谈谈整车控制器的功能

整车控制器(简称VCU)是整车控制的核心控制器，通过CAN/LIN总线或者硬线，实现对电池系统、电驱系统、热管理系统等的管理(VCU的控制简图如图1所示)，具体包括档位、加速踏板、制动踏板的控制，根据实时的动力电池电量，计算出需要输出的扭矩控制，整车的低压、高压的上下电、能量回收等控制，VCU的内部结构简图如2所示。

图1 VCU的控制简图(来源知乎)

图2 VCU内部简图(来源网络)
详细来说说VCU的各项功能：

01.
档位管理在开车的时候，有没有遇到过有时候挂挡挂不上去，比如不踩刹车，是挂不上D档的。这个就是VCU控制的。当你在挂挡时，档位控制器将档位请求信号发送给VCU，VCU判断换挡条件是否满足，再执行档位切换。都有哪些条件呢？1、钥匙信号是否在ON档；2、整车是否上高压；3、低压蓄电池是否在有效范围内(比如9~16V)；4、驾驶员是否系安全带、踩刹车；5、车速是否为零。档位的控制主要分为三个阶段，分别为上电阶段、正常运行阶段、下电阶段。在车辆上电时，VCU默认向档位控制器发送P档请求，并且在仪表盘上点亮P档指示灯。在车辆下电时，VCU会检测到车速达到要求时，发出P档请求。在车辆正常运行时，会检测上述的那些条件是否都满足，只有全满足后才能正常进行档位切换。主要的输入信号如下所示：输入信号：档位请求；当前车速信号，高压状态信号，钥匙信号，制动踏板信号。
02.
踏板信号管理
踏板信号包括油门和刹车，其是整车最重要的输入量之一，直接反映了驾驶员的操作意图，并且影响车辆和人员的安全，因此这两个信号通常是有冗余的，通常是各有两路独立的信号采集链路，在此基础上，还有很严格的错误检测机制，比如：1.当两路油门或者刹车信号的差值超过一定范围，则认为是踏板开度不同步，报踏板故障；2.当踏板传感器的供电电压不在正常范围，报踏板故障；
3.当两路信号电压不在正常范围时，报踏板故障；4．当油门和制动踏板同时请求时，优先响应制动踏板。当上述的前三条条故障中任意一条发生，VCU中使用该信号的软件模块不再使用该信号进行处理，并且车辆进入跛行，点亮仪表盘上的故障灯。
03.
局域网内网络管理如图1中，VCU负责局域网内控制器的上下电管理。当VCU收到钥匙信号时，VCU首先被唤醒，并且开始自检，自检主要包括上电过程中是否有故障报出、低压蓄电池电压是否在正常范围，自检通过后通过网络管理报文或者是KL15硬线，将局域网的控制器节点进行唤醒。下电过程则是，当VCU检测到钥匙信号OFF后，VCU首先停发网络管理报文，等待局域网内其他各节点都停发网络管理报文后，再一起停发应用报文，同步将进入下电休眠。

04.
车辆驱动管理车辆驱动管理包括驾驶模式管理，扭矩输出管理、定速巡航管理、自适应巡航管理等。驾驶模式管理主要是按ECO、NORMAL、SPORT三种模式来管理动力输出和功率输出。在ECO模式下通过限制功率输出、车速来降低能量消耗，达到节能经济的目的。NORMAL通常为整车默认模式，能耗、车速都相对均衡，运动模式下通常是默认整车设计的最大功率输入，提供强劲的动力表现。这些控制都是通过油门开度与不同的扭矩响应来达到的，在不同模式下有不同的映射表,也就是所说的map。在ECO模式下，扭矩输出比较柔和。在SPORT模式下，映射表中的对应值更高，也就意味着响应更加快速，动力来的更加澎湃。
VCU给电驱总成的扭矩请求值是根据三个值来确定的。其中之一为VCU根据不同驾驶模式下，标定的map表中当前转速对应的最大扭矩与油门开发的乘积。第二个为BMS在当前条件下最大的输出功率值。
第三个为当前转速下电驱总成能输出的最大扭矩值。VCU根据这三个值，选择其中最小的发送给电驱总成，进行扭矩响应。另外为了保证油门响应更加线性，在将扭矩请求值发送给电驱总成之前还会收扭矩变化率map影响。在ECO模式下，扭矩变化率更加平缓，则动力响应偏慢，比较柔和，SPORT模式下扭矩变化率比较激进，扭矩变化率更大，动力响应快。

05.
高压系统上下电管理高压系统(如图3所示)的上下电，在纯电车中，这是很重要的一环，首先高压存在安全问题，另外如果高压无法上电，车辆是无法开动的，类似于传统车上，发动机没有启动，车辆动不了一样。

