純電動汽車整車控制策略*

翟世歡 辛明華 于蘭

（天津清源電動車輛有限責任公司）

目前，空氣污染不斷加重，霧霾天氣已影響到人們的生活，國家越來越意識到節能和環保的重要性。能源危機以及環境惡化2大問題亟待人類去解決。純電動汽車以零污染和零排放的優點受到人們的青睞，研發和推廣純電動汽車是緩解能源和環境危機的重要手段。純電動汽車作為新能源汽車的一個重要成員，飽含著國家對新能源汽車發展的期望[1]。文章從純電動汽車整車系統結構出發，著重闡述整車控制單元及相關控制策略，力求能對新能源汽車的研究和開發起拋磚引玉的作用[2]。

1 純電動汽車系統概述

1.1 純電動汽車系統結構組成

純電動汽車僅僅依靠動力電池組提供的電能作為動力源驅動電動機轉動，以此為整車提供動力。純電動汽車結構主要包括電機驅動系統、能源管理系統、整車控制單元、充電控制單元、電源變換裝置（DC/DC）及儀表顯示系統等。其基本結構，如圖1所示[3-4]。

電池及管理系統為整車的能量來源；電機及控制系統為整車提供動力；整車控制器（VCU）采集擋位信號和踏板信號等，控制電池的放電及電機的運行；充電機為電池組充電；電機控制系統將電池組的直流高壓電轉換成交流電驅動電機轉動，為整車提供動力；儀表為駕駛者提供車輛運行狀況信息。

1.2 純電動汽車整車控制器

VCU為純電動汽車的調度控制中心，負責與車輛其他部件進行通信，協調整車的運行。

VCU系統結構，如圖2所示。其主要包含電源電路、開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊及CAN通訊模塊。電源模塊從車載蓄電池取電，開關量輸入模塊接收的信號主要有鑰匙信號、擋位信號及制動開關信號等；開關量輸出信號主要是控制繼電器，其在不同整車系統中意義略有不同，一般情況下控制如水泵繼電器、風扇繼電器、EV繼電器及PTC繼電器等。模擬量輸入模塊采集加速踏板和制動踏板開度信號及蓄電池電壓信號等。CAN模塊負責與整車其他設備通信，主要設備有電機控制器（MCU）、電池管理系統（BMS）、顯示儀表、DC/DC模塊及充電機等[5]。

2 純電動汽車整車控制策略

VCU主要功能有：1）整車通信網絡管理；2）整車工作模式控制；3）接收駕駛員指令，輸出電機驅動扭矩；4）整車能量管理；5）監測和協調管理車上其他電器；6）系統狀態儀表顯示。

2.1 整車通信管理

根據圖1，整車系統通過CAN通信網絡將各個子控制系統連接在一起。整車系統通訊網絡結構圖，如圖3 所示[6]。

VCU通過CAN網絡接收BMS發送的電池各項信息，計算得出電機控制信息，并把此信息通過網絡發送到MCU端。當汽車充電時，BMS與充電機進行通信，控制充電機輸出所需的電壓和電流，完成充電功能。車載顯示系統獲取CAN網絡中的所需信息，并將其顯示給用戶。VCU起到協調管理整個通信網絡的功能，是各個子設備的通信服務端。

2.2 整車工作模式控制

VCU工作模式，如圖4所示[7]。

2.2.1 充電模式

通過打開充電門，VCU被觸發上電。在檢測到充電連接信號后，VCU啟動BMS，然后BMS與充電機進行通信，啟動充電過程，VCU持續監測BMS的報文信息。充電過程出現故障時，VCU會及時切斷BMS繼電器，以中斷充電過程，防止發生危險事故。

2.2.2 上電模式

駕駛員打開鑰匙開關，VCU觸發上電，首先進行系統自檢，然后閉合BMS繼電器，控制電池系統上電，最后控制電機預充電過程，使電機系統上電。當整車所有設備都正常啟動后，系統進入READY狀態，指示可以進行正常駕駛操作。

