【原】談談整車控制器的功能

Kuai2012 2022-05-30 發(fā)布于北京

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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，實現對電池系統(tǒng)、電驅系統(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的內部結構簡圖如2所示。

圖1 VCU的控制簡圖(來源知乎)

圖2 VCU內部簡圖(來源網絡)

詳細來說說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(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，在此基礎上，還有很嚴格的錯誤檢測機制，比如：

1.當兩路油門或者剎車信號的差值超過一定范圍，則認為是踏板開度不同步，報踏板故障；

2.當踏板傳感器的供電電壓不在正常范圍，報踏板故障；

3.當兩路信號電壓不在正常范圍時，報踏板故障；

4．當油門和制動踏板同時請求時，優(yōu)先響應制動踏板。

當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行處理，并且車輛進入跛行，點亮儀表盤上的故障燈。

03.

局域網內網絡管理

如圖1中，VCU負責局域網內控制器的上下電管理。當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，自檢通過后通過網絡管理報文或者是KL15硬線，將局域網的控制器節(jié)點進行喚醒。

下電過程則是，當VCU檢測到鑰匙信號OFF后，VCU首先停發(fā)網絡管理報文，等待局域網內其他各節(jié)點都停發(fā)網絡管理報文后，再一起停發(fā)應用報文，同步將進入下電休眠。

04.

車輛驅動管理

車輛驅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，達到節(jié)能經濟的目的。NORMAL通常為整車默認模式，能耗、車速都相對均衡，運動模式下通常是默認整車設計的最大功率輸入，提供強勁的動力表現。

這些控制都是通過油門開度與不同的扭矩響應來達到的，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，映射表中的對應值更高，也就意味著響應更加快速，動力來的更加澎湃。

VCU給電驅總成的扭矩請求值是根據三個值來確定的。

其中之一為VCU根據不同駕駛模式下，標定的map表中當前轉速對應的最大扭矩與油門開發(fā)的乘積。

第二個為BMS在當前條件下最大的輸出功率值。

第三個為當前轉速下電驅總成能輸出的最大扭矩值。

VCU根據這三個值，選擇其中最小的發(fā)送給電驅總成，進行扭矩響應。另外為了保證油門響應更加線性，在將扭矩請求值發(fā)送給電驅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，則動力響應偏慢，比較柔和，SPORT模式下扭矩變化率比較激進，扭矩變化率更大，動力響應快。

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)動機沒有啟動，車輛動不了一樣。

圖3 高壓系統(tǒng)電氣圖(來源知網)

高壓上下電需要滿足的原則：

1、避免車輛出現非預期的加速、減速、轉向等動作；

2、應避免因高壓故障引起人員傷亡及設備損壞；

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、遠程控制(例如遠程打開空調)，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內局域網內各ECU(通常包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)應完成上電流程，并進入工作模式。

在上電流程中，首先是VCU被喚醒(鑰匙喚醒、網絡喚醒、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)送的網絡管理報文或者IG ON信號喚醒)并進行自檢，監(jiān)控HVIL回路狀態(tài)，對于BMS來說還需計算絕緣阻值，確認絕緣是否正常，無故障后進入待機模式(standby狀態(tài))。

隨后VCU請求BMS閉合主繼電器，BMS則先后閉合主負繼電器和預充繼電器，當檢測到母線電壓達到閾值后，判斷預充電成功，然后閉合主正繼電器，并斷開預充繼電器，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進入工作模式，時序圖如圖2所示。

為什么要預充呢？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，直接拔電池不會有什么風險。但對高壓而言，直接接電池是不行的，有可能會產生較大的沖擊，燒壞功率器件。

預充是將預充電阻串聯到高壓回路中，由預充電阻分掉一部分電壓，然后，隨著各ECU內的電容充電上來，等到電壓上升到某一閾值，主正繼電器閉合，這樣預充回路就完成了它的工作了，如圖4。

圖4 高壓正常上電時序(來源知網)

在正常下電流程中，當檢測到鑰匙信號、硬線信號關閉或網絡喚醒信號停發(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完成響應后，VCU斷開HVIL回路和低壓繼電器，各節(jié)點進入下電休眠流程，如圖5所示。

圖5 高壓正常下點(來源知網)

在正常上電狀態(tài)下，如果出現絕緣阻值低于閾值、高壓互鎖斷開、IGBT過流等嚴重故障時，VCU會進行緊急下高壓電流程，首先VCU請求DC/DC脫離工作模式，DCU進入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 進入緊急放電模式， DCU在規(guī)定時間內完成余電泄放，若鑰匙為關閉狀態(tài)，則各節(jié)點進入休眠流程，如圖6所示。