純電動汽車學(xué)習(xí)入門(九)
——整車控制系統(tǒng)(上)

◆文/北京 李玉茂

(接上期)

一、概述

1.整車控制系統(tǒng)

整車控制系統(tǒng)(VMS)是電動汽車的神經(jīng)中樞，承擔(dān)了各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、信息傳遞、動力電池能量管理、駕駛?cè)艘鈭D解析、安全監(jiān)控、故障診斷等作用，對電動汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性等有很大的影響。整車控制系統(tǒng)分成三大子系統(tǒng)，如圖1所示，包括低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。圖中弱電控制部件稱作ECU(ECM)，強(qiáng)電控制部件稱作控制器。

(1)低壓電氣系統(tǒng)

主要由12V電池、低壓線路、點(diǎn)火開關(guān)、繼電器、電動水泵、電動制動真空泵、電動助力轉(zhuǎn)向器、ICM(組合儀表)等組成。作用是為各電子控制單元、各高壓部件控制器、各12V電動輔助設(shè)備供電。

(2)高壓電氣系統(tǒng)

主要由動力電池、驅(qū)動電機(jī)、MCU(驅(qū)動電機(jī)控制器)、OBC(車載充電機(jī))、DC/DC變換器、空調(diào)壓縮機(jī)、壓縮機(jī)控制器、PTC、PTC控制器等組成。作用是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，或者整流、逆變、直流電壓變換。

(3)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

主要由VCU(整車控制單元)、BMS(電池管理系統(tǒng))、RMS(遠(yuǎn)程通信終端)、網(wǎng)關(guān)、CAN總線等組成。作用是控制低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)。

2.整車控制單元

(1)VCU基本作用

整車控制單元英文縮寫VCU，英文全稱Vehicle Controller Unit，如圖2所示。VCU是整車控制系統(tǒng)的核心部件，VCU接收加速踏板、制動踏板、車速和剩余電量等信息，通過網(wǎng)絡(luò)綜合控制驅(qū)動車所需要的工作部件，屬于整個車輛的管理協(xié)調(diào)型控制部件。

(2)VCU分層管理

VCU的組成包括微處理器、電源及保護(hù)電路模塊、I/O接口和調(diào)試模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線通訊模塊等，根據(jù)信號重要程度和實(shí)現(xiàn)次序，運(yùn)算分為四層，如圖3所示。

①數(shù)據(jù)交換管理層，接收CAN總線信息，對饋入VCU的物理量進(jìn)行采集處理，并通過CAN總線發(fā)送控制指令，通過I/O接口提供對顯示單元和繼電器等的驅(qū)動信號，該層的功能是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)和前提。

②安全故障管理層，對于集成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，檢測出故障后做出相應(yīng)的處理，在保證車輛安全的條件下，給出部件可使用的工作范圍，以盡可能滿足駕駛意圖。

③駕駛?cè)艘鈭D解釋層，對采集到的駕駛?cè)瞬僮餍畔⑦M(jìn)行分析處理，并計算出驅(qū)動系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和車輛行駛的需求功率。

④能量流管理層，在多個能量源之間進(jìn)行需求功率分配。

(3)VCU的演變

北汽新能源EV系列、EC系列、EX200、EX360、EU系列(除EU5)、LITE，整車控制功能均由VCU負(fù)責(zé)。北汽新能源EX3、EX5、EU5取消VCU，整車控制功能由電機(jī)控制器MCU、動力電池控制模塊BMS分別負(fù)責(zé)。

3.CAN總線系統(tǒng)

電動車各車型設(shè)計的CAN子系統(tǒng)個數(shù)和控制單元組合不盡相同，某車型CAN網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，具有動力CAN系統(tǒng)、底盤CAN系統(tǒng)、車身CAN系統(tǒng)。動力CAN系統(tǒng)、底盤CAN系統(tǒng)是高速CAN，傳遞速率500bit/s；車身CAN系統(tǒng)是中速CAN，傳遞速率125bit/s。

①動力CAN系統(tǒng)，協(xié)調(diào)MCU、BMS、DC/DC、壓縮機(jī)控制器相互通信，BMS與OBC之間設(shè)有慢充CAN總線。

②底盤CAN系統(tǒng)，協(xié)調(diào)ABS/ESP、EPS、安全氣囊ECU相互通信，ABS/ESP帶有兩個從控制單元，既轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、偏航傳感器，電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP利用這兩個信號。

