| 整車控制器（VCU），電動(dòng)汽車的大腦，相當(dāng)于電腦的Windows，手機(jī)的Andrio。作為電動(dòng)汽車上全部電氣的運(yùn)行平臺(tái)，它的性能優(yōu)劣，直接影響其他電氣性能的發(fā)揮，是整車性能好壞的決定性因素之一。
1 組成
結(jié)構(gòu)組成
VCU，結(jié)構(gòu)上，由金屬殼體和一組PCB線路板組成。
硬件組成
功能上由主控芯片及其周邊的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、預(yù)留接口電路和電源模塊組成最小系統(tǒng)。
在最小系統(tǒng)以外，一般還配備數(shù)字信號(hào)處理電路，模擬信號(hào)處理電路，頻率信號(hào)處理電路，通訊接口電路（包括CAN通訊接口和RS232通訊接口）
2 各電氣與VCU之間是怎樣工作的
一些用于監(jiān)測車體自身狀態(tài)的信號(hào)或者車載部件中比較重要的開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)和頻率信號(hào)，由傳感器直接傳遞給VCU，而不通過CAN總線。
電動(dòng)汽車上的其他具有獨(dú)立系統(tǒng)的電氣，一般通過共用CAN總線的方式進(jìn)行信息傳遞。
2.1 直接傳遞的信號(hào)們
這里所說的開關(guān)信號(hào)包括：鑰匙信號(hào)，檔位信號(hào)，充電開關(guān)，制動(dòng)信號(hào)等；
模擬信號(hào)一般有：加速踏板信號(hào)，制動(dòng)踏板信號(hào)，電池電壓信號(hào)等；
頻率信號(hào)，比如車速傳感器的電磁信號(hào)。
輸出的開關(guān)量，動(dòng)力電池供電回路上的接觸器和預(yù)充繼電器，在一些車型上，由VCU負(fù)責(zé)控制。
2.2 通過CAN交互的電氣單元
CAN總線上的通訊參與者地位不分主從，隨時(shí)隨地向總線發(fā)動(dòng)信息。信息之間的先后順序由發(fā)出信息者的優(yōu)先級(jí)確定。優(yōu)先級(jí)在通訊協(xié)議中已經(jīng)做出規(guī)定，每條信息里都有發(fā)信者的地址編碼；
通訊中的信息編碼，都有相應(yīng)的通訊協(xié)議予以明確規(guī)定。誰發(fā)出什么樣的代碼提供哪些類型的信息，主要依據(jù)是供需雙方的約定。比如下面表格中的電氣單元地址編碼，就是來自一份整車廠與VCU供應(yīng)商的技術(shù)協(xié)議。
CAN故障記錄，是維修調(diào)試人員最好的小幫手。下圖是通訊協(xié)議中對(duì)故障代碼的規(guī)定，常見的故障類型都位列其中，只要對(duì)照協(xié)議表格，大家都可以讀懂故障記錄了。
比較例外的是充換電相關(guān)的系統(tǒng)，由于通用性的強(qiáng)烈需求，通訊協(xié)議需要統(tǒng)一，有國家標(biāo)準(zhǔn)予以統(tǒng)一編碼（下文列舉了相關(guān)國標(biāo)）。
2.2.1 VCU與動(dòng)力電池系統(tǒng)
動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車動(dòng)力的唯一來源。VCU與電池管理系統(tǒng)（BMS）通過整車CAN總線進(jìn)行信息交互。
動(dòng)力電池包實(shí)時(shí)監(jiān)測并上報(bào)給VCU參數(shù)包括：總電流，總電壓，最高單體電壓，最低單體電壓，最高溫度，電池包荷電狀態(tài)SOC（State of Charge），某些系統(tǒng)還監(jiān)測電池包健康狀態(tài)SOH（State of Health）。
VCU發(fā)送給電池包的命令包括充電，放電和開關(guān)指令。
充電，在最初的充電連接信號(hào)確認(rèn)后，整車處于禁止行車狀態(tài)，VCU交出控制權(quán)。整個(gè)充電過程由電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電機(jī)共同完成，直至充電完成或者充電中斷，車輛控制權(quán)重新回到VCU手中。
放電，VCU根據(jù)駕駛員意圖，推算出車輛的功率需求，換算成電流需求，發(fā)送給BMS。BMS根據(jù)自身SOC，溫度和系統(tǒng)設(shè)計(jì)閾值，確定提供的電流值。
當(dāng)熱管理系統(tǒng)需要使用電池包以外的資源時(shí)，需要電池包與VCU協(xié)調(diào)處理讓管理過程，比如壓縮機(jī)系統(tǒng)，冷卻液循環(huán)系統(tǒng)等的開啟關(guān)閉。如果熱管理過程只涉及電池包內(nèi)部電氣，比如開啟內(nèi)置的PTC、加熱膜加熱，或者開啟風(fēng)扇降溫，則信息只在電池包內(nèi)部處理即可，不需要與VCU溝通。
開關(guān)指令，在充放電開始之前，VCU控制整車強(qiáng)電系統(tǒng)是否上電，通過控制電池包的主回路接觸器實(shí)現(xiàn)。在車輛運(yùn)行過程中，遇到突發(fā)狀況，VCU酌情判斷是否閉合或者斷開主回路接觸器。
2.2.2 VCU與電機(jī)及其控制器
VCU向電機(jī)控制器發(fā)送的指令，包含三個(gè)部分的描述，電機(jī)使能信息、電機(jī)模式信息（再生制動(dòng)，正向驅(qū)動(dòng)，反向驅(qū)動(dòng)）以及相應(yīng)模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
