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浅析纯电动汽车的整车控制器
2020-03-14 01:34:42· 来源：EDC电驱未来
整车控制器（VCU，Vehicle Control Unit），即动力总成控制器，有的车辆以单独的模块运行，如北汽新能源车；有的与车身控制器集成，如比亚迪；有的与电池控制器B
整车控制器（VCU，Vehicle Control Unit），即动力总成控制器，有的车辆以单独的模块运行，如北汽新能源车；有的与车身控制器集成，如比亚迪；有的与电池控制器BMS或电机控制器集成，如微型共享电动汽车。
1 纯电动汽车整车控制器结构与功能
1.1 整车控制器的结构
整车控制器结构上由金属壳体和PCB线路板组成，功能上由主控芯片及其周边的时钟电路、复位电路、预留接口电路和电源模块组成最小系统。在最小系统以外，一般还配备数字信号处理电路、模拟信号处理电路、频率信号处理电路、通讯接口电路（包括CAN通讯接口和RS232通讯接口）。
1.2 整车控制器的功能
整车控制器采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作，可实现整车驱动、制动、能量回收等功能，电动汽车整车控制系统框图如图1所示。主要功能如下。
图1 整车控制系统框图
（1）整车驱动控制。接收、处理驾驶人的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶人意愿行驶。
（2）能量管理功能，如充电和放电回收。
（3）整车辅助系统控制，如电动空调、暖风等控制。
（4）整车安全管理和诊断功能，如预警和故障干预。系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障。对整车具有保护功能，根据故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关闭发电机及切断母线高压系统。
（5）整车网关的管理功能，实现新能源CAN和车身CAN交互。与电机、DC/DC、蓄电池组等进行可靠通讯，通过CAN总线以及关键信息的模拟量进行状态的采集输入及控制指令的输出。
（6）整车信息管理功能，如仪表显示、远程监控等。接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。
（7）高低压安全管理与保护功能。根据故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以切断母线高压系统。
2 整车控制逻辑和策略
2.1 整车控制逻辑
纯电动汽车整车控制节点包括：电机控制器、电池控制器、充电控制器、空调控制器、仪表控制器、真空泵、风扇控制器等，其控制逻辑如图2所示。一级控制为整车控制器直接控制。其中电机控制器、电池控制器、充电控制器、空调控制器、仪表控制器通过CAN网络通讯传输控制指令；真空泵、风扇控制器直接通过普通导线传输控制指令，为硬线控制。
图2 整车控制逻辑
2.2 整车控制策略
（1）整车状态的获取，主要内容如下。
1）点火钥匙状态为OFF、ACC、ON、START。
2）充电监控状态为充电唤醒或充电连接状态。
3）变速器挡位状态为P、R、N、D。
4）加速踏板位置（加速踏板开度为0%～100%）。
5）制动踏板状态为踩下制动踏板或未制动。
6）电池控制器中继电器、电压、电流等状态。
7）MCU工作模式、转速、扭矩等状态。
8）EAS、PTC状态信息。
9）ABS 状态、ICM状态等。
（2）驾驶人的意愿识别和控制模式的判断。纯电动汽车整车有2种工作模式，即充电模式和行驶模式。整车控制器有低压唤醒后，周期执行整车模式的判断，其中充电模式优先于行驶模式。
充电模式：充电唤醒信号，（快慢充）充电门板信号或连接确认信号。
行驶模式：点火开关置于ON位时，无充电唤醒信号，无充电门板信号或连接确认信号。
纯电动汽车工作模式的切换：充电模式不能切换到行驶模式，当点火开关处于ON位并充电时，此时关闭充电口，车辆不能上高压，需要驾驶人将点火开关打到非ON位，并再次转到ON位方可上电；行驶模式可以切换到充电模式，整车行驶时，如果检测有充电需求，整车控制器需要先执行高压下电后，再进行正常的充电流程。
（3）整车故障的判别及处理。整车控制器根据电机、电池、DC/DC等零部件故障、整车CAN网络故障及整车控制器硬件故障进行综合判断，确定整车的故障等级，并进行相应的控制处理。整车故障等级有四级，见表1所列。
（4）外围相连驱动模块的管理。整车控制器外围相连驱动模块控制有电池内高压主负继电器、空调系统高压继电器、冷却液泵、DC/DC、冷却风扇、电子转向助力系统、快充继电器等。
表1 整车故障等级划分表
3 整车控制器的开发流程
整车控制器的开发过程，一般会遵循V模式开发过程。V模式开发的理念是通过协同合作，使得软件设计达到高效与高质兼得的目的，具体流程如下。
（1）根据提炼出来的需求，建立数学模型，并进行模型仿真。
（2）将模型数据下载到快速原型中，用硬件接口替代原来模型中的逻辑接口。
