纯电动汽车学习入门(九)——整车控制系统(上)

◆文/北京 李玉茂

(接上期)

一、概述

1.整车控制系统

整车控制系统(VMS)是电动汽车的神经中枢，承担了各系统的数据交换、信息传递、动力电池能量管理、驾驶人意图解析、安全监控、故障诊断等作用，对电动汽车动力性、经济性、安全性和舒适性等有很大的影响。整车控制系统分成三大子系统，如图1所示，包括低压电气系统、高压电气系统、网络控制系统。图中弱电控制部件称作ECU(ECM)，强电控制部件称作控制器。

(1)低压电气系统

主要由12V电池、低压线路、点火开关、继电器、电动水泵、电动制动真空泵、电动助力转向器、ICM(组合仪表)等组成。作用是为各电子控制单元、各高压部件控制器、各12V电动辅助设备供电。

(2)高压电气系统

主要由动力电池、驱动电机、MCU(驱动电机控制器)、OBC(车载充电机)、DC/DC变换器、空调压缩机、压缩机控制器、PTC、PTC控制器等组成。作用是将电能转换成机械能，或者整流、逆变、直流电压变换。

(3)网络控制系统

主要由VCU(整车控制单元)、BMS(电池管理系统)、RMS(远程通信终端)、网关、CAN总线等组成。作用是控制低压电气系统和高压电气系统。

2.整车控制单元

(1)VCU基本作用

整车控制单元英文缩写VCU，英文全称Vehicle Controller Unit，如图2所示。VCU是整车控制系统的核心部件，VCU接收加速踏板、制动踏板、车速和剩余电量等信息，通过网络综合控制驱动车所需要的工作部件，属于整个车辆的管理协调型控制部件。

(2)VCU分层管理

VCU的组成包括微处理器、电源及保护电路模块、I/O接口和调试模块、A/D模数转换模块、CAN总线通讯模块等，根据信号重要程度和实现次序，运算分为四层，如图3所示。

①数据交换管理层，接收CAN总线信息，对馈入VCU的物理量进行采集处理，并通过CAN总线发送控制指令，通过I/O接口提供对显示单元和继电器等的驱动信号，该层的功能是实现其他功能的基础和前提。

②安全故障管理层，对于集成的数据进行分析判断，检测出故障后做出相应的处理，在保证车辆安全的条件下，给出部件可使用的工作范围，以尽可能满足驾驶意图。

③驾驶人意图解释层，对采集到的驾驶人操作信息进行分析处理，并计算出驱动系统的目标转矩和车辆行驶的需求功率。

④能量流管理层，在多个能量源之间进行需求功率分配。

(3)VCU的演变

北汽新能源EV系列、EC系列、EX200、EX360、EU系列(除EU5)、LITE，整车控制功能均由VCU负责。北汽新能源EX3、EX5、EU5取消VCU，整车控制功能由电机控制器MCU、动力电池控制模块BMS分别负责。

3.CAN总线系统

电动车各车型设计的CAN子系统个数和控制单元组合不尽相同，某车型CAN网络如图4所示，具有动力CAN系统、底盘CAN系统、车身CAN系统。动力CAN系统、底盘CAN系统是高速CAN，传递速率500bit/s；车身CAN系统是中速CAN，传递速率125bit/s。

①动力CAN系统，协调MCU、BMS、DC/DC、压缩机控制器相互通信，BMS与OBC之间设有慢充CAN总线。

②底盘CAN系统，协调ABS/ESP、EPS、安全气囊ECU相互通信，ABS/ESP带有两个从控制单元，既转向盘转角传感器、偏航传感器，电子稳定系统ESP利用这两个信号。

③车身CAN系统，协调BCU、仪表ECU、空调ECU、导航ECU相互通信，BCU作为主控单元，通过LIN总线连接座椅加热模块、开关模块、倒车雷达模块、天窗模块4个从控制单元。导航ECU作为主控单元，通过LIN总线连接DVD显示器。

二、VCU的功能

不同车型对VCU设计的工作任务不相同，VCU的一般功能见表1。

1.驾驶人意图解释

主要是对驾驶人操作信息及控制命令进行分析处理，也就是将驾驶人的加速踏板位置信号和制动踏板位置信号根据某种规则，转化成电机的需求转矩命令。因而驱动电机对驾驶人操作的响应性能，完全取决于整车控制的加速踏板解释结果，直接影响驾驶人的控制效果和操作感觉。

2.换挡控制

挡位管理关系到驾驶安全，VCU正确理解驾驶人意图，识别车辆合理的挡位。在基于模型开发的挡位管理模块中得到很好的优化，能在出现故障时做出相应处理保证整车安全，在驾驶人出现误操作挡位时通过仪表等提示驾驶人，使驾驶人能迅速做出纠正，如图5所示。

3.驱动控制

根据驾驶人对车辆的操纵输入(加速踏板、制动踏板、电子换挡器)、车辆状态、道路及环境状况，经分析和处理，VCU发出相应的指令，控制电机的驱动转矩来驱动车辆，以满足驾驶人对车辆驱动的动力性要求。同时根据车辆状态，VCU发出相应指令，保证安全性、舒适性。

