/24V系統電源輸入要求；基于符合ASILC或以上標準的車輛規范級32位MCU（三核）；軟件和硬件功能安全ASILC或以上；滿足車載ETH、FlexRay、CAN/CANFD、LIN等車載網絡的發展需求；符合AUTOSAR 4.2。X基礎軟件平臺；系統平臺符合國家6項法規的要求；快速響應軟件和硬件現場服務以及海上支持；基于未來的專業行業分析和平臺產品；滿足EV MPV HEV和傳統汽車的平臺應用；一種基于開放平臺的軟硬件合作模式。作為OEM定制車型、車輛性能和安全的載體，合作模式的車輛控制器需要OEM、Tier1和Tier2三方之間的深入合作，各自分工完成最專業的零部件。例如，作為代工的核心，應用軟件應該由自己構建或尋求專業的第三方公司。基礎軟件應尋求專業的國內外軟件Tier2，硬件應使用行業開發平臺或專業Tier1。最終，通過軟硬件分離、快速導入、降低開發時間風險和節省開發成本來解決成熟產品。

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