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2022-05-30 16:17:41·  來源:汽車ECU開發(fā)  
 
整車控制器(簡稱VCU)是整車控制的核心控制器,通過CAN/LIN總線或者硬線,實現(xiàn)對電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等的管理(VCU的控制簡圖如圖1所示),具體包括檔位

整車控制器(簡稱VCU)是整車控制的核心控制器,通過CAN/LIN總線或者硬線,實現(xiàn)對電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等的管理(VCU的控制簡圖如圖1所示),具體包括檔位、加速踏板、制動踏板的控制根據(jù)實時的動力電池電量,計算出需要輸出的扭矩控制,整車的低壓、高壓的上下電、能量回收等控制,VCU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如2所示。

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圖1 VCU的控制簡圖(來源知乎)

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圖2 VCU內(nèi)部簡圖(來源網(wǎng)絡(luò))
詳細(xì)來說說VCU的各項功能:

01.
檔位管理在開車的時候,有沒有遇到過有時候掛擋掛不上去,比如不踩剎車,是掛不上D檔的。這個就是VCU控制的。當(dāng)你在掛擋時,檔位控制器將檔位請求信號發(fā)送給VCU,VCU判斷換擋條件是否滿足,再執(zhí)行檔位切換。都有哪些條件呢?1、鑰匙信號是否在ON檔;2、整車是否上高壓;3、低壓蓄電池是否在有效范圍內(nèi)(比如9~16V);4、駕駛員是否系安全帶、踩剎車;5、車速是否為零。檔位的控制主要分為三個階段,分別為上電階段、正常運行階段、下電階段。在車輛上電時,VCU默認(rèn)向檔位控制器發(fā)送P檔請求,并且在儀表盤上點亮P檔指示燈。在車輛下電時,VCU會檢測到車速達(dá)到要求時,發(fā)出P檔請求。在車輛正常運行時,會檢測上述的那些條件是否都滿足,只有全滿足后才能正常進(jìn)行檔位切換。主要的輸入信號如下所示:輸入信號:檔位請求;當(dāng)前車速信號,高壓狀態(tài)信號,鑰匙信號,制動踏板信號。
02.
踏板信號管理
踏板信號包括油門和剎車,其是整車最重要的輸入量之一,直接反映了駕駛員的操作意圖,并且影響車輛和人員的安全,因此這兩個信號通常是有冗余的,通常是各有兩路獨立的信號采集鏈路,在此基礎(chǔ)上,還有很嚴(yán)格的錯誤檢測機(jī)制,比如:1.當(dāng)兩路油門或者剎車信號的差值超過一定范圍,則認(rèn)為是踏板開度不同步,報踏板故障;2.當(dāng)踏板傳感器的供電電壓不在正常范圍,報踏板故障;
3.當(dāng)兩路信號電壓不在正常范圍時,報踏板故障;4.當(dāng)油門和制動踏板同時請求時,優(yōu)先響應(yīng)制動踏板。當(dāng)上述的前三條條故障中任意一條發(fā)生,VCU中使用該信號的軟件模塊不再使用該信號進(jìn)行處理,并且車輛進(jìn)入跛行,點亮儀表盤上的故障燈。
03.
局域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理如圖1中,VCU負(fù)責(zé)局域網(wǎng)內(nèi)控制器的上下電管理。當(dāng)VCU收到鑰匙信號時,VCU首先被喚醒,并且開始自檢,自檢主要包括上電過程中是否有故障報出、低壓蓄電池電壓是否在正常范圍,自檢通過后通過網(wǎng)絡(luò)管理報文或者是KL15硬線,將局域網(wǎng)的控制器節(jié)點進(jìn)行喚醒。下電過程則是,當(dāng)VCU檢測到鑰匙信號OFF后,VCU首先停發(fā)網(wǎng)絡(luò)管理報文,等待局域網(wǎng)內(nèi)其他各節(jié)點都停發(fā)網(wǎng)絡(luò)管理報文后,再一起停發(fā)應(yīng)用報文,同步將進(jìn)入下電休眠。

