Vehicle Control Unit, perché è essenziale?

Gli ultimi anni sono stati caratterizzati da grandi innovazioni nell’industria automotive. La spinta verso nuove soluzioni ingegneristiche è arrivata anche grazie a normative europee sempre più stringenti in materia di emissioni e sicurezza nei veicoli.

L’elettrificazione dei veicoli ha poi elevato la complessità dei sistemi, rendendo indispensabili soluzioni hardware e software all’avanguardia. Allo stesso tempo, i sistemi di sicurezza diventati omologativi per le ultime normative prevedono un maggiore utilizzo di sistemi ADAS, anche nei veicoli di segmento inferiore. La conseguenza diretta è una crescita sostenuta del livello tecnologico in tutto il settore automobilistico.

La Vehicle Control Unit (VCU), anche chiamata Body Computer Module (BCM) con un termine più generico, è una delle unità di controllo presenti nei veicoli moderni. Ha un ruolo primario e funge da centro di controllo tra le altre Electronic Control Unit (ECU) con cui interagisce.

All’interno delle architetture dei veicoli è presente un numero variabile di unità di controllo elettronico (ECU), alcune delle quali essenziali per tutti i tipi di veicoli e altre specifiche per quelli con funzionalità avanzate. Diversi componenti come la trasmissione, la gestione dell’energia e l’interfaccia utente richiedono una ECU dedicata.

Il compito principale dell’unità di controllo del veicolo (VCU) è quindi quello di gestire e coordinare vari sottosistemi che costituiscono l’intero sistema veicolo, interagendo con altre unità di controllo, tra cui la Motor Controller Unit (MCU), il Battery Management System (BMS), l’On Board Charger (OBD) e l’Instrument Panel Cluster (IPC), garantendo un funzionamento ottimizzato e integrato di tutti i componenti.

Le informazioni vengono scambiate e raccolte utilizzando diversi protocolli di comunicazione, come i protocolli CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) ed Ethernet. Questi protocolli assicurano una comunicazione affidabile e una trasmissione rapida dei segnali tra la VCU e le altre unità di controllo elettronico. Spesso sono presenti due o più interfacce CAN, che consentono un miglior partizionamento logico della rete e una gestione ottimale del carico, consentendo inoltre la ridondanza dei segnali.

In breve, la VCU funziona da hub: raccoglie informazioni da sensori e trasduttori distribuiti in vari punti e componenti del veicolo e le trasmette alle diverse unità di controllo. A tal proposito vediamo due casi pratici:

• Durante l’accelerazione, il sensore che rileva la pressione del pedale invia un segnale alla VCU, che lo elabora per determinare la potenza da fornire in uscita alla Motor Controller Unit (MCU).
• Allo stesso modo, durante la frenata, la VCU riceve segnali dai sensori del pedale del freno per gestire la richiesta di coppia frenante, che nel caso di veicoli ibridi ed elettrici spesso si traduce in una frenata rigenerativa.

L’architettura hardware della VCU (o Body Computer Module) è costituita da vari componenti che lavorano insieme per consentire la corretta esecuzione delle funzionalità implementate sul veicolo. Il seguente diagramma a blocchi descrive ad alto livello le parti principali che costituiscono l’unità.

Nello specifico, all’interno di una VCU troviamo:

• Microcontrollore, ovvero il cervello dell’intera architettura. Riceve gli input dai sensori e trasduttori per eseguire gli algoritmi di controllo, prendere decisioni e generare i segnali di output per controllare i diversi sottosistemi del veicolo.
• Convertitori Analogico-Digitali (ADC) e Digitali-Analogici (DAC), per la conversione dei segnali.
• Interfacce di Comunicazione, come CAN, LIN ed Ethernet, per l’interazione con le unità di controllo elettronico (ECU).
• Unità di Memoria (RAM, ROM e flash) per l’archiviazione dei dati.
• Unità di Alimentazione, per fornire energia stabile ai sistemi di bordo.

Con l’evoluzione della guida autonoma, la richiesta di capacità di calcolo avanzate all’interno delle VCU crescerà significativamente. Sebbene la maggior parte dei veicoli attualmente in produzione operi a livelli di guida autonoma pari al livello 2 o inferiore, le previsioni mostrano un aumento rilevante dei veicoli dotati di funzioni di guida autonoma di livello 3 nel prossimo futuro. Il progresso nel campo della guida autonoma comporterà inoltre l’implementazione di funzioni più complesse, con un conseguente incremento del numero di processi, del consumo energetico e della velocità di comunicazione. Di conseguenza, crescerà anche il numero e la potenza di calcolo delle VCU presenti nei veicoli.

L’architettura software della VCU è organizzata in layer, ciascuno con un compito specifico. Il seguente diagramma mostra una sua possibile struttura.

