全面解读电动汽车整车控制器技术

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整车控制器(VCU),电动汽车的大脑,相当于电脑的Windows,手机的Andrio。作为电动汽车上全部电气的运行平台,它的性能优劣,直接影响其他电气性能的发挥,是整车性能好坏的决定性因素之一。

1 组成

结构组成

VCU,结构上,由金属壳体和一组PCB线路板组成。

硬件组成

功能上由主控芯片及其周边的时钟电路、复位电路、预留接口电路和电源模块组成最小系统。

在最小系统以外,一般还配备数字信号处理电路,模拟信号处理电路,频率信号处理电路,通讯接口电路(包括CAN通讯接口和RS232通讯接口)

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2 各电气与VCU之间是怎样工作的

一些用于监测车体自身状态的信号或者车载部件中比较重要的开关信号、模拟信号和频率信号,由传感器直接传递给VCU,而不通过CAN总线。

电动汽车上的其他具有独立系统的电气,一般通过共用CAN总线的方式进行信息传递。

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2.1 直接传递的信号们

这里所说的开关信号包括:钥匙信号,档位信号,充电开关,制动信号等;

模拟信号一般有:加速踏板信号,制动踏板信号,电池电压信号等;

频率信号,比如车速传感器的电磁信号。

输出的开关量,动力电池供电回路上的接触器和预充继电器,在一些车型上,由VCU负责控制。

2.2 通过CAN交互的电气单元

CAN总线上的通讯参与者地位不分主从,随时随地向总线发动信息。信息之间的先后顺序由发出信息者的优先级确定。优先级在通讯协议中已经做出规定,每条信息里都有发信者的地址编码;

通讯中的信息编码,都有相应的通讯协议予以明确规定。谁发出什么样的代码提供哪些类型的信息,主要依据是供需双方的约定。比如下面表格中的电气单元地址编码,就是来自一份整车厂与VCU供应商的技术协议。

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CAN故障记录,是维修调试人员最好的小帮手。下图是通讯协议中对故障代码的规定,常见的故障类型都位列其中,只要对照协议表格,大家都可以读懂故障记录了。

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比较例外的是充换电相关的系统,由于通用性的强烈需求,通讯协议需要统一,有国家标准予以统一编码(下文列举了相关国标)。

2.2.1 VCU与动力电池系统

动力电池是纯电动汽车动力的唯一来源。VCU与电池管理系统(BMS)通过整车CAN总线进行信息交互。

动力电池包实时监测并上报给VCU参数包括:总电流,总电压,最高单体电压,最低单体电压,最高温度,电池包荷电状态SOC(State of Charge),某些系统还监测电池包健康状态SOH(State of Health)。

VCU发送给电池包的命令包括充电,放电和开关指令。

充电,在最初的充电连接信号确认后,整车处于禁止行车状态,VCU交出控制权。整个充电过程由电池管理系统(BMS)和充电机共同完成,直至充电完成或者充电中断,车辆控制权重新回到VCU手中。

放电,VCU根据驾驶员意图,推算出车辆的功率需求,换算成电流需求,发送给BMS。BMS根据自身SOC,温度和系统设计阈值,确定提供的电流值。

当热管理系统需要使用电池包以外的资源时,需要电池包与VCU协调处理让管理过程,比如压缩机系统,冷却液循环系统等的开启关闭。如果热管理过程只涉及电池包内部电气,比如开启内置的PTC、加热膜加热,或者开启风扇降温,则信息只在电池包内部处理即可,不需要与VCU沟通。

开关指令,在充放电开始之前,VCU控制整车强电系统是否上电,通过控制电池包的主回路接触器实现。在车辆运行过程中,遇到突发状况,VCU酌情判断是否闭合或者断开主回路接触器。

2.2.2 VCU与电机及其控制器

VCU向电机控制器发送的指令,包含三个部分的描述,电机使能信息、电机模式信息(再生制动,正向驱动,反向驱动)以及相应模式下的电机转矩;

电机控制器向VCU上报电机和控制器的各种参数及故障报警信息,主要参数包括电机转速,电机转矩,电机电压和电流。

2.2.3 VCU与充电系统

充电系统包括车载充电机,非车载充电机,广义上还包含换电系统。充换电系统(这里的“充”主要是指非车载充电机),出于最大通用性的考量,需要一套统一的通讯协议。下列国标都是目前的最新版本。

GBT 27930-2015 电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议

GB∕T 32895-2016 电动汽车快换电池箱通信协议

GBT 32896-2016 电动汽车动力仓总成通信协议

标准统一规定了充电流程,包括具体的通讯编码,通讯语句的内容。

以充电枪与车辆上的充电接口的物理连接为开端,整个充电过程中的信息互换都在电池管理系统和充电机之间进行,不再通过VCU。

2.2.4 VCU与制动系统

采用复合制动系统的电动汽车,需要综合考虑液压制动系统,电机制动和防抱死系统(ABS)的协调一致性,进而需要有自己的管理系统,称为制动管理系统(BCU)。BCU可以独立于VCU之外,只通过CAN通讯,也可以把功能集成到VCU内部。

根据制动踏板的开度和开度变化的速度,VCU计算出车辆的制动需求力矩,传递给BCU。BCU根据车辆的具体状态做出具体力矩分配。

车速中等的一般制动,直接切入电机能量回馈制动,以最大数量的回收制动能量;

