作者：同濟大學DIAN Racing電動方程式車隊 郭俊超
背景
大學生方程式（Formula Student/SAE，以下簡稱“FSAE”）是一項享譽國際的大學生工程競賽。在每年全球各地的FSAE賽事中，來自各高校的學生團隊都需要自行設計並製造一輛符合FSAE賽事規則要求的原型方程式賽車，參加到賽事的動態賽項與設計評審等靜態賽項中，在賽車設計、團隊運營等方面展開全方位的比拼。
如今，FSAE早已不僅是全球性的工程教育競賽，更已發展成前沿汽車技術應用的“試驗田”。分散式驅動系統，線控底盤、主動懸架等尖端技術被參賽學生團隊應用於賽事中，以在日漸激烈的競爭中拔得頭籌。
（同濟電車隊DRe23賽車）
同濟大學DIAN Racing電動方程式車隊（以下簡稱“同濟電車隊”）作為國內歷史最悠久的FSAE電動車隊之一，始終走在技術創新的前沿。自2021年獲得英飛凌大力支持以來，車隊的技術發展得到了極大提升。今年，在英飛凌的鼎力支持下，同濟電車隊基於英飛凌AURIX™ TC499PP單片機設計了全新一代賽車VCU整車控制器，計劃將其裝備於DRe25及之後的賽車，以迎接更激烈的賽事挑戰。
基於AURIX™ TC499PP強大的算力與豐富的I/O資源，同濟電車隊得以面向集中式E/E架構，構建了集底盤域、動力域、車身域功能於一身的“超級VCU”，為車隊下一個五年的技術發展帶來無限可能。同時，這也是AURIX™ TC4x首次應用在FSAE賽車中，也為AURIX™ TC4x在智能底盤控制、分散式驅動控制等領域的應用提供了寶貴的實踐案例。
（同濟電車隊基於AURIX™ TC499PP開發的VCU初代原型實物）
VCU****硬體設計簡介
AURIX™ TC4x為英飛凌AURIX™家族最新一代單片機，適用於基於域控制器與區域控制器的E/E架構等應用場景，完美契合了功能集成的強烈需求。其中AURIX™ TC49x集成了多達五個TriCore™ 1.8內核，以及可支援嵌入式AI應用的並行處理單元（PPU）。它擁有更豐富的ADC與GTM定時器資源，支援高解析度PWM、DS-ADC等功能，特別適用於VCU所面臨的感測器訊號採集與底盤控制場景，因此成為了同濟電車隊新一代賽車VCU的核心選擇。
基於AURIX™ TC499PP，同濟電車隊設計的VCU硬體擁有極高的集成度與連接能力。它集成了大量的智能高邊/低邊驅動、CAN收發器、類比訊號採集等硬體資源，實現了從量變到質變的飛躍。如下為其主要硬體功能特性：
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20路0~5V類比訊號輸入
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8路數位訊號輸入
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16路最大持續輸出4A的高邊驅動輸出
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8路最大持續輸出1A的高邊驅動輸出（其中四路支援驅動感性負載）
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4路最大持續輸出20A的高邊驅動輸出
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8路低邊驅動輸出
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4路5V供電輸出（150mA/路，精度可達±5mV，用於為外部感測器提供電壓參考）
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10路CAN介面（均可支援CAN-FD，其中2路支援CAN-XL）
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1路1000BASE-T1車載乙太網路介面
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8GB EMMC儲存空間
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1Gbit NOR-FLASH
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內置IMU
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內置LTE CAT1行動通訊模組
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內置GNSS定位模組
基於AURIX™ TC499PP的強大資源，該VCU將傳統的多個控制器功能合而為一，實現了硬體上的“從量變到質變” 為實現集中式E/E架構奠定了堅實的硬體基礎。下圖展示了同濟電車隊基於AURIX™ TC499PP設計的賽車VCU的硬體系統框圖。