Tra i livelli principali si possono individuare:

• Microcontroller Abstraction Layer: il livello più basso, che rende indipendente il software dal microcontrollore utilizzato. In modo analogo l’Abstraction Layer rende i livelli software superiori maggiormente indipendenti dall’hardware sottostante, offrendo inoltre accesso alle interfacce I/O.
• Service Layer: il più alto dei livelli del Basic Software. Offre servizi di memorizzazione, diagnostica e gestisce lo stato della VCU. Fornisce inoltre i servizi base per i vari moduli dell’Application ed il Basic Software.
• Run-Time Environment (RTE) Layer: fornisce servizi di comunicazione per il livello software applicativo e lo rende indipendente dal mapping con una specifica VCU.
• Application Software (ASW) Layer: è il livello applicativo, un componente cruciale all’interno dell’architettura software complessiva dei sistemi automobilistici. È responsabile dell’esecuzione del software applicativo e della gestione dell’interazione tra diversi componenti software (SWC) che eseguono specifici set di attività per soddisfare le funzionalità del veicolo. Alcuni esempi delle funzionalità che gestisce il livello applicativo sono riportati nel relativo diagramma.

La VCU svolge una serie di compiti fondamentali che spaziano dalla gestione del powertrain al monitoraggio dei sistemi critici, passando per la diagnostica dei guasti e la gestione delle informazioni mostrate al conducente. Ciascuna di queste funzionalità riveste un ruolo cruciale nel garantire le prestazioni e la sicurezza complessiva del veicolo.

Controllo powertrain e monitoraggio dei sistemi critici

Una delle funzioni principali della VCU è la gestione e il controllo del powertrain, sia elettrico, ibrido oppure a combustione interna. In base alla drive mode e alle altre personalizzazioni dello stile di guida effettuate dal conducente, la VCU verifica la reale disponibilità di potenza e configura l’unità di controllo motore (MCU) e il sistema di gestione della batteria (BMS) per operare di conseguenza.

Oltre al conducente, anche i sistemi ADAS più avanzati possono impartire in modo autonomo comandi simili. Spetta poi alla VCU il compito di instradare con precisione le richieste di coppia verso l’unità di controllo motore e il nodo freno, assicurando il rispetto delle priorità e garantendo costantemente il soddisfacimento dei requisiti di sicurezza.

Considerazioni simili si applicano anche alle richieste di coppia negativa, che corrispondono ad una frenata anziché ad un’accelerazione. In questi casi, il BMS può intervenire, soprattutto nei veicoli dotati di frenata rigenerativa, per ottimizzare la ripartizione della coppia frenante tra i freni a disco tradizionali e il motore elettrico.

La VCU svolge anche il compito cruciale di monitorare costantemente lo stato di salute dei principali componenti del veicolo, tra cui motore, inverter, batteria e sistema di ricarica. Grazie ai dati raccolti in tempo reale da questi elementi, la VCU è in grado di prendere decisioni rapide e informate, adottando le misure più adeguate per assicurare il funzionamento sicuro ed efficiente del veicolo.

Diagnostica dei guasti e gestione del display

La VCU svolge un ruolo fondamentale anche nella diagnostica dei guasti, in quanto registra le informazioni sullo stato di salute del sistema e le archivia in una memoria dedicata. Grazie a questo sistema, è possibile accedere ai dati sui guasti e sullo stato dei componenti in qualsiasi momento, utilizzando strumenti specifici come il lettore OBD. Questo approccio permette una diagnosi precisa e veloce, facilitando interventi di manutenzione mirati.

Oltre alla diagnostica, la VCU gestisce molte delle informazioni che vengono visualizzate dal conducente. Ad esempio, il guidatore potrebbe avere la possibilità di selezionare uno tra diversi livelli di frenata rigenerativa, progressivamente più intensi (il livello 1 corrisponde ad una bassa coppia frenante e a un basso recupero di energia, mentre i livelli 2 e 3 sono via via più intensi e consentono un recupero maggiore). In questo caso, le informazioni relative al livello selezionato e ai messaggi di errore sono gestite dalla VCU, che interpreta le scelte impartite dal conducente tramite un apposito selettore e regola l’effettivo passaggio di stato della funzionalità.

La VCU è il cervello del veicolo moderno, il componente che garantisce prestazioni, funzionalità e sicurezza. Attraverso il coordinamento e il controllo dei diversi sottosistemi, ottimizza il funzionamento complessivo e semplifica la complessità del cablaggio grazie alla sua gestione centralizzata. L’evoluzione tecnologica e la crescente complessità dei sistemi hanno portato a continui aggiornamenti della VCU, che ne hanno incrementato prestazioni, efficienza ed esperienza d’uso.

In eXaV, abbiamo un team di ingegneri altamente specializzati nello sviluppo software per VCU, dedicato alla progettazione di soluzioni innovative e su misura. Grazie alla nostra esperienza, garantiamo i massimi livelli di prestazioni, sicurezza e affidabilità.

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