车速高,驾驶员急踩踏板,需要紧急制动。则BCU会首先启动液压制动系统,待减速状态稳定以后,再引入能量回馈制动,并逐渐加大比例。

行驶在冰雪路面,BCU则会引入ABS,并将其优先级设置为最高,以车辆正常安全行驶为要。

2.2.5 VCU与智能仪表

电动汽车仪表盘,结合传统车原来的布置,国标GB/T 19836-2005 对显示内容提出了要求,如下表所示。

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智能仪表,高端和低端的原理区别比较大。我们只以其中一种形式为例。

仪表系统通过CAN总线与VCU相连,从VCU获取需要显示的数据。数据传输进仪表控制器以后,信号处理电路,将信息还原成各个仪表的显示内容。

上一代的指针式仪表,需要以步进电机为媒介,把获得的数据转化成驱动表针旋转的动力。稍微先进一点的液晶显示器,则不需要驱动步进电机这个过程,直接通过信息处理,即可在显示屏上实时显示。下面是一个智能仪表硬件设计框图,仅供获得感性认识。

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3 典型工况详述

VCU作为车辆的核心,控制和监测着车辆的每一个动作。车辆的控制过程,就是针对不同的运行模式,对关切的几个参数进行比较。参数属于哪个范围,汽车就执行怎样的运行模式。

车辆工作模式,一般的划分法:空档模式、正常驱动模式、制动模式、失效保护模式、起步模式和充电模式。

下面按照车辆的不同运行模式,粗略讲述它的工作过程。

3.1起步模式

这个模式的最重要特点是,进入起步模式以后,如果车辆处于水平路面,则车辆会以较小的速度开始行使;如果车辆处于斜坡上,则车辆至少会维持住原地不动的状态。这是起步模式的特殊设计,该模式下,不必踩踏加速踏板,电机自动输出一个基础转矩,防止溜车。

3.2正常驱动模式

指车辆处于正常运行状态,包括加速,减速,倒车。这个过程中,VCU持续监测各个电气系统电流,电压,温度等参数,以及车辆自身的车速,滑移率等等行车参数。识别驾驶员意图,按照加速踏板的开度和开度变化率,计算电机的驱动转矩和电池的输出功率。

3.3制动模式

制动踏板被踩下,起动制动模式。VCU分析制动踏板的开度和开度变化率以及车速,结合车辆自身的车型参数,推算制动力矩。指挥制动控制器,做出最合理的制动力矩分配方案(提供制动力矩的主体包括液压制动系统和电机回收制动),以及是否优先启动ABS主导制动过程。安全有效的实现驾驶员的制动意图。

3.4 失效保护模式

电动汽车运行过程中,把系统内出现的故障定义成几个等级。

故障等级最低的,一般只是提示驾驶员。比如电池温度达到50°C;

故障等级最高的,会强制车辆在一个比较小的时间内停车,比如检测出了系统绝缘故障。

而介于之间的故障,不会强制停车,但会对车辆的运行状态进行限制。比如电池电量SOC低于30%,限速行驶。此时的动力电池系统,已经无法输出额定功率,而只能以一个较小的功率工作。

3.5 空档模式

电机与车辆的传动系统之间没有机械连接,电机处于悬空状态,不会向外输出任何转矩。

3.6 充电模式

充电枪与车辆充电插座物理连接确认后,辅助电源上电,相互发送握手报文并完成绝缘检测。

握手完成,进行参数确认。充电机发送充电机最大输出能力报文,BMS确认,是否可以以最大能力充电,若不可,则发送电池包的最大接受能力。

进入正式充电阶段,在此过程中,充电机和BMS实时互相发送状态信息,BMS周期性发送需求参数。

充电结束,其判别条件根据BMS的不同设置而有所不同,一般做法,充电最后恒压阶段,电流衰减到一个设定值或者设定的倍率,即认为电池包已经充满,充电过程可以结束。

过程中,任何一方发生故障,比如过温、过流等,充电机都会发出报警,根据故障等级的不同,有的直接终止,有的等待人为处理。

5 开发过程

在汽车行业,V模式开发已经是一个公认的高效模式,VCU的开发过程,一般也会遵循这个过程。下面是一幅通用的V模式开发流程图。

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V模式开发,其理念就是通过协同合作,使得软件设计达到高效与高质兼得的目的。模型的水平方向,强调验证的及时性和适用性。通用的经验,在“V”字的最下面,比较基础的工作,采用白盒测试,越往上,系统越复杂,倾向于向黑盒测试过度。

具体整车控制器的开发过程:

首先,根据提炼的需求,建立数学模型,并进行模型仿真;

然后,将模型数据下载到快速原型中,用硬件接口替代原来模型中的逻辑接口;

下一步,利用专业软件,生成C代码,与底层程序集成后,通过接口程序下载到整车控制器硬件中,准备进行调试。这个过程中,每个功能模块会分别进行调试;

接下来,硬件在环仿真测试,利用模拟器模拟车辆运行环境,对VCU进行功能测试;

最后,VCU装车,实车测评,完成通讯协议标定。测评通过后,得到产品的第一个版。

6 主要厂家

纯电动汽车整车控制器,各大汽车电子零部件巨头是国外厂商主体,如德尔福、大陆、博世集团等。

国内,稍具规模的车企,都倾向于自行研发整车控制器,像比亚迪、长安、上汽、宇通、金龙等,都是自己配套。除此以外的主要VCU供应商还有一些电机厂家,如大洋电机,方正电机,汇川技术等。

整车控制器,主控芯片性能和系统集成度,是国内厂商提升性能的主要瓶颈。

【参考】

纯电动汽车整车控制系统研究和设计

电动汽车复合制动系统研究现状综述

纯电动汽车整车控制策略