整车控制器 VCU
艳阳高照

我是西安造大~大~大汽车的。
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VCU自检
能量回馈策略
优先由再生制动力矩提供
整车控制器最重要常见的几点技术标准

CAN 拓扑图，一般好几路CAN

整车控制器对于整车的控制分两种情况，一种是通过CAN总线通讯接口与相关被控对象进行指令与信息的传递；另一种是通过I/O接口直接控制。

加速踏板和制动踏板是纯电动车中最主要的输入信号，驾驶员通过对这两个踏板进行操作，将驾驶员的操作意图传递给车辆，然后电动车的动力电机必须根据驾驶员的操作意图输出驱动力矩或是制动力矩。因此，整车控制器要采集踏板信息，解析出驾驶员的操作意图，并将其转化为对动力电机的力矩输出需求。

此踏板输出电压信号时刻保持两倍关系，接收端以此判断接受到的电压信号是否准确
纯电动车以电机作为唯一的动力输出源，电机除了有电动机的功能外，还具有发电机的功能，当驾驶员的意图是驱动车辆前行时，电机就当电动机使用，当驾驶员的意图是对车辆进行减速，电机就可以当发电机使用，利用电动车的制动能量发电，同时能量存储在储能装置中，当满足一定条件时，将能量反充给动力电池组。在这个过程中，整车控制器根据加速踏板和制动踏板的开度，以及当前车速和动力电池的荷电状态(State Of Charge, SOC)来判断某一时刻是否进行制动能量回收，如果可以，整车控制器向电机控制器发出相关指令，回收部分制动能量。

在纯电动车中，动力电池是提供能量的唯一来源，电池除了给动力驱动系统供电以外，还需要给其他车载电控单元提供能量。 因此为了获得最大的车辆行驶里程，整车控制器将负责车辆的能量优化管理，以获得最佳的能量利用率。

整车控制器实时监测整车各个部分反馈到MCU的实时状态与参数，并将这些状态实时显示仪表盘上。同时，整车控制器判断这些状态与参数，如果产生故障，将故障显示到仪表盘上，并通过声、光等信息提醒驾驶员。

整车控制器连续监视整车电控系统，进行故障诊断，存储故障代码，供维修和例行检查时使用。根据故障内容，及时进行相应安全保护处理。对故障进行分级处理，对于一些小故障，能够维持车辆的最基本驾驶，保障车辆行驶到最近维修站进行维修。

VCU自检
在钥匙打在ACC档后，整车控制器上电，反之整车控制器下电，整车控制器只要工作就对控制系统进行自检。

VCU内核自检包括rom、 ram 、core chip、 slave chip。

输出引脚自检：

0 Short circuit fault to power supply 对电源短路故障

I Short circuit fault to ground 对地短路故障

2 Open circuit fault 断路故障

3 Overtemperature fault 过热故障

4 Power failure 电源故障

5 Load short circuit fault 负载短路故障

6 Overload fault 过载故障

7 Other faults 其他故障

ACC上电状态ACC_State_Flag=1,说明整车开关信号、模拟信号、can线信号正常，可进行下一步ON档的操作；否则，等待ACC_State_Flag置1；整车高压上电正常结束后，Drive_Enable_Flag=1置1；整车控制器的下电过程控制器本身参与，并在将需要保存的数据全部保存完毕后进行下电。

基本控制方式

整车驱动控制策略是负责整车的驱动力矩的输出，决定整车的动力性能。整车驱动控制策略的核心是根据驾驶员输入信号和当前车辆状态，经过一系列的判断和计算，给出电机驱动力矩，从而达到改变车辆运行状态，达到驾驶员期望的车速。 整车驱动力矩主要和加速踏板信号、加速踏板的加速度、制动踏板信号、电机转速、 电机温度、电池电压、电池电流、电池 SOC 值有关。