图3 高压系统电气图(来源知网)高压上下电需要满足的原则：1、避免车辆出现非预期的加速、减速、转向等动作；2、应避免因高压故障引起人员伤亡及设备损坏；3、满足高压上下电性能要求；首先高压上电功能需求主要包括：钥匙上电、直流/交流充电、远程控制(例如远程打开空调)，这三种场景仅仅是唤醒的方式不一样，高压上电的逻辑和时序是差不多的。对于整个上电过程，通过会有时间要求，比如要求1s内局域网内各ECU(通常包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)应完成上电流程，并进入工作模式。在上电流程中，首先是VCU被唤醒(钥匙唤醒、网络唤醒、或者充电cc信号硬线唤醒)，启动后发送请求闭合HVIL回路使能线和必要的12V低压继电器的CAN报文，同时监控HVIL回路状态，然后DCU、DC/DC、BMS被唤醒(VCU发送的网络管理报文或者IG ON信号唤醒)并进行自检，监控HVIL回路状态，对于BMS来说还需计算绝缘阻值，确认绝缘是否正常，无故障后进入待机模式(standby状态)。随后VCU请求BMS闭合主继电器，BMS则先后闭合主负继电器和预充继电器，当检测到母线电压达到阈值后，判断预充电成功，然后闭合主正继电器，并断开预充继电器，到这则高压上电完成，在VCU请求BMS闭合主继电器时，同时也会请求DCU、DC/DC进入工作模式，时序图如图2所示。
为什么要预充呢？对于低压来说，例如平时用的电池或者是12V低压蓄电池，是不需要开关，直接拔电池不会有什么风险。但对高压而言，直接接电池是不行的，有可能会产生较大的冲击，烧坏功率器件。
预充是将预充电阻串联到高压回路中，由预充电阻分掉一部分电压，然后，随着各ECU内的电容充电上来，等到电压上升到某一阈值，主正继电器闭合，这样预充回路就完成了它的工作了，如图4。

图4 高压正常上电时序(来源知网)在正常下电流程中，当检测到钥匙信号、硬线信号关闭或网络唤醒信号停发，VCU立即请求DCU离开工作模式，并且功率器件迅速降低功率，随后VCU请求DC/DC离开工作模式，然后VCU在请求BMS断开继高压继电器，BMS完成响应后，VCU断开HVIL回路和低压继电器，各节点进入下电休眠流程，如图5所示。

图5 高压正常下点(来源知网)在正常上电状态下，如果出现绝缘阻值低于阈值、高压互锁断开、IGBT过流等严重故障时，VCU会进行紧急下高压电流程，首先VCU请求DC/DC脱离工作模式，DCU进入failure模式，随后VCU请求BMS断开高压继电器，并且断开HVIL回路，随后 VCU 请求 IPU 进入紧急放电模式， DCU在规定时间内完成余电泄放， 若钥匙为关闭状态，则各节点进入休眠流程，如图6所示。

图6 高压紧急下电(来源知网)
06.
整车能量管理能量管理是VCU根据动力电池充放电能力、车辆运行模式、运行状态，以及各用电负载的优先级，实时调整各用电负载的功率。在常规工况下，各个用电负载的用电优先级为DCDC＞电池制热/制冷＞乘员舱制冷＞乘员舱制热＞电机功率；在急加速工况下，通过判断驾驶员是否有紧急加速意图，VCU的能量管理优先满足动力需求，限制空调等系统的工作。在动力电池馈电工况下，优先满足基本驾驶需求。空调系统功能会被限制。除了以上简介的之外，还有PTC的控制，自动驾驶中的定速巡航，自适应巡航都是需要VCU来实现的。
07.
VCU发展趋势在当前电子电气架构变革之际，VCU也将朝着集成化和域控化发展。集成化是指将整车控制系统中的部分控制功能集成到一个控制器中，例如比亚迪E3.0平台中的八合一，其就是将原来分开的VCU、电机控制器、BMS、车载充电器集成到一个控制器中，如图7所示。

图7 比亚迪E3.0平台的八合一

域控化是在集成化的基础上将VCU升级为动力域的域控制平台，更高性能的芯片将使其支持整车实现SOA服务架构，另外可以尝试更复杂的模型预测控制算法，让VCU对需求扭矩、能量分配和管理做更好，更加精准的控制和分配，从而达到整车电耗的优化，提升电车的续航里程。

参考：

https://mp.weixin.qq.com/s/Fyymq5tRGr0M4twG2xRgVw

https://mp.weixin.qq.com/s/lvTNgTAwzICE_WFrR_Ko5Q