電機(jī)控制器向VCU上報(bào)電機(jī)和控制器的各種參數(shù)及故障報(bào)警信息，主要參數(shù)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)電壓和電流。
2.2.3 VCU與充電系統(tǒng)
充電系統(tǒng)包括車載充電機(jī)，非車載充電機(jī)，廣義上還包含換電系統(tǒng)。充換電系統(tǒng)（這里的“充”主要是指非車載充電機(jī)），出于最大通用性的考量，需要一套統(tǒng)一的通訊協(xié)議。下列國標(biāo)都是目前的最新版本。
GBT 27930-2015 電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議
GB∕T 32895-2016 電動(dòng)汽車快換電池箱通信協(xié)議
GBT 32896-2016 電動(dòng)汽車動(dòng)力倉總成通信協(xié)議
標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定了充電流程，包括具體的通訊編碼，通訊語句的內(nèi)容。
以充電槍與車輛上的充電接口的物理連接為開端，整個(gè)充電過程中的信息互換都在電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)之間進(jìn)行，不再通過VCU。
2.2.4 VCU與制動(dòng)系統(tǒng)
采用復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車，需要綜合考慮液壓制動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)制動(dòng)和防抱死系統(tǒng)（ABS）的協(xié)調(diào)一致性，進(jìn)而需要有自己的管理系統(tǒng)，稱為制動(dòng)管理系統(tǒng)（BCU）。BCU可以獨(dú)立于VCU之外，只通過CAN通訊，也可以把功能集成到VCU內(nèi)部。
根據(jù)制動(dòng)踏板的開度和開度變化的速度，VCU計(jì)算出車輛的制動(dòng)需求力矩，傳遞給BCU。BCU根據(jù)車輛的具體狀態(tài)做出具體力矩分配。
車速中等的一般制動(dòng)，直接切入電機(jī)能量回饋制動(dòng)，以最大數(shù)量的回收制動(dòng)能量；
車速高，駕駛員急踩踏板，需要緊急制動(dòng)。則BCU會(huì)首先啟動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，待減速狀態(tài)穩(wěn)定以后，再引入能量回饋制動(dòng)，并逐漸加大比例。
行駛在冰雪路面，BCU則會(huì)引入ABS，并將其優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高，以車輛正常安全行駛為要。
2.2.5 VCU與智能儀表
電動(dòng)汽車儀表盤，結(jié)合傳統(tǒng)車原來的布置，國標(biāo)GB/T 19836-2005 對(duì)顯示內(nèi)容提出了要求，如下表所示。
智能儀表，高端和低端的原理區(qū)別比較大。我們只以其中一種形式為例。
儀表系統(tǒng)通過CAN總線與VCU相連，從VCU獲取需要顯示的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)儀表控制器以后，信號(hào)處理電路，將信息還原成各個(gè)儀表的顯示內(nèi)容。
上一代的指針式儀表，需要以步進(jìn)電機(jī)為媒介，把獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)表針旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。稍微先進(jìn)一點(diǎn)的液晶顯示器，則不需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)這個(gè)過程，直接通過信息處理，即可在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。下面是一個(gè)智能儀表硬件設(shè)計(jì)框圖，僅供獲得感性認(rèn)識(shí)。
3 典型工況詳述
VCU作為車輛的核心，控制和監(jiān)測著車輛的每一個(gè)動(dòng)作。車輛的控制過程，就是針對(duì)不同的運(yùn)行模式，對(duì)關(guān)切的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較。參數(shù)屬于哪個(gè)范圍，汽車就執(zhí)行怎樣的運(yùn)行模式。
車輛工作模式，一般的劃分法：空檔模式、正常驅(qū)動(dòng)模式、制動(dòng)模式、失效保護(hù)模式、起步模式和充電模式。
下面按照車輛的不同運(yùn)行模式，粗略講述它的工作過程。
3.1起步模式
這個(gè)模式的最重要特點(diǎn)是，進(jìn)入起步模式以后，如果車輛處于水平路面，則車輛會(huì)以較小的速度開始行使；如果車輛處于斜坡上，則車輛至少會(huì)維持住原地不動(dòng)的狀態(tài)。這是起步模式的特殊設(shè)計(jì)，該模式下，不必踩踏加速踏板，電機(jī)自動(dòng)輸出一個(gè)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩，防止溜車。
3.2正常驅(qū)動(dòng)模式
