V型开发模型和AUTOSAR的纯电动车的三电系统开发

摘要

　　随着汽车电子电气的高速发展，汽车电子电气已经成为了汽车产品创新和进步的核心动力，与此同时，车内控制也变得越来越复杂，汽车电子电气系统的设计已经成为一个复杂的系统工程。基于模型的开发方法采用统一的工具进行设计开发，便于变型管理，使主机厂的整车控制系统开发工作变得更加快速和便捷，同时符合AUTOSAR标准的汽车电子电气系统有非常好的可复用性、移植性和稳定性。因此研究基于模型符合AUTOSAR的纯电动汽车控制系统开发具有重要的意义。

　　本文基于V型开发模型和AUTOSAR,对纯电动车的三电系统进行研究与开发，主要工作内容包括以下几个方面：

　　针对纯电动车三电控制系统的功能需求及系统设计进行分析和研究，通过建模开发工具Systemweaver进行了功能、子系统、零部件的需求及接口设计，同时详细分析了基于Systemweaver工具进行VCU软件设计的流程。

　　运用AUTOSAR标准开发方法论并结合VCU软件规范，对VCU电控系统进行开发，满足了软件的复用性，移植性和稳定性。其实现方法是通过Matlab以及Vector的Davinci工具完成符合软件规范的相关软硬件配置，以及需求的逻辑实现。

　　最后，运用硬件在环HIL系统对其进行通信和功能性验证，证明了所开发的VCU正确性和可靠性，形成了一套从架构设计，ECU软硬件实现到硬件在环测试无缝链接的开发方法，并进行了验证，验证了其有效性。

　　关键词：汽车电子电气系统、AUTOSAR、V模型开发、SystemWeaver、电动汽车控制系统

Abstract

　　With the rapid development of automobile electronic and electric, it has become the core power of automobile product innovation and progress. At the same time, interior control has become more complex. The design of automotive electrical and electronic system has become a complex system engineering.The model-based development method adopts unified tools for design, which is convenient for variation management and makes the development of vehicle control system faster. The automotive electronic and electrical systems that conform to the AUTOSAR standard have very good portability, flexibility and reliability.Therefore, it is importantto study the development of pure electric vehicle control system based on model compliance with AUTOSAR.

　　Based on the V-model and AUTOSAR, this paper studies and develops the three-electric control system of pure electric vehicle, the main work contents include the following aspects:

　　the three-electric control system of pure electric vehicle, the requirements and interface design of the function, subsystem and component are carried out through the modeling and development tool Systemweaver, and the process of VCU software design according to Systemweaver tool is analyzed in detail.

　　Using AUTOSAR standard development methodology and combining with VCU software specification, the VCU electronic control system is developed to meet the reusability, portability, flexibility and reliability of the software. The implementation method is through Matlab and Vector Davinci tools to complete the software specifications of the relevant hardware and software configuration, as well as the logical implementation of the requirements.

　　Finally, using hardware to verify its communication and function in the ring HIL system, the correctness and reliability of the VCU are proved, and a set of development methods from architecture design, ECU hardware and software implementation to seamless link testing in the loop test is developed, and verified to verify its effectiveness.

　　Key words: Automotive electronic and electrical system, AUTOSAR, V model development, SystemWeaver, electric vehicle control system

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究背景

　　自从 1886 年第一辆汽车问世以来，直至如今汽车发展的历史已经有 130 年有余，随着持续不断的汽车发展过程，人们的生活方式也不知不觉地随之被改变。汽车的发明给人们的出行带来了极大的便利，也极大的推动了能源、材料、机械制造、石油化工以及金融等一系列产业的发展[1].随着汽车产业的发展，国内外汽车的保有量正在急剧增长。从 20 世纪八十年代中国出现第一辆私人汽车开始，中国的汽车保有量在过去的十多年里出现了爆炸式的增长，仅截至到 2016 年末，我国私人汽车保有量达到了 1.66 亿 辆之多[2],同时这个数字还在不断增长，中国已经成为了汽车生产、制造和消费的第一大国。汽车的出现和发展促进了经济发展，大大改善了人们的生活，与此同时也造成了能源危机和环境污染等问题。