04.
車輛驅(qū)動管理車輛驅(qū)動管理包括駕駛模式管理,扭矩輸出管理、定速巡航管理、自適應(yīng)巡航管理等。駕駛模式管理主要是按ECO、NORMAL、SPORT三種模式來管理動力輸出和功率輸出。在ECO模式下通過限制功率輸出、車速來降低能量消耗,達(dá)到節(jié)能經(jīng)濟(jì)的目的。NORMAL通常為整車默認(rèn)模式,能耗、車速都相對均衡,運動模式下通常是默認(rèn)整車設(shè)計的最大功率輸入,提供強(qiáng)勁的動力表現(xiàn)。這些控制都是通過油門開度與不同的扭矩響應(yīng)來達(dá)到的,在不同模式下有不同的映射表,也就是所說的map。在ECO模式下,扭矩輸出比較柔和。在SPORT模式下,映射表中的對應(yīng)值更高,也就意味著響應(yīng)更加快速,動力來的更加澎湃。
VCU給電驅(qū)總成的扭矩請求值是根據(jù)三個值來確定的。其中之一為VCU根據(jù)不同駕駛模式下,標(biāo)定的map表中當(dāng)前轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大扭矩與油門開發(fā)的乘積。第二個為BMS在當(dāng)前條件下最大的輸出功率值。
第三個為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電驅(qū)總成能輸出的最大扭矩值。VCU根據(jù)這三個值,選擇其中最小的發(fā)送給電驅(qū)總成,進(jìn)行扭矩響應(yīng)。另外為了保證油門響應(yīng)更加線性,在將扭矩請求值發(fā)送給電驅(qū)總成之前還會收扭矩變化率map影響。在ECO模式下,扭矩變化率更加平緩,則動力響應(yīng)偏慢,比較柔和,SPORT模式下扭矩變化率比較激進(jìn),扭矩變化率更大,動力響應(yīng)快。

05.
高壓系統(tǒng)上下電管理高壓系統(tǒng)(如圖3所示)的上下電,在純電車中,這是很重要的一環(huán),首先高壓存在安全問題,另外如果高壓無法上電,車輛是無法開動的,類似于傳統(tǒng)車上,發(fā)動機(jī)沒有啟動,車輛動不了一樣。

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圖3 高壓系統(tǒng)電氣圖(來源知網(wǎng))高壓上下電需要滿足的原則:1、避免車輛出現(xiàn)非預(yù)期的加速、減速、轉(zhuǎn)向等動作;2、應(yīng)避免因高壓故障引起人員傷亡及設(shè)備損壞;3、滿足高壓上下電性能要求;首先高壓上電功能需求主要包括:鑰匙上電、直流/交流充電、遠(yuǎn)程控制(例如遠(yuǎn)程打開空調(diào)),這三種場景僅僅是喚醒的方式不一樣,高壓上電的邏輯和時序是差不多的。對于整個上電過程,通過會有時間要求,比如要求1s內(nèi)局域網(wǎng)內(nèi)各ECU(通常包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)應(yīng)完成上電流程,并進(jìn)入工作模式。在上電流程中,首先是VCU被喚醒(鑰匙喚醒、網(wǎng)絡(luò)喚醒、或者充電cc信號硬線喚醒),啟動后發(fā)送請求閉合HVIL回路使能線和必要的12V低壓繼電器的CAN報文,同時監(jiān)控HVIL回路狀態(tài),然后DCU、DC/DC、BMS被喚醒(VCU發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理報文或者IG ON信號喚醒)并進(jìn)行自檢,監(jiān)控HVIL回路狀態(tài),對于BMS來說還需計算絕緣阻值,確認(rèn)絕緣是否正常,無故障后進(jìn)入待機(jī)模式(standby狀態(tài))。隨后VCU請求BMS閉合主繼電器,BMS則先后閉合主負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器,當(dāng)檢測到母線電壓達(dá)到閾值后,判斷預(yù)充電成功,然后閉合主正繼電器,并斷開預(yù)充繼電器,到這則高壓上電完成,在VCU請求BMS閉合主繼電器時,同時也會請求DCU、DC/DC進(jìn)入工作模式,時序圖如圖2所示。
為什么要預(yù)充呢?對于低壓來說,例如平時用的電池或者是12V低壓蓄電池,是不需要開關(guān),直接拔電池不會有什么風(fēng)險。但對高壓而言,直接接電池是不行的,有可能會產(chǎn)生較大的沖擊,燒壞功率器件。
預(yù)充是將預(yù)充電阻串聯(lián)到高壓回路中,由預(yù)充電阻分掉一部分電壓,然后,隨著各ECU內(nèi)的電容充電上來,等到電壓上升到某一閾值,主正繼電器閉合,這樣預(yù)充回路就完成了它的工作了,如圖4。