4.制动能量回馈控制

VCU根据加速踏板和制动踏板的位置、车辆行驶状态信息以及动力电池的状态信息(如SOC值)，来判断某一时刻能否进行制动能量回馈。在满足安全性能、制动性能以及驾驶人舒适性的前提下，回收部分能量，包括滑行制动和踩制动踏板，制动过程中的电机制动转矩控制。

VCU根据加速踏板和制动踏板信号，制动能量回收可以分为两个阶段，两个阶段能量回收的脉谱图不一样，如图6所示。阶段1脉谱图是车辆行驶中，驾驶人放开加速踏板，没有踩下制动踏板。阶段2脉谱图是车辆行驶中减速，驾驶人没有踩加速踏板，踩下制动踏板。如果驾驶人放开加速踏板后立即踩下制动踏板，则能量回收直接进入阶段2。

制动能量回馈原则：能量回收制动不应该干预ABS的工作；ABS进行制动力调节时，制动能量回收不应该工作；ABS报警时，制动能量回收不应该工作；当驱动电机系统有故障时，制动能量回收不应该工作。

5.防溜车控制

电动汽车在坡上起步时，从放开制动踏板到踩下加速踏板的过程中，会出现车辆向后溜车的现象。在坡上行驶过程中，如果驾驶人踩加速踏板的深度不够，车辆会出现车速逐渐降至0，然后向后溜车现象。为了防止电动汽车在坡上起步和运行时向后溜车现象，在整车控制策略中增加了防溜车功能。防溜车功能可以保证车辆在坡上起步时，向后溜车小于10cm；在车辆上坡行驶过程中如果动力不足时，车速会慢慢降到0，然后保持停止状态，不再向后溜车。

6.充电过程控制

VCU与电池管理系统共同进行充电过程中的充电功率控制，插入充电枪，VCU接收到充电信号后，应该保证车辆在充电状态下处于行车锁止状态，并根据电池状态信息限制充电功率，保护电池。

7.智能充电控制和电池均衡

有些车型具有智能充电系统(IBS)，例如北汽新能源EX3，在车辆停放期间，当12V电池SOC低于73%，网络自动唤醒，充电SOC到达93%自动停止。有些车型在慢充电结束后，VCU自动对电池单体进行均衡。

8.高压上下电控制

根据驾驶人对点火开关的控制，进行动力电池的高压继电器开关控制，以完成高压设备的电源通断和预充电控制。高压上下电流程处理，协调各相关部件的上电与下电流程，包括电机控制器、电池管理系统等部件的供电，预充继电器、主负继电器及主正继电器的吸合和断开等。

9.整车能量优化管理

如图7所示，通过对高压系统的动力电池、驱动电机、DC/DC、电动压缩机、PTC，以及低压系统的电动助力转向、电动真空泵、空调系统、BCM(车身控制模块)等的协调和管理，提高整车能量利用效率，延长续驶里程。

10.电动化辅助系统管理

驱动系统以外称作电动化辅助系统，包括电动压缩机(高压供电)、电动助力转向(12V供电)、电动真空助力泵(12V供电)。VCU根据动力电池以及低压电池状态，对电动化辅助系统进行监控。

11.车辆状态的实时监测和显示

VCU对车辆的状态进行实时监测，如图8所示，并且将各个子系统的信息发送给车载信息显示系统(仪表控制单元)，其过程是通过传感器和CAN总线，检测车辆状态及其动力系统及相关电器附件、相关各子系统状态信息，通过数字仪表显示出来，如图9、图10所示。

12.故障诊断与处理

VCU连续监视整车电控系统，根据传感器的输入及其他通过CAN总线通信得到的电机、电池、充电机等信息，对各种故障进行判断、等级分类、报警显示、存储故障码，供维修时查看。故障处理方式分为：上报不处理、限功率、待机、禁止高压上电、禁止充电、禁止行车制动能量回收、立即高压下电。故障指示灯指示出故障类别和部分故障码，VCU对故障分为三级并进行处理，见表2。

13.CAN网络管理

在整车CAN网络管理中，VCU是信息控制的中心，具有信息的组织与传输、网络节点(控制单元)的管理、信息优先权的动态分配、网络状态的监控、网络故障的诊断与处理等功能。

14.CCP在线匹配标定

CCP的中文是“通信控制处理机”，在网络中使用是为了将通信功能从主机中分离出来，以减轻主机的负荷。CCP主要作用是监控ECU工作变量、在线调整ECU的控制参数(包括MAP图、曲线及点参数)、保存标定数据结果以及处理离线数据等。完整的标定系统包括上位机PC标定程序、PC与ECU通讯硬件连接及ECU标定驱动程序3个部分。

15.远程查询

用户可以通过手机App实时查询车辆状态，实时了解自己爱车的状况，包括剩余电量(SOC)值、续航里程等，如图11所示。

(未完待续)