　　进入 21 世纪以来，人们的物质水平和生活品质随着全球经济的快速发展有了极大的改善和提高。汽车已经逐渐成为了人们主要的消费品，由于其产量和销量都迅速增加导致了巨大的石油能源的消耗。同时传统的燃油汽车所产生的二氧化碳、氮氧化合物排放造成的温室效应、酸雨等一系列环境的问题不可忽视。所以越来越多的人开始关注以电来驱动的新能源汽车，希望通过发展新能源汽车来缓解日益严重的环境污染和能源危机问题，从而实现人、环境和汽车产业的可持续发展 [3].

　　纯电动汽车作为新能源汽车家族中的重要一员，在环境可持续发展的战略中，是我国乃至全球新能源汽车发展的主要方向之一。由于纯电动汽车在行驶过程中没有石油能源的消耗且几乎不排放废气污染，因此纯电动汽车的发展潜力在能源危机和环境污染问题日益严重的今天是不可小视的。虽然当前阶段纯电动汽车的发展仍然被电池的能量密度低、电池寿命短且成本较高、充电技术以及电机控制技术还不太成熟等很多技术方面的因素限制，但是随着电池、电机及电控技术的不断发展和进步，纯电动汽车一定能在未来的汽车行业中占领一片天地。

　　汽车在不断进入人们生活的过程中，其自身的性能和功能也在不断地发展和完善。

　　现在汽车不再仅仅是一个简单的交通工具，而是逐渐的成为了与人们生活娱乐息息相关的空间。现在的汽车上集成了越来越多的功能，电子控制系统也变得越来越复杂，所以对于汽车的控制系统和控制单元（ECU）的开发也变得相对更困难。特别是对于整车级别的系统分析和建模，传统的开发方法面临巨大的挑战[4].

　　虽然传统的开发方法相对比较完善，但是面对汽车电器系统的日益复杂以及开发周期的不断缩减，传统的方法面临许多困难[5].主要表现在：系统越来越复杂，各系统之间的交互错综复杂，需求难以直接体现并且管理困难；产品的开发周期延长风险加大；软件代码越来越复杂，靠人工完成容易出错且耗时耗力。为了解决上述问题，整车厂开始使用基于模型的设计方法。用模块化的设计方法实现分工和合作，同时也有利于二次开发。基于模型的设计方法将需求分解并用模型一步步实现，并且使用工具将模型转化成相应平台代码的方法。

　　建立一个开放的、标准化的软件体系架构，对于提高控制器软件的重用性，提高汽车电子电气系统的可靠性和稳定性具有很重要的意义。因此，一些主流的汽车制造商如BWM、DAIMLER-HRYSLE、FORD 等；以及博世等零部件供应商和半导体生产商及软件公司一起提出 AUTOSAR 的标准，成立了 AUTOSAR 组织。

　　汽车开放系统架构（AUTomotive Open System Architecture）是为了规范 ECU 软件开发而建立的一种统一标准，它对软件接口进行了标准化，并且提出了一套完整的开发方法论，运用了模块化和功能化的开发方式来实现控制器软件的可移植性，增强协同开发，提高开发效率和安全性的目的 [6].

　　1.2 研究意义

　　基于模型的系统开发的意义在于真正以客户的需求为出发点进行正向的产品设计，它从客户应用场景的描述为起点，通过市场定位、对标分析、需求开发、架构模型设计输出方案设计等一系列步骤最终完成整个电气系统的开发。基于模型的开发方法采用统一的工具进行设计开发，以此保证模型数据的一致性，便于变型管理，使 OEM 的电气架构开发工作变得更加高效和便利。