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圖4 高壓正常上電時序(來源知網(wǎng))在正常下電流程中,當(dāng)檢測到鑰匙信號、硬線信號關(guān)閉或網(wǎng)絡(luò)喚醒信號停發(fā),VCU立即請求DCU離開工作模式,并且功率器件迅速降低功率,隨后VCU請求DC/DC離開工作模式,然后VCU在請求BMS斷開繼高壓繼電器,BMS完成響應(yīng)后,VCU斷開HVIL回路和低壓繼電器,各節(jié)點進(jìn)入下電休眠流程,如圖5所示。

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圖5 高壓正常下點(來源知網(wǎng))在正常上電狀態(tài)下,如果出現(xiàn)絕緣阻值低于閾值、高壓互鎖斷開、IGBT過流等嚴(yán)重故障時,VCU會進(jìn)行緊急下高壓電流程,首先VCU請求DC/DC脫離工作模式,DCU進(jìn)入failure模式,隨后VCU請求BMS斷開高壓繼電器,并且斷開HVIL回路,隨后 VCU 請求 IPU 進(jìn)入緊急放電模式, DCU在規(guī)定時間內(nèi)完成余電泄放, 若鑰匙為關(guān)閉狀態(tài),則各節(jié)點進(jìn)入休眠流程,如圖6所示。

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圖6 高壓緊急下電(來源知網(wǎng))
06.
整車能量管理能量管理是VCU根據(jù)動力電池充放電能力、車輛運行模式、運行狀態(tài),以及各用電負(fù)載的優(yōu)先級,實時調(diào)整各用電負(fù)載的功率。在常規(guī)工況下,各個用電負(fù)載的用電優(yōu)先級為DCDC>電池制熱/制冷>乘員艙制冷>乘員艙制熱>電機(jī)功率;在急加速工況下,通過判斷駕駛員是否有緊急加速意圖,VCU的能量管理優(yōu)先滿足動力需求,限制空調(diào)等系統(tǒng)的工作。在動力電池饋電工況下,優(yōu)先滿足基本駕駛需求??照{(diào)系統(tǒng)功能會被限制。除了以上簡介的之外,還有PTC的控制,自動駕駛中的定速巡航,自適應(yīng)巡航都是需要VCU來實現(xiàn)的。
07.
VCU發(fā)展趨勢在當(dāng)前電子電氣架構(gòu)變革之際,VCU也將朝著集成化和域控化發(fā)展。集成化是指將整車控制系統(tǒng)中的部分控制功能集成到一個控制器中,例如比亞迪E3.0平臺中的八合一,其就是將原來分開的VCU、電機(jī)控制器、BMS、車載充電器集成到一個控制器中,如圖7所示。


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圖7 比亞迪E3.0平臺的八合一

域控化是在集成化的基礎(chǔ)上將VCU升級為動力域的域控制平臺,更高性能的芯片將使其支持整車實現(xiàn)SOA服務(wù)架構(gòu),另外可以嘗試更復(fù)雜的模型預(yù)測控制算法,讓VCU對需求扭矩、能量分配和管理做更好,更加精準(zhǔn)的控制和分配,從而達(dá)到整車電耗的優(yōu)化,提升電車的續(xù)航里程。

參考:

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

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

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