作者：同济大学DIAN Racing电动方程式车队 郭俊超
背景
大学生方程式（Formula Student/SAE，以下简称“FSAE”）是一项享誉国际的大学生工程竞赛。在每年全球各地的FSAE赛事中，来自各高校的学生团队都需要自行设计并制造一辆符合FSAE赛事规则要求的原型方程式赛车，参加到赛事的动态赛项与设计评审等静态赛项中，在赛车设计、团队运营等方面展开全方位的比拼。
如今，FSAE早已不仅是全球性的工程教育竞赛，更已发展成前沿汽车技术应用的“试验田”。分布式驱动系统，线控底盘、主动悬架等尖端技术被参赛学生团队应用于赛事中，以在日渐激烈的竞争中拔得头筹。
（同济电车队DRe23赛车）
同济大学DIAN Racing电动方程式车队（以下简称“同济电车队”）作为国内历史最悠久的FSAE电动车队之一，始终走在技术创新的前沿。自2021年获得英飞凌大力支持以来，车队的技术发展得到了极大提升。今年，在英飞凌的鼎力支持下，同济电车队基于英飞凌AURIX™ TC499PP单片机设计了全新一代赛车VCU整车控制器，计划将其装备于DRe25及之后的赛车，以迎接更激烈的赛事挑战。
基于AURIX™ TC499PP强大的算力与丰富的I/O资源，同济电车队得以面向集中式E/E架构，构建了集底盘域、动力域、车身域功能于一身的“超级VCU”，为车队下一个五年的技术发展带来无限可能。同时，这也是AURIX™ TC4x首次应用在FSAE赛车中，也为AURIX™ TC4x在智能底盘控制、分布式驱动控制等领域的应用提供了宝贵的实践案例。
（同济电车队基于AURIX™ TC499PP开发的VCU初代原型实物）
VCU****硬件设计简介
AURIX™ TC4x为英飞凌AURIX™家族最新一代单片机，适用于基于域控制器与区域控制器的E/E架构等应用场景，完美契合了功能集成的强烈需求。其中AURIX™ TC49x集成了多达五个TriCore™ 1.8内核，以及可支持嵌入式AI应用的并行处理单元（PPU）。它拥有更丰富的ADC与GTM定时器资源，支持高分辨率PWM、DS-ADC等功能，特别适用于VCU所面临的传感器信号采集与底盘控制场景，因此成为了同济电车队新一代赛车VCU的核心选择。
基于AURIX™ TC499PP，同济电车队设计的VCU硬件拥有极高的集成度与连接能力。它集成了大量的智能高边/低边驱动、CAN收发器、模拟信号采集等硬件资源，实现了从量变到质变的飞跃。如下为其主要硬件功能特性：
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20路0~5V模拟信号输入
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8路数字信号输入
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16路最大持续输出4A的高边驱动输出
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8路最大持续输出1A的高边驱动输出（其中四路支持驱动感性负载）
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4路最大持续输出20A的高边驱动输出
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8路低边驱动输出
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4路5V供电输出（150mA/路，精度可达±5mV，用于为外部传感器提供电压参考）
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10路CAN接口（均可支持CAN-FD，其中2路支持CAN-XL）
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1路1000BASE-T1车载以太网接口
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8GB EMMC存储空间
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1Gbit NOR-FLASH
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内置IMU
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内置LTE CAT1移动通信模块
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内置GNSS定位模块
基于AURIX™ TC499PP的强大资源，该VCU将传统的多个控制器功能合而为一，实现了硬件上的“从量变到质变” 为实现集中式E/E架构奠定了坚实的硬件基础。下图展示了同济电车队基于AURIX™ TC499PP设计的赛车VCU的硬件系统框图。
