纯电动汽车整车控制器(VCU)研究

宋述铨

摘 要：电动汽车主要由电池管理系统（BMS），整车控制系统（VCS），以及电机控制器（MCU）等构成。整车控制器（VCU）是电动汽车的重要控制结构，对汽车的各种信息进行检测、对车内通信网络和异常信息进行监控等，能够提高整车驾驶性能，进行制动能量回馈完善能源管理。提升整车舒适性，使用户获得完美体验。

关键词：纯电动汽车;整车控制器;完美体验

随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。传统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。纯电动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。随着科技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能。本文从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。

1 整车电控系统组成

整车电控系统主要由整车控制器VCU为核心，通过硬线信号指挥各控制器使能，通过CAN总线信号控制储能系统、电机系统等关键总成执行相应的上下电动作以及扭矩指令。最终完成整车的驾驶运行以及高压充电。其中，低压部分完成车辆控制器供电和信号采集通讯。高压部分通过高压线束将动力电池的电能传输到空调压缩机、电动机等高压供电设备，实现动力电能的传输。其中电机、电池、电控系统被称为“三电”系统，主要包括：

1.1 整车控制器

整车控制器系统为整车的运行大脑，具有高可靠性、高运行效率、逻辑缤密性。整车控制系统上电后首先运行初始化程序并且自检，在自身没有问题后驱动端口使能储能系统、电机系统上电。储能系统和电机系统完成上电后同样分别进行上电自检。所有系统自检无故障且驾驶员有上高压指令时，整车控制系统通过总线驱动储能系统、电机系统完成上高压动作。

1.2 储能系统

储能系统包括动力电池组和BMS管理单元。动力电池组负责给整车的运行提供必要的能量，包括驱动系统、转向、制动系统等;BMS管理单元实时监控动力电池的当前温度、模组电压、温度、电池包电压、动态电流等信息，并与整车实现CAN通信，确保能源的安全供给。

1.3 电机系统

MCU（电机控制器）和驱动电机共同组成了电机系统，电机控制器接收来自整车控制器的需求扭矩、目标车速等信息，通过单片机控制IGBT模块进行动态扭矩矢量控制该控制器电机将电池包的电能转化成机械能。

2 整车控制器的软件设计

2.1 主程序设计

整车控制器的主程序用于确定电动汽车的运行方式，其方式是依据驾驶信息和CAN总线采集到的其他子系统的状况信息从而进行判断。在系统上电后，首先进行上电初始化，系统自检，而后收集信号、故障诊断与处理，再进行工况判断与处理、仪表显现，最后进行数据通信。

2.2 子程序设计

子程序的相关类别，主要包括CAN通讯程序、工况判断与处理程序、故障诊断及处理程序等3个部分。

（1）CAN通讯程序。CAN通讯程序包括CAN接收子程序以及CAN发送子程序。1）CAN信息发送。在CAN发送环节的过程之中，发送数据的长度和总线时钟是首先被检查的对象，随后寻找空闲缓冲器，设置数据包的优先级以及长度，再写入数据到缓冲器。CAN信息发送的最后一步是清除发送标志位的使能信号发送，从而CAN信息的发送过程结束进入接收环节。2）CAN信息接收。进入CAN发送程序后，首先检查缓冲器的接收标志位，看是否收到数据。在确认数据被缓冲器接收到了情况下，进一步读取数据的长度及包含的数据，在这个过程结束后再清除接收标志位的使能信号，这样就完成了数据的接收。

（2）故障诊断与处理。故障诊断与处理程序，电动汽车的故障分为两级。一级故障发生时，汽车停止运行，关闭所有驱动信号。二级故障发生时，限制汽车运行功率。

3 驱动控制策略

驱动控制策略简单来讲就是，在特定的模式下采用最佳的特定转矩进行合理配置，来最大限度地节省电能，发挥出电动汽车的经济适用性，是整车控制策略的重点、难点。

驱动控制策略可将汽车运行模式分为五种：1）起步模式，汽车上电自检后，采集接收到加速踏板的信号，通过计算给电机一个扭矩，平稳起步，防止发生意外事故。2）正常驱动模式，用于行驶在较为正常路面，对汽车动力无特殊要求，但是既能保证驾驶员的驾驶需求，又能满足车辆的经济型。3）经济模式，主要是控制电机的转速维持在高效区域，此工作模式较为省电。4）动力驱动模式，用于纯电动汽车的提速或者上坡，对动力要求较大。5）倒挡模式，当驾驶员挂入倒挡时，倒挡信号传递到整车控制器，车辆进入倒档模式，此时也需要一个扭矩来平稳倒车。

4 能量管理控制策略

电动汽车的装车电池能量有限，就目前来说，续航里程方面并不理想。加上我国正处理纯电动汽车的重要发展阶段，充电桩也是一个问题，充电站远不如加油站那样普及。考虑上述问题，应当节省资源，采用完善的能量管理策略，合理优化能量，提升电池的能量使用率，提升纯电动汽车的续航里程。动力电池组是纯电动汽车动力来源，供应车辆的全部用电设备，合理有效地管理电池组，高效利用电池能量对于纯电动汽车的发展至关重要。电池特有的放电特性，电池剩余电量（StateOfCharge）SOC降低到某个极端值时，电池组因为电量不足而导致电池端电压骤降，有可能导致速度迅减引起交通事故，甚至使汽车直接停止。因此，合理分配纯电动汽车的整车能量对于各方面提升汽车性能起主导地位。若整车控制器接收的SOC的值低于事先設定的极端值时，电动汽车仪表盘亮报警指示灯。当动力电池组SOC的值高于设定值时，整车控制器应停止回收制动能量，以提升动力电池组的寿命。

总之，整车控制系统对整车控制、整车能量分配、制动能量的回收等起主要作用，是纯电动汽车发展所必须研究的关键技术，能量的合理分配关系着电动汽车的安全行驶，降低能量损耗，提高纯电动汽车的续航里程，同时加强对电池组的保护。

参考文献：

[1]董伟.纯电动汽车整车控制策略研究[J].现代制造技术与装备，2018（07）：51-53.

[2]乔海术.纯电动汽车整车控制器开发[D].吉林：吉林大学，2018.

[3]李健.纯电动汽车整车控制器的设计[D].长沙：湖南大学，2018.