2.2.3 行車模式

系統完成正常上電后，VCU采集來自駕駛人員的控制信號（擋位信號、加速踏板及制動踏板信號等），并根據系統的限制條件，經算法運算向MCU輸出驅動扭矩，控制汽車的運行。

2.2.4 制動模式

相比傳統燃油車，電動汽車的制動過程可以實現能量回收。當電動汽車處于制動狀態時，VCU通過狀態數據采集，推算所需的制動扭矩。此時驅動電機從工作模式轉換為發電機模式向電池組充電。

2.2.5 故障模式

整車故障一般分為2級（1級故障和2級故障）。故障來自于VCU，BMS，MCU及DC/DC變換器等終端設備。這里定義1級故障為嚴重故障，2級故障為一般故障。整車系統出現2級故障時，汽車進入跛行故障模式，主要以限制系統輸出功率的方式實現。整車系統出現1級故障時，整車系統進入緊急停止工作狀態。

2.2.6 停車模式

停車模式是整車運行過程中無故障出現，駕駛者正常關閉鑰匙，此模式中VCU控制電機和電池系統下電，然后控制各個附件設備關閉，完成自下電過程。

2.3 整車驅動系統控制

純電動車的整車驅動系統由電機和電機控制系統組成，并通過CAN總線方式與整車網絡通信。

1）VCU通過采集到的踏板開度信號和擋位信號，參考電池信息，經過轉矩計算，得出最后的扭矩信息。扭矩信息通過CAN總線由VCU發送到MCU，MCU收到相應的控制信號后，執行對應的動作。

2）電機控制系統包含轉矩控制方式和轉速控制方式。VCU通過所發送的控制模式選擇位來確定MCU的控制模式。

在轉矩控制模式下，VCU向MCU發送的信息為電機輸出轉矩值、電機運行方向及電機運轉模式等。在轉速控制模式下，VCU向MCU發送的信息變為電機輸出轉速值、電機運行方向及電機運轉模式等。

3）根據汽車的運行狀況，電機運轉模式分為電動模式和發電模式。電動模式下整車運行在驅動狀態，汽車屬于行駛狀態；發電模式下整車運行在滑行或制動狀態，實現制動能量的回饋。

4）電機控制系統在運行狀態下，MCU實時向VCU上報狀態信息和故障信息，并在系統出現故障時做出及時處理。VCU接收到MCU的各項信息后，會根據信息的內容對整車系統做出合理的控制。

5）MCU能夠提供的狀態信息有：電機轉速、電機轉矩、電機轉矩極限值、電機運行狀態、電機運轉模式、電機運行電流和電壓值、電機溫度信息、風扇運行狀態及水泵運行狀態等。MCU能夠提供的故障信息有：直流側電壓故障、IGBT故障、過流、散熱器過熱、超載及超速等。

2.4 整車能量優化控制

純電動汽車整車能量的唯一來源為電池組，被BMS有序管理。VCU通過總線與BMS通信[8]。

1）BMS能夠向VCU上報剩余電量信息、電池箱總電壓和總電流、電池系統溫度信息、電池輸出繼電器狀態、以及電池組最大放電電流、最大回充電流及故障報警信息等。

2）VCU根據汽車控制策略以及來自總線上的電池狀態和電機狀態信息以閉合或者斷開BMS的總正/負繼電器，完成高壓回路的閉合和斷開功能。

3）與傳統燃油車相比，電動汽車能夠實現制動能量回饋功能。當整車處于減速滑行或制動狀態時，VCU控制汽車產生再生制動力矩，使電機發電，并將電機發出的電能回充到蓄電池中，以實現有效的制動能量回收。