VCU****功能亮点
依托AURIX™ TC49x强大的连接性、性能与对虚拟机的支持，同济电车队所设计的新一代VCU得以集成更多的控制功能，真正成为整车控制的中枢。它具有区域控制器与跨域融合控制器的特征，可承担FSAE赛车中动力域、底盘域和车身域的绝大部分功能。下文介绍了同济电车队新一代VCU所能实现的部分亮点功能。
车辆动力学控制：同济电车队采用四轮分布式驱动系统，VCU通过内置的IMU与GNSS模块获取车辆状态，实时计算并控制各轮边电机的扭矩，以实现虚拟限滑差速器（e-LSD）、牵引力控制(TC)、扭矩矢量(TV)等功能。
（车辆动力学控制系统架构框图）
AURIX™ TC4x中全新一代TriCore™ 1.8内核的优异性能，将车辆动力学控制算法的运行周期从前代的5ms缩短至1ms之内，带来了更为敏捷、精准的动态控制表现。此外，基于并行计算单元（PPU），车队将得以在嵌入式系统中运行神经网络模型，实现基于机器学习的车辆状态估计与动态控制算法，让赛车控制更加智能、强大。
（扭矩控制周期对比）
高压管理：在同济电车队设计的新一代VCU中，包括电池管理与高压上下电管理功能在内的高压管理功能也被集成于VCU中，以构建更集中的E/E架构。下图展示了VCU中所具有的高压管理功能及其系统架构。
（高压管理功能示意图）
除架构的优化外，AURIX™ TC4x的并行计算单元（PPU）带来的强大AI运算能力，让更智能的电池状态估计（SoC和SoH）与能量策略管理算法成为可能，从而有效提升赛车能耗表现，降低电池重量，实现进一步轻量化。AURIX™ TC4x对虚拟机的良好支持，也为高压管理软件模块的移植和集成提供了更安全、更便捷的平台。
整车配电及低压管理：在当今汽车电子领域，用电子保险丝和高边开关取代传统的机械保险丝和继电器已是大势所趋，其高集成度、可靠性和安全性优势已得到广泛验证。凭借AURIX™ TC499PP充足的ADC和GTM定时器资源，同济电车队得以将足量的智能高边开关集成进新一代VCU，实现了整车低压配电的电子化。
（整车配电功能示意图）
新VCU选用了英飞凌2ED2410、BTT6030、BTT6200三款智能高边开关，以满足不同功率负载的需求。所有高边驱动通道均具备电流监测、短路保护、过温保护等诊断功能，结合AURIX™ TC499PP出色的实时性与丰富的GTM定时器资源，可实现电子保险丝、软启动、恒流输出等高级功能，对低压配电系统进行更智能、更精细的调控。
整车网关与数据采集：VCU配备了丰富的CAN与以太网接口，依托AURIX™ TC4x的数据路由引擎（DRE），可实现CAN到CAN与CAN到以太网的数据路由，实现整车网关功能。凭借AURIX™ TC499PP所提供的EMMC5.1与XSPI接口，新一代VCU集成了8GB的EMMC和1Gbit的NOR-FLASH存储空间，用于记录所有传感器与执行器数据，为车队分析测试数据、建立仿真模型提供了强有力的数据支持。
此外，基于VCU所配备的丰富的高低边驱动接口、传感器接口与CAN接口，整车热管理、线控底盘控制、刹车灯及相关赛事规则要求的指示灯控制等功能也可集成于VCU中，整车所需的ECU数量将大大减小。
未来展望
同济电车队基于AURIX™ TC499PP设计的新一代VCU，带来的不仅是性能与功能性的提升，更是FSAE赛车E/E架构的变革。它将整车E/E系统中所有功能相关的软硬件模块统合成了一个有机整体，结束了以往各子系统各自为政的历史。
更重要的是，这一融合了整车各系统功能的VCU，相当于为FSAE赛车引入了一套“中枢神经系统”，为安装更智能的“大脑“提供了可能。通过高速的1000BASE-T1千兆以太网接口，VCU可与高性能计算平台进行交互。二者的关系犹如”小脑“与”大脑“——VCU直接与整车系统交互，处理执行与实时控制任务；高算力平台则负责运行神经网络模型，赋予FSAE赛车智能。
在开发过程中，英飞凌提供的完备软件生态极大地简化了车队的软件开发与测试流程。特别是AURIX™ TC4x软件生态中提供的Simulink代码生成包，使得控制算法开发者能够直接将控制模型生成为嵌入式代码并进行硬件在环测试，无需处理复杂的底层软件。未来，车队将继续借助这一强大的软件生态，加速升级迭代周期，推动“软件定义赛车“成为现实。
（AURIX TC4x软件生态）
结语
在英飞凌的坚定支持下，同济电车队创新性地设计了新一代基于AURIX™ TC499PP的FSAE赛车VCU，为车队未来技术发展带来了无限可能。该项目的成功也为校企合作树立了典范，在同济电车队新一代VCU的开发过程中，英飞凌及其合作伙伴先后在硬件设计、PCB生产、嵌入式软件开发等环节为车队提供了宝贵的技术支持，有力保障了VCU项目的圆满落地。这一创新实践，不仅是同济电车队技术实力的飞跃，更是校企合作模式在培养未来汽车人才、推动行业技术创新上的有力证明。
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