③車身CAN系統(tǒng)，協(xié)調(diào)BCU、儀表ECU、空調(diào)ECU、導(dǎo)航ECU相互通信，BCU作為主控單元，通過LIN總線連接座椅加熱模塊、開關(guān)模塊、倒車?yán)走_(dá)模塊、天窗模塊4個從控制單元。導(dǎo)航ECU作為主控單元，通過LIN總線連接DVD顯示器。

二、VCU的功能

不同車型對VCU設(shè)計的工作任務(wù)不相同，VCU的一般功能見表1。

1.駕駛?cè)艘鈭D解釋

主要是對駕駛?cè)瞬僮餍畔⒓翱刂泼钸M(jìn)行分析處理，也就是將駕駛?cè)说募铀偬ぐ逦恢眯盘柡椭苿犹ぐ逦恢眯盘柛鶕?jù)某種規(guī)則，轉(zhuǎn)化成電機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩命令。因而驅(qū)動電機(jī)對駕駛?cè)瞬僮鞯捻憫?yīng)性能，完全取決于整車控制的加速踏板解釋結(jié)果，直接影響駕駛?cè)说目刂菩Ч筒僮鞲杏X。

2.換擋控制

擋位管理關(guān)系到駕駛安全，VCU正確理解駕駛?cè)艘鈭D，識別車輛合理的擋位。在基于模型開發(fā)的擋位管理模塊中得到很好的優(yōu)化，能在出現(xiàn)故障時做出相應(yīng)處理保證整車安全，在駕駛?cè)顺霈F(xiàn)誤操作擋位時通過儀表等提示駕駛?cè)耍柜{駛?cè)四苎杆僮龀黾m正，如圖5所示。

3.驅(qū)動控制

根據(jù)駕駛?cè)藢囕v的操縱輸入(加速踏板、制動踏板、電子換擋器)、車輛狀態(tài)、道路及環(huán)境狀況，經(jīng)分析和處理，VCU發(fā)出相應(yīng)的指令，控制電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動車輛，以滿足駕駛?cè)藢囕v驅(qū)動的動力性要求。同時根據(jù)車輛狀態(tài)，VCU發(fā)出相應(yīng)指令，保證安全性、舒適性。

4.制動能量回饋控制

VCU根據(jù)加速踏板和制動踏板的位置、車輛行駛狀態(tài)信息以及動力電池的狀態(tài)信息(如SOC值)，來判斷某一時刻能否進(jìn)行制動能量回饋。在滿足安全性能、制動性能以及駕駛?cè)耸孢m性的前提下，回收部分能量，包括滑行制動和踩制動踏板，制動過程中的電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩控制。

VCU根據(jù)加速踏板和制動踏板信號，制動能量回收可以分為兩個階段，兩個階段能量回收的脈譜圖不一樣，如圖6所示。階段1脈譜圖是車輛行駛中，駕駛?cè)朔砰_加速踏板，沒有踩下制動踏板。階段2脈譜圖是車輛行駛中減速，駕駛?cè)藳]有踩加速踏板，踩下制動踏板。如果駕駛?cè)朔砰_加速踏板后立即踩下制動踏板，則能量回收直接進(jìn)入階段2。

制動能量回饋原則：能量回收制動不應(yīng)該干預(yù)ABS的工作；ABS進(jìn)行制動力調(diào)節(jié)時，制動能量回收不應(yīng)該工作；ABS報警時，制動能量回收不應(yīng)該工作；當(dāng)驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)有故障時，制動能量回收不應(yīng)該工作。

5.防溜車控制

電動汽車在坡上起步時，從放開制動踏板到踩下加速踏板的過程中，會出現(xiàn)車輛向后溜車的現(xiàn)象。在坡上行駛過程中，如果駕駛?cè)瞬燃铀偬ぐ宓纳疃炔粔颍囕v會出現(xiàn)車速逐漸降至0，然后向后溜車現(xiàn)象。為了防止電動汽車在坡上起步和運(yùn)行時向后溜車現(xiàn)象，在整車控制策略中增加了防溜車功能。防溜車功能可以保證車輛在坡上起步時，向后溜車小于10cm；在車輛上坡行駛過程中如果動力不足時，車速會慢慢降到0，然后保持停止?fàn)顟B(tài)，不再向后溜車。