指車輛處于正常運(yùn)行狀態(tài)，包括加速，減速，倒車。這個(gè)過程中，VCU持續(xù)監(jiān)測各個(gè)電氣系統(tǒng)電流，電壓，溫度等參數(shù)，以及車輛自身的車速，滑移率等等行車參數(shù)。識(shí)別駕駛員意圖，按照加速踏板的開度和開度變化率，計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電池的輸出功率。
3.3制動(dòng)模式
制動(dòng)踏板被踩下，起動(dòng)制動(dòng)模式。VCU分析制動(dòng)踏板的開度和開度變化率以及車速，結(jié)合車輛自身的車型參數(shù)，推算制動(dòng)力矩。指揮制動(dòng)控制器，做出最合理的制動(dòng)力矩分配方案（提供制動(dòng)力矩的主體包括液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)回收制動(dòng)），以及是否優(yōu)先啟動(dòng)ABS主導(dǎo)制動(dòng)過程。安全有效的實(shí)現(xiàn)駕駛員的制動(dòng)意圖。
3.4 失效保護(hù)模式
電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中，把系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的故障定義成幾個(gè)等級(jí)。
故障等級(jí)最低的，一般只是提示駕駛員。比如電池溫度達(dá)到50°C；
故障等級(jí)最高的，會(huì)強(qiáng)制車輛在一個(gè)比較小的時(shí)間內(nèi)停車，比如檢測出了系統(tǒng)絕緣故障。
而介于之間的故障，不會(huì)強(qiáng)制停車，但會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行限制。比如電池電量SOC低于30%，限速行駛。此時(shí)的動(dòng)力電池系統(tǒng)，已經(jīng)無法輸出額定功率，而只能以一個(gè)較小的功率工作。
3.5 空檔模式
電機(jī)與車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)之間沒有機(jī)械連接，電機(jī)處于懸空狀態(tài)，不會(huì)向外輸出任何轉(zhuǎn)矩。
3.6 充電模式
充電槍與車輛充電插座物理連接確認(rèn)后，輔助電源上電，相互發(fā)送握手報(bào)文并完成絕緣檢測。
握手完成，進(jìn)行參數(shù)確認(rèn)。充電機(jī)發(fā)送充電機(jī)最大輸出能力報(bào)文，BMS確認(rèn)，是否可以以最大能力充電，若不可，則發(fā)送電池包的最大接受能力。
進(jìn)入正式充電階段，在此過程中，充電機(jī)和BMS實(shí)時(shí)互相發(fā)送狀態(tài)信息，BMS周期性發(fā)送需求參數(shù)。
充電結(jié)束，其判別條件根據(jù)BMS的不同設(shè)置而有所不同，一般做法，充電最后恒壓階段，電流衰減到一個(gè)設(shè)定值或者設(shè)定的倍率，即認(rèn)為電池包已經(jīng)充滿，充電過程可以結(jié)束。
過程中，任何一方發(fā)生故障，比如過溫、過流等，充電機(jī)都會(huì)發(fā)出報(bào)警，根據(jù)故障等級(jí)的不同，有的直接終止，有的等待人為處理。
5 開發(fā)過程
在汽車行業(yè)，V模式開發(fā)已經(jīng)是一個(gè)公認(rèn)的高效模式，VCU的開發(fā)過程，一般也會(huì)遵循這個(gè)過程。下面是一幅通用的V模式開發(fā)流程圖。
V模式開發(fā)，其理念就是通過協(xié)同合作，使得軟件設(shè)計(jì)達(dá)到高效與高質(zhì)兼得的目的。模型的水平方向，強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證的及時(shí)性和適用性。通用的經(jīng)驗(yàn)，在“V”字的最下面，比較基礎(chǔ)的工作，采用白盒測試，越往上，系統(tǒng)越復(fù)雜，傾向于向黑盒測試過度。
具體整車控制器的開發(fā)過程：
首先，根據(jù)提煉的需求，建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行模型仿真；
然后，將模型數(shù)據(jù)下載到快速原型中，用硬件接口替代原來模型中的邏輯接口；
下一步，利用專業(yè)軟件，生成C代碼，與底層程序集成后，通過接口程序下載到整車控制器硬件中，準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)試。這個(gè)過程中，每個(gè)功能模塊會(huì)分別進(jìn)行調(diào)試；
接下來，硬件在環(huán)仿真測試，利用模擬器模擬車輛運(yùn)行環(huán)境，對(duì)VCU進(jìn)行功能測試；
最后，VCU裝車，實(shí)車測評(píng)，完成通訊協(xié)議標(biāo)定。測評(píng)通過后，得到產(chǎn)品的第一個(gè)版。
6 主要廠家
純電動(dòng)汽車整車控制器，各大汽車電子零部件巨頭是國外廠商主體，如德爾福、大陸、博世集團(tuán)等。
國內(nèi)，稍具規(guī)模的車企，都傾向于自行研發(fā)整車控制器，像比亞迪、長安、上汽、宇通、金龍等，都是自己配套。除此以外的主要VCU供應(yīng)商還有一些電機(jī)廠家，如大洋電機(jī)，方正電機(jī)，匯川技術(shù)等。
整車控制器，主控芯片性能和系統(tǒng)集成度，是國內(nèi)廠商提升性能的主要瓶頸。 |