　　AUTOSAR 的核心思想是"统一标准、分散实现、集中配置".目前，标准化的软件架构在纯电动汽车系统开发中应用较少，而且对于不同的硬件平台车辆控制系统的软件模块移植比较复杂。所以为了提高开发的效率，稳定的软件构架是必不可少的。基于AUTOSAR 的开发方法有一整套工具链支持，不仅支持生成产品级代码，而且可以通过配置的形式生成底层驱动代码，简化了繁琐的拼接应用代码与底层代码 [7].在电子控制系统的划分和整合中，每个团队往往需要超越子系统的界限进行合作，而 AUTOSAR 工具链和这种开发方法可以让系统的分工更加清晰，同时团队间的交流合作得到加强。

　　基于 V 模型的 HIL 测试 （HARDWARE IN LOOP）是一种仿真手段，在"虚拟车辆"中对控制器进行大量测试。HIL 测试系统作为 ECU 测试的一种理想的自动化测试工具，可以模拟驾驶者、外界环境信息输入并输出执行指令来完成测试工作。HIL 测试使工程师通过自定义来满足特定需求，让解决方案更加开放和灵活。

　　本文研究的主要内容是针对一个纯电动汽车项目的整车控制器 VCU、电机控制器IEM 和高压电池管理系统 BMS 等核心控制功能的分析和研究，VCU 的软硬件开发及其测试验证。采用的研究方法包括：运用基于模型的建模软件 SystemWeaver 进行三电系统功能定义，子系统需求和接口设计，控制器 ECU 的功能分配和设计规范输出；针对VCU 的软件开发上，根据 AUTOSAR 的方法论通过 Matlab/Simulink 设计以及 Vector 工具配置进行开发和研究，使软件具有高度的稳定性、可移植性、可扩展性以及可重用性；最后对开发的 VCU 搭载在硬件模型在环 HIL 台架上进行功能验证，从而形成从设计、开发、验证完整的 V 型流程。

　　1.3 国内外研究与发展现状

　　1.3.1 基于模型的设计方法发展现状

　　目前汽车的开发已经告别了纯粹的、单一的机械产品开发，而机电一体化的开发方式逐渐成为了开发主流。汽车机电一体化的核心就是汽车电子电气系统的开发，用以满足日益增长的用户需求和市场竞争。汽车电子系统的开发以嵌入式开发为主导，本论文就是以嵌入式开发为基础，结合 AUTOSAR 的开发方法和 V 模型开发流程进程阐述。

　　近年来，随着新能源汽车的兴起，对车辆电子控制系统的需求不断增加，以及对功能的需求不断增加，软件算法和功能架构势必变得更加复杂和复杂。 早期通过手工编码的开发方法耗时长、无法快速响应市场需求并且缺乏完整的开发过程和有效的验证方法，这可能会导致电子控制系统出现缺陷。

　　软件开发会用到的开发模型种类较多，比较常见的有迭代模型、瀑布模型、V 模型等。整车控制系统的开发过程具有较强的层次性，其软硬件开发具有从宏观到微观层面，软硬件测试从微观到宏观层面验证，软硬件开发和测试既有交叉又有相互支持等特点。

　　在车辆控制系统开发的过程中，V 模型逐渐成为一种被广泛认可的开发模型。

　　1.3.2 AUTOSAR 发展现状

　　随着技术的发展，汽车电子系统变得越来越复杂。因此，系统的开发往往涉及多部门之间的合作，并且时间和空间的跨度也相应变大。传统的汽车电子软件开发与硬件高度耦合，这种嵌入式系统"物尽其用"的基本原则所要求的，但是由此也带来一系列的问题。主要表现在处理器种类繁多，不同的应用领域有不同种类的处理器和对应开发工具；硬件和软件耦合程度过高。

　　针对上述情况，1933 年汽车行业主要整车厂启用了 OSEK（汽车电子开放系统和对应接口标准）操作系统，并在之后很长一段时间内成为行业标准。但是仍然存在以下不足：

　　（1）在 ECU 开发过程中，由于不同的芯片厂商及各种不同的编译器导致硬件平台数以万计，因此 ECU 软件开发严重依赖硬件和系统配置，导致每次相关约束条件的更改都将重新编写程序或者修改软件。