VCU****功能亮點
依託AURIX™ TC49x強大的連接性、性能與對虛擬機的支援，同濟電車隊所設計的新一代VCU得以集成更多的控制功能，真正成為整車控制的中樞。它具有區域控制器與跨域融合控制器的特徵，可承擔FSAE賽車中動力域、底盤域和車身域的絕大部分功能。下文介紹了同濟電車隊新一代VCU所能實現的部分亮點功能。
車輛動力學控制：同濟電車隊採用四輪分散式驅動系統，VCU通過內置的IMU與GNSS模組獲取車輛狀態，即時計算並控制各輪邊馬達的扭矩，以實現虛擬限滑差速器（e-LSD）、牽引力控制(TC)、扭矩向量(TV)等功能。
（車輛動力學控制系統架構框圖）
AURIX™ TC4x中全新一代TriCore™ 1.8內核的優異性能，將車輛動力學控制演算法的運行週期從前代的5ms縮短至1ms之內，帶來了更為敏捷、精準的動態控制表現。此外，基於並行計算單元（PPU），車隊將得以在嵌入式系統中運行神經網路模型，實現基於機器學習的車輛狀態估計與動態控制演算法，讓賽車控制更加智能、強大。
（扭矩控制週期對比）
高壓管理：在同濟電車隊設計的新一代VCU中，包括電池管理與高壓上下電管理功能在內的高壓管理功能也被集成於VCU中，以構建更集中的E/E架構。下圖展示了VCU中所具有的高壓管理功能及其系統架構。
（高壓管理功能示意圖）
除架構的優化外，AURIX™ TC4x的並行計算單元（PPU）帶來的強大AI運算能力，讓更智能的電池狀態估計（SoC和SoH）與能量策略管理演算法成為可能，從而有效提升賽車能耗表現，降低電池重量，實現進一步輕量化。AURIX™ TC4x對虛擬機的良好支援，也為高壓管理軟體模組的移植和集成提供了更安全、更便捷的平台。
整車配電及低壓管理：在當今汽車電子領域，用電子保險絲和高邊開關取代傳統的機械保險絲和繼電器已是大勢所趨，其高集成度、可靠性和安全性優勢已得到廣泛驗證。憑藉AURIX™ TC499PP充足的ADC和GTM定時器資源，同濟電車隊得以將足量的智能高邊開關集成進新一代VCU，實現了整車低壓配電的電子化。
（整車配電功能示意圖）
新VCU選用了英飛凌2ED2410、BTT6030、BTT6200三款智能高邊開關，以滿足不同功率負載的需求。所有高邊驅動通道均具備電流監測、短路保護、過溫保護等診斷功能，結合AURIX™ TC499PP出色的即時性與豐富的GTM定時器資源，可實現電子保險絲、軟啟動、恆流輸出等高級功能，對低壓配電系統進行更智能、更精細的調控。
整車閘道與數據採集：VCU配備了豐富的CAN與乙太網路介面，依託AURIX™ TC4x的數據路由引擎（DRE），可實現CAN到CAN與CAN到乙太網路的數據路由，實現整車閘道功能。憑藉AURIX™ TC499PP所提供的EMMC5.1與XSPI介面，新一代VCU集成了8GB的EMMC和1Gbit的NOR-FLASH儲存空間，用於記錄所有感測器與執行器數據，為車隊分析測試數據、建立模擬模型提供了強有力的數據支援。
此外，基於VCU所配備的豐富的高低邊驅動介面、感測器介面與CAN介面，整車熱管理、線控底盤控制、煞車燈及相關賽事規則要求的指示燈控制等功能也可集成於VCU中，整車所需的ECU數量將大大減小。
未來展望
同濟電車隊基於AURIX™ TC499PP設計的新一代VCU，帶來的不僅是性能與功能性的提升，更是FSAE賽車E/E架構的變革。它將整車E/E系統中所有功能相關的軟硬體模組統合成了一個有機整體，結束了以往各子系統各自為政的歷史。
更重要的是，這一融合了整車各系統功能的VCU，相當於為FSAE賽車引入了一套“中樞神經系統”，為安裝更智能的“大腦”提供了可能。通過高速的1000BASE-T1千兆乙太網路介面，VCU可與高性能計算平台進行交互。二者的關係猶如”小腦“與”大腦“——VCU直接與整車系統交互，處理執行與即時控制任務；高算力平台則負責運行神經網路模型，賦予FSAE賽車智能。
在開發過程中，英飛凌提供的完備軟體生態極大地簡化了車隊的軟體開發與測試流程。特別是AURIX™ TC4x軟體生態中提供的Simulink代碼生成包，使得控制演算法開發者能夠直接將控制模型生成為嵌入式代碼並進行硬體在環測試，無需處理複雜的底層軟體。未來，車隊將繼續藉助這一強大的軟體生態，加速升級迭代週期，推動“軟體定義賽車“成為現實。
（AURIX TC4x軟體生態）
結語
在英飛凌的堅定支援下，同濟電車隊創新性地設計了新一代基於AURIX™ TC499PP的FSAE賽車VCU，為車隊未來技術發展帶來了無限可能。該專案的成功也為校企合作樹立了典範，在同濟電車隊新一代VCU的開發過程中，英飛凌及其合作夥伴先後在硬體設計、PCB生產、嵌入式軟體開發等環節為車隊提供了寶貴的技術支援，有力保障了VCU專案的圓滿落地。這一創新實踐，不僅是同濟電車隊技術實力的飛躍，更是校企合作模式在培養未來汽車人才、推動行業技術創新上的有力證明。
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