（3）利用专业软件，生成C代码，与底层程序集成后，通过接口程序下载到整车控制器硬件中，准备进行调试。这个过程中，每个功能模块会分别进行调试。
（4）硬件在环仿真测试，利用模拟器模拟车辆运行环境，对整车控制器进行功能测试。
（5）整车控制器装车，进行实车测评，完成通讯协议标定。测评通过后，得到产品的第一个版本。
1 纯电动汽车整车控制器结构与功能
1.1 整车控制器的结构
整车控制器结构上由金属壳体和PCB线路板组成，功能上由主控芯片及其周边的时钟电路、复位电路、预留接口电路和电源模块组成最小系统。在最小系统以外，一般还配备数字信号处理电路、模拟信号处理电路、频率信号处理电路、通讯接口电路（包括CAN通讯接口和RS232通讯接口）。
1.2 整车控制器的功能
整车控制器采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作，可实现整车驱动、制动、能量回收等功能，电动汽车整车控制系统框图如图1所示。主要功能如下。
图1 整车控制系统框图
（1）整车驱动控制。接收、处理驾驶人的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶人意愿行驶。
（2）能量管理功能，如充电和放电回收。
（3）整车辅助系统控制，如电动空调、暖风等控制。
（4）整车安全管理和诊断功能，如预警和故障干预。系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障。对整车具有保护功能，根据故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关闭发电机及切断母线高压系统。
（5）整车网关的管理功能，实现新能源CAN和车身CAN交互。与电机、DC/DC、蓄电池组等进行可靠通讯，通过CAN总线以及关键信息的模拟量进行状态的采集输入及控制指令的输出。
（6）整车信息管理功能，如仪表显示、远程监控等。接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。
（7）高低压安全管理与保护功能。根据故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以切断母线高压系统。
2 整车控制逻辑和策略
2.1 整车控制逻辑
纯电动汽车整车控制节点包括：电机控制器、电池控制器、充电控制器、空调控制器、仪表控制器、真空泵、风扇控制器等，其控制逻辑如图2所示。一级控制为整车控制器直接控制。其中电机控制器、电池控制器、充电控制器、空调控制器、仪表控制器通过CAN网络通讯传输控制指令；真空泵、风扇控制器直接通过普通导线传输控制指令，为硬线控制。
图2 整车控制逻辑
2.2 整车控制策略
（1）整车状态的获取，主要内容如下。
1）点火钥匙状态为OFF、ACC、ON、START。
2）充电监控状态为充电唤醒或充电连接状态。
3）变速器挡位状态为P、R、N、D。
4）加速踏板位置（加速踏板开度为0%～100%）。
5）制动踏板状态为踩下制动踏板或未制动。
6）电池控制器中继电器、电压、电流等状态。
7）MCU工作模式、转速、扭矩等状态。
8）EAS、PTC状态信息。
9）ABS 状态、ICM状态等。
（2）驾驶人的意愿识别和控制模式的判断。纯电动汽车整车有2种工作模式，即充电模式和行驶模式。整车控制器有低压唤醒后，周期执行整车模式的判断，其中充电模式优先于行驶模式。
充电模式：充电唤醒信号，（快慢充）充电门板信号或连接确认信号。
行驶模式：点火开关置于ON位时，无充电唤醒信号，无充电门板信号或连接确认信号。
纯电动汽车工作模式的切换：充电模式不能切换到行驶模式，当点火开关处于ON位并充电时，此时关闭充电口，车辆不能上高压，需要驾驶人将点火开关打到非ON位，并再次转到ON位方可上电；行驶模式可以切换到充电模式，整车行驶时，如果检测有充电需求，整车控制器需要先执行高压下电后，再进行正常的充电流程。
（3）整车故障的判别及处理。整车控制器根据电机、电池、DC/DC等零部件故障、整车CAN网络故障及整车控制器硬件故障进行综合判断，确定整车的故障等级，并进行相应的控制处理。整车故障等级有四级，见表1所列。
（4）外围相连驱动模块的管理。整车控制器外围相连驱动模块控制有电池内高压主负继电器、空调系统高压继电器、冷却液泵、DC/DC、冷却风扇、电子转向助力系统、快充继电器等。
表1 整车故障等级划分表
3 整车控制器的开发流程
整车控制器的开发过程，一般会遵循V模式开发过程。V模式开发的理念是通过协同合作，使得软件设计达到高效与高质兼得的目的，具体流程如下。
（1）根据提炼出来的需求，建立数学模型，并进行模型仿真。
（2）将模型数据下载到快速原型中，用硬件接口替代原来模型中的逻辑接口。
（3）利用专业软件，生成C代码，与底层程序集成后，通过接口程序下载到整车控制器硬件中，准备进行调试。这个过程中，每个功能模块会分别进行调试。
（4）硬件在环仿真测试，利用模拟器模拟车辆运行环境，对整车控制器进行功能测试。
（5）整车控制器装车，进行实车测评，完成通讯协议标定。测评通过后，得到产品的第一个版本。
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