　　（2）随着 ECU 内部代码数量的日益增加，传统手写代码方式所产生的代码质量问题也随之变得更加尖锐。给代码的测试及验证带来了巨大的负担。

　　（3）行业普遍存在的问题是车型的生命周期待遇 ECU 的生命周期，ECU 的生命周期受限于硬件平台的生命周期。因此在整车型的生命周期中会出现 ECU 的更新换代（更换新的硬件平台），从而导致 ECU 代买重新开发或修改。

　　为了解决上述行业性的普遍问题，提高软件的可重用性和开发效率，2003 年德国主要的整车厂和供应商如戴姆勒、宝马、大众、博世、大陆等正式成立了汽车开放系统架构（AUTomotive Open Systems Architecture,AUTOSAR）联盟，致力于汽车电子软件标准化工作。

　　AUTOSAR 组织 2003 年一经成立便得到汽车制造商、基础软件供应商、二级芯片供应商的大力支持和推进，其成员规模也在不断的扩大。截止到 2017 年，该组织核心成员有 9 个，高级会员 50 个，准会员 86 个，发展中会员 21 个。国内吉利汽车、一汽、上汽、普华软件等都属于准会员[8].

　　汽车开放式软件标准AUTOSAR是根据汽车一百多年来发展的经验总结得来的，除此之外，AUTOSAR这种开放的标准化的电子软件架构能够适应于现在快速发展的汽车需求，软件系统的迭代更新，它旨在对越来越复杂的汽车软件系统进行高效稳定的管理，同时也有效地减少了软件在开发过程中的重复的测试验证工作，提高了工作效率，保证了开发质量，降低了开发成本。

　　AUTOSAR当前仍然处于发展阶段，其自身也存在一定程度上的不足，但是AUTOSAR自成立以来就收到了来自世界各大汽车主机厂、零部件供应商、以及半导体生产厂商的大力支持，从而使得AUTOSAR组织联盟的规模不断壮大。AUTOSAR联盟由核心成员、高级成员、合作成员这三类正式成员组成；目前AUTOSAR已经拥有超过191家的会员，其中核心成员有9家，高级成员和合作成员的数目较多且仍在不断的增加。

　　宝马、大众、戴姆勒、通用、丰田、本田、标志雪铁龙雪铁龙等世界著名的主机厂，以及dSPACE、Vector、Mathworks等主要的工具或电子系统供应商，都是AUTOSAR联盟的主要成员。AUTOSAR已经逐渐取代OSEK的开发方法，越来越受到汽车开发产业生态系统的欢迎，引导了全球汽车开发的主流方向。

　　国外对于汽车电子软件架构标准的研究起步较早，博世、丰田、宝马汽车、Vector等公司均支持 AUTOSAR、JASPAR 等协议。AUTOSAR 起源于欧洲，欧美各大主流主机厂在 AUTOSAR 建立之初就对 AUTOSAR 进行大量的研究。2008 年， 宝马汽车最先开始将 AUTOSAR 软件应用在其 7 系轿车上[9].为了方便控制器软件设计，Vector公司设计了 MICROSAR 车用软件模块以及 DaVinci 开发工具 [10],同时零部件巨头博 世也开发出 CUBAS 为车用软件提供 AUTOSAR 的解决方案[11].

　　国内的汽车主机厂、软件供应商和高校也越来越重视汽车电子软件构架的开发，并主动参与到与国际通用的软件架构兼容的行动中去。2004 年浙江大学 ESE 实验中心开始关注 AUTOSAR,并率先加入了 AUTOSAR 组织，研发出来 SmartSarR 软件模块和开发工具。一汽、长安、吉利等汽车制造商的技术研究机构从 2009 年就是开始研究并使 用 AUTOSAR 标准，对 ECU 进行设计、开发、验证。普华软件公司联合上汽、一汽、奇瑞等主要主机厂及部分院校成立了 CASA 联盟，普华软件公司具备一系列基于AUTOSAR 的工具链，如 OrientaisStudio,BSW 配置工具[12].