制動能量回收的程度由VCU通過收到的制動踏板開度、電池剩余電量及電機轉速等信息計算得到。當電機轉速較低時，制動回饋能量較低，隨著電機轉速增加，制動回饋能量也會相應增加；制動回饋程度隨制動深度的增加而增加；其他條件不變時，當電池剩余電量較高時，制動回饋程度會降低，反之會增加。

2.5 汽車狀態的顯示

VCU對汽車的狀態信息進行采集和處理，將重要的狀態和故障信息發送給儀表進行顯示，其顯示的主要內容有：車速信息、電機轉速、電池剩余電量、電機故障信息及電池故障信息等。

3 整車控制器開發流程

作為純電動汽車系統的核心部件，VCU的開發主要根據整車的控制需求以及性能指標進行，而且VCU開發過程中需要各種不同的測試試驗，而這些整車性能測試試驗耗時較長，因此整個開發過程需要引入仿真手段，以縮短VCU開發的周期。文章將開發流程分為整車系統分析計算、系統建模仿真、半實物硬件在環仿真、實車臺架及道路試驗4個階段[9]。

3.1 整車系統分析計算

VCU開發的最初階段，要分析系統的需求，包括整車系統的硬件結構組成和性能參數。分析系統的硬件結構組成，可以確定VCU相關接口的配置需求，進而確定VCU的硬件電路原理圖。整車系統的性能參數包括一般性參數、動力性參數及制動性能參數。這些參數的確定可以得出整車系統的續駛里程、動力性能及制動性能等數據，為VCU的仿真研究做好準備。

3.2 整車控制器系統建模仿真

由3.1節已經得到整車系統的各項參數指標，在仿真軟件中（如Cruise，Advisor）搭建系統的仿真模型，實現VCU的控制策略。仿真可以初步確定整車的續駛里程、最高車速及最大爬坡度等。

3.3 整車控制器半實物硬件在環系統仿真

經過軟件建模仿真后，VCU的硬件系統和控制策略基本確定。因此，可以據此設計VCU的硬件電路和相應控制策略，編寫VCU的軟件程序。

硬件在環仿真是在VCU硬件電路板和軟件程序已設計完成的前提下，對所設計的整車系統進行離線實物仿真的過程。

目前比較常用的是通過dSPACE設備搭建整車的硬件在環仿真系統。dSPACE設備通過板卡與PC機通訊，通過綜合試驗環境ControlDesk軟件實現部分控制信號的下發和仿真結果的實時顯示，并通過硬線接口與設計好的VCU連接。此外，一些控制信號（如擋位、加速踏板及制動踏板信號）亦可以通過硬線連接將信號輸入到dSPACE設備中。dSPACE在環仿真系統結構圖，如圖5所示。

3.4 實車臺架及道路試驗

VCU通過了硬件在環仿真后，便可以進入實測階段，實車測試分為臺架試驗和道路試驗。

測試過程首先需要進行臺架試驗，其主要目的是保證VCU進行后續道路試驗的安全性，減少系統出現故障的幾率，優化系統的控制參數。

臺架試驗設備包括VCU、電機系統及電池系統等，試驗主要驗證VCU硬件系統是否穩定，軟件控制策略和故障處理是否正確。

為了完全且真實的驗證VCU的性能指標，測試試驗還需要進行道路試驗。通過試驗結果，試驗者可以進一步優化驅動策略、制動回饋策略、能量管理策略及CAN通訊調度參數等。

4 結論

純電動汽車整車控制是系統以VCU為核心部件，電池、電機及充電系統為外圍輔助系統的一套完整的電控系統。純電動汽車整車控制策略究其根本就是VCU的策略，包括整車網絡管理、整車工作模式控制、驅動控制及能量管理等。而VCU的開發包括了系統分析、系統建模仿真驗證及實車驗證測試等。文章所論述的有關純電動汽車的控制策略及整車開發的流程是新能源汽車開發過程中必須考慮的，從實踐層面上對整車開發有一定的指導意義[10]。