6.充電過程控制

VCU與電池管理系統(tǒng)共同進(jìn)行充電過程中的充電功率控制，插入充電槍，VCU接收到充電信號后，應(yīng)該保證車輛在充電狀態(tài)下處于行車鎖止?fàn)顟B(tài)，并根據(jù)電池狀態(tài)信息限制充電功率，保護(hù)電池。

7.智能充電控制和電池均衡

有些車型具有智能充電系統(tǒng)(IBS)，例如北汽新能源EX3，在車輛停放期間，當(dāng)12V電池SOC低于73%，網(wǎng)絡(luò)自動喚醒，充電SOC到達(dá)93%自動停止。有些車型在慢充電結(jié)束后，VCU自動對電池單體進(jìn)行均衡。

8.高壓上下電控制

根據(jù)駕駛?cè)藢c(diǎn)火開關(guān)的控制，進(jìn)行動力電池的高壓繼電器開關(guān)控制，以完成高壓設(shè)備的電源通斷和預(yù)充電控制。高壓上下電流程處理，協(xié)調(diào)各相關(guān)部件的上電與下電流程，包括電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)等部件的供電，預(yù)充繼電器、主負(fù)繼電器及主正繼電器的吸合和斷開等。

9.整車能量優(yōu)化管理

如圖7所示，通過對高壓系統(tǒng)的動力電池、驅(qū)動電機(jī)、DC/DC、電動壓縮機(jī)、PTC，以及低壓系統(tǒng)的電動助力轉(zhuǎn)向、電動真空泵、空調(diào)系統(tǒng)、BCM(車身控制模塊)等的協(xié)調(diào)和管理，提高整車能量利用效率，延長續(xù)駛里程。

10.電動化輔助系統(tǒng)管理

驅(qū)動系統(tǒng)以外稱作電動化輔助系統(tǒng)，包括電動壓縮機(jī)(高壓供電)、電動助力轉(zhuǎn)向(12V供電)、電動真空助力泵(12V供電)。VCU根據(jù)動力電池以及低壓電池狀態(tài)，對電動化輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

11.車輛狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和顯示

VCU對車輛的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如圖8所示，并且將各個子系統(tǒng)的信息發(fā)送給車載信息顯示系統(tǒng)(儀表控制單元)，其過程是通過傳感器和CAN總線，檢測車輛狀態(tài)及其動力系統(tǒng)及相關(guān)電器附件、相關(guān)各子系統(tǒng)狀態(tài)信息，通過數(shù)字儀表顯示出來，如圖9、圖10所示。

12.故障診斷與處理

VCU連續(xù)監(jiān)視整車電控系統(tǒng)，根據(jù)傳感器的輸入及其他通過CAN總線通信得到的電機(jī)、電池、充電機(jī)等信息，對各種故障進(jìn)行判斷、等級分類、報警顯示、存儲故障碼，供維修時查看。故障處理方式分為：上報不處理、限功率、待機(jī)、禁止高壓上電、禁止充電、禁止行車制動能量回收、立即高壓下電。故障指示燈指示出故障類別和部分故障碼，VCU對故障分為三級并進(jìn)行處理，見表2。

13.CAN網(wǎng)絡(luò)管理

在整車CAN網(wǎng)絡(luò)管理中，VCU是信息控制的中心，具有信息的組織與傳輸、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(控制單元)的管理、信息優(yōu)先權(quán)的動態(tài)分配、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)故障的診斷與處理等功能。

14.CCP在線匹配標(biāo)定

CCP的中文是“通信控制處理機(jī)”，在網(wǎng)絡(luò)中使用是為了將通信功能從主機(jī)中分離出來，以減輕主機(jī)的負(fù)荷。CCP主要作用是監(jiān)控ECU工作變量、在線調(diào)整ECU的控制參數(shù)(包括MAP圖、曲線及點(diǎn)參數(shù))、保存標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果以及處理離線數(shù)據(jù)等。完整的標(biāo)定系統(tǒng)包括上位機(jī)PC標(biāo)定程序、PC與ECU通訊硬件連接及ECU標(biāo)定驅(qū)動程序3個部分。

15.遠(yuǎn)程查詢

用戶可以通過手機(jī)App實(shí)時查詢車輛狀態(tài)，實(shí)時了解自己愛車的狀況，包括剩余電量(SOC)值、續(xù)航里程等，如圖11所示。

(未完待續(xù))