　　1.4 论文研究内容

　　本文研究的主要内容将从以下几个方面来开展：

　　（1）将介绍汽车与汽车电子系统发展的历史和现状，基于目前新能源与纯电动车是未来发展的趋势，引出了基于模型的系统开发方法和 AUTOSAR 的标准。并详细介绍了基于模型的设计方法，AUTOSAR 技术和开发工具链。

　　（2）运用基于模型的电动汽车控制功能和系统设计方法，即以 V 模型开发流程为基础，结合工具 System weaver,对从功能需求与描述到功能实现和分配、子系统的设计与分配及控制器的设计详细的设计流程进行研究，解决了整车控制器 VCU 的驱动控制从功能到零部件的传递问题。 （3）运用符合 AUTOSAR 标准的开发方法论，以纯电动汽车的整车控制系统的软件架构为输入，使用 AUTOSAR 工具链对系统配置、ECU 配置与底层代码生成的流程进行研究，开发兼容 AUTOSAR 标准的 VCU 控制器软件系统。

　　（4）采用基于 dSPACE 的硬件再环系统，通过台架搭建、系统集成、测试验证及数据分析，测试在模拟环境中VCU的通信功能，验证了VCU控制器控制功能的正确性。

　　第二章 基于模型和 AUTOSAR 的方法研究
　　2.1 基于模型的设计方法
　　2.2 AUTOSAR 技术基础
　　2.2.1 AUTOSAR 的基本概念与分层结构
　　2.2.2 AUTOSAR 的方法论
　　2.3 软件介绍
　　2.3.1 功能和系统模型设计工具
　　2.3.2 AUTOSAR 设计工具
　　2.4 本章小结

　　第三章 基于模型的电动汽车控制功能和系统设计
　　3.1 高压三电系统
　　3.1.1 整车系统原理图及功能简述
　　3.1.2 整车控制器控制功能
　　3.1.3 驱动电机系统功能
　　3.1.4 高压电池系统功能
　　3.1.5 其他附属控制系统功能
　　3.2 功能需求分析与描述
　　3.2.1 FDR 概念分析
　　3.2.2 FDR 功能描述
　　3.2.3 FDR 在 Systemweaver 工具中的设计方式

　　3.3 功能需求实现与分配
　　3.3.1 功能需求实现概念分析
　　3.3.2 基于 Systemweaver 的功能需求实现
　　3.4 逻辑子系统设计与分配
　　3.4.1 子系统的定义
　　3.4.2 子系统的划分原则
　　3.4.3 驱动控制子系统设计
　　3.5 控制器设计规范生成
　　3.6 本章小结

　　第四章 基于 AUTOSAR 的整车控制器的软硬件开发
　　4.1 整车控制器硬件介绍
　　4.1.1 硬件介绍及基本设计原则
　　4.1.2 硬件需求及硬件框图
　　4.2 软件架构设计
　　4.2.1 分层架构设计
　　4.2.2 VCU 的软件架构
　　4.2.3 使用 Davinci developer 配置 SWC
　　4.3 应用层软件设计
　　4.3.1 应用层扭矩控制系统的系统方案
　　4.3.2 Matlab 的建模过程
　　4.4 底层软件开发配置
　　4.5 本章小结

　　第五章 整车控制器软硬件测试及验证
　　5.1 整车控制器基础软件层测试
　　5.1.1 基础软件层测试环境
　　5.1.2 整车控制器物理层测试
　　5.1.3 整车控制器数据链路层测试
　　5.1.4 整车控制器交互层测试
　　5.2 硬件在环测试需求分析
　　5.3 硬件在环仿真台架的搭建
　　5.4 系统集成
　　5.4.1 模型搭建
　　5.4.2 基于整车控制器驱动管理的控制策略
　　5.5 仿真测试
　　5.5.1 设备搭建
　　5.5.2 测试结果
　　5.6 本章小结

结论与展望

　　结论：

　　本文基于 V 型开发模型和 AUTOSAR,对纯电动车的三电系统进行研究与开发。从功能需求分析、系统设计、ECU 软硬件设计以及测试验证，形成了一套完整的 V 字型开发流程，提升控制系统的稳定性以及电子电器架构的扩展性和灵活性，从而实现提高整车控制系统的开发效率，同时缩短软件开发周期，使软件迭代使用更加便捷。

　　本文中进行的主要工作有：

　　（1）针对纯电动车三电控制系统的功能需求及系统设计进行分析和研究，运用基于模型的电动汽车控制功能和系统设计方法，即以 V 模型开发流程为基础，结合工具System weaver,对从功能需求与描述到功能实现和分配、子系统的设计与分配及控制器的设计详细的设计流程进行研究，解决了整车控制器 VCU 的驱动控制从功能到零部件的传递问题。 （2）运用符合 AUTOSAR 标准的开发方法论，以纯电动汽车的整车控制系统的软件架构为输入，使用 AUTOSAR 工具链对系统配置、ECU 配置与底层代码生成的流程进行研究，开发兼容 AUTOSAR 标准的 VCU 控制器软件系统。

　　（3）采用基于 dSPACE 的硬件再环系统，通过台架搭建、系统集成、测试验证及数据分析，证实了物理层 8v~18v 的正常工作电压范围，数据链路层正常发送报文未产生错误帧，交互层报文发送误差在 3%范围内，验证了 VCU 控制器控制功能的正确性。

　　（4）综合以上 3 个部分的研究，形成了一套从架构设计、ECU 软硬件实现到硬件在环测试无缝链接的开发方法，可应用到实际的开发车型中。

　　展望：

　　纯电动汽车三电系统的设计与开发是一个复杂的系统工程，包括 AUTOSAR 的应用和研究，三电功能模块的开发与策略优化，整车控制器和整车功能验证的完整性，这些方面还将需要继续完善，主要的工作展望如下：

　　（1）本文仅涉及到 AUTOSAR 少部分简单的 BSW 模块，如 OS、COM、IO 和 MCAL等。在以后的研究项目中，希望能对其他的 BSW 模块进行深入的研究。与此同时还应了解 AUTOSAR 软件设计规范，了解各个模块的配置参数含义，结合软硬件需求实现基础软件的配置。

　　（2）对于整车控制系统的研究，仍然很多的工作可以开展，现有系统的模型还需要更加完善，这需要在之后花时间深入研究分析。

　　（3）现阶段的整车开发是基于 Classic AUTOSAR,随着 AUTOSAR 的发展，以及越来越广泛的整车需求，Adaptive AUTOSAR 也孕育而生。对于后续的工作，也需要考虑如何将Adaptive AUTOSAR运用在整车当中，了解Adaptive AUTOSAR软件设计规范，以及 Linux 操作系统和以太网相关知识。

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致谢

　　毕业论文的收尾意味着我在长安大学研究生学习生涯的结束，回首既往，自己能于这样的校园之中，能在众多才华横溢的老师们的熏陶下度过三年，实是荣幸之极。在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益匪浅。此时此刻，我想对我的母校以及孜孜教诲我们三年的老师们表现最诚挚的感谢。同时非常感谢吉利汽车公司为我提供的工作平台，在工作的过程中不仅提升我的专业技能，同时也开拓了我的视野，学到了许多在校园中学不到的东西。

　　对于我个人来说，在这么短的时间内完成一个课题是富有挑战性的，但是众人的努力使得这件事情没有刚开始想象的那么复杂。在此，我特别要特别感谢我的导师张新荣老师和企业导师王炳浩专家，公司的同事张世奇、李沐颖、王航凯、姜仁俊，他们从论文的选题、文献的采集、框架的搭建、结构的布局到最终的论文定稿都给了我很大的帮助。没有张新荣老师的辛勤栽培和公司同事们的鼎力帮助就没有我这个课题的顺利完成。

　　在此我还要感谢我的家人对我的工作和学习的理解和支持，还有同学和朋友，与他们的交流同样使我受益匪浅，在交流中发现了自己的不足，取长补短，为以后的工作打下了扎实的基础。

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