根据纯电动车的 PRND(Park, Reverse, Netural, Drive)四个档位，加速踏板和制动踏板信号，将电动汽车的运动状态分为五种运行模式，分别是：起车模式、正常驱动模式、失效保护模式、制动能量回馈模式和空档模式。整车控制器采集钥匙信号、加速踏板、制动踏板、档位信号和其他传感器信号，然后提取出有效值，整车控制策略通过对这些有效值判断、计算，选取相应的驱动模式，然后向电机控制器发送整车期望转矩指令。驱动使能标志位置一则进入整车驱动状态，它置一的条件是：钥匙打到 START 状态，整车控制器通过自检，电机控制器通过自检，电池管理系统通过自检，无严重故障，档位处于 R/N/D 档。然后整车控制器根据加速踏板、制动踏板、档位信号和车速分别进入对应的驱动状态。

电机在低速区（转速低于基速），电机具有恒转矩特性；在高速区（转速高于基速）电机具有恒功率特性。基于电机的这两个特性，在电机输出转矩 作为驱动力矩时可以分为恒转矩驱动控制和恒功率驱动控制这两种方式。

附件	开启条件	使能停止条件
DC/DC使能	高压上电且VCU使能信号给定	下高压电或禁止信号给定
空调	整车READY状态并且整车SOC值大于30%的时候，由空调面板来开启；	VCU在整车故障等情况下，通过I/O发送指令关闭；SOC值低于30%时，VCU通过I/O发送指令关闭
油泵	高压上电且VCU使能信号给定	钥匙OFF
气泵	高压上电并且气压低于设定值；VCU给出使能信号	钥匙OFF或者气压高于设定值
水泵	高压上电运行
散热风扇	水温高于45度开始运行，低于40度停机

假如加速踏板开度时刻变化，车辆会随之加减速，整车控制器的期望转矩指令能够快速计算出来，但是电机控制系统不一定能够立即响应，情况严重时会出现转矩突变导致耸车的严重情况。为了让电机转矩过渡平滑、自然，同时让车辆取得较好的动力性和舒适性，那么随着车速和加速踏板开度值，则在整车控制器的规划下，电机的输出转矩会有四种过渡状态，分别是：恒转矩过渡状态、恒功率过渡状态、恒转矩转恒功率过渡状态和恒功率转恒转矩过渡状态。

当电机运动在恒转矩区，驾驶员增大加速踏板开度，根据公式(3-1)，驾驶员期望输电机输出更大的转矩，若且电机转速始终小于分界线，则电机处于恒转矩过渡状态。

当电机运动在恒功率区时，若驾驶员踩下加速踏板，则意味着驾驶员希望改变当前的车辆运动状态，根据公式(3-1)，他期望输电机输出更大的转矩，若且电机转速始终大于分界线，则电机处于恒功率过渡状态，若驾驶员踩下加速踏板开度，当电机转速小于分界线，则电机处于恒转矩控制，当电机转速大于分界线，则电机处于恒功率控制，若电机转速从低往高变化，则意味着电机会经历恒转矩转恒功率的过渡状态。若在车辆匀速行驶时驾驶员松开加速踏板，则意味着需要减速，则电机会经历恒功率转恒转矩的过渡状态。

正常驱动模式是指车辆处于驱动使能状态下，整车动力系统能够无故障运行，保障车辆正常行驶。此时整车控制策略根据加速踏板开度、车速和其他传感器，来确定发送给电机控制器的转矩指令。正常驱动模式下有一个最大行驶车速。

纯电动车必须具体良好的驾驶感觉，符合人性化的设计。这样就要求整车控制器能够理解驾驶员的输入信号的含义。

加速踏板作为整车最重要的输入量之一，其信号的变化直接反映了驾驶员的操作意图。其输出信号应满足以下要求：稳定性、连续性、单调性和适应性。如果信号出错，将导致车辆失控，甚至出现严重的安全问题。鉴于加速踏板信号如此的重要，本文所采用的加速踏板安装了两路传感器，这两路传感器都属于电位计传感器。两组传感器输出的信号行程不一样，但是传感器的输出信号和加速踏板开度成线性关系，不同特征的物理信号输入整车控制器得到的加速踏板开度应该是一致的。这样的好处是，增加系统的冗余度，提高系统的故障诊断逻辑，提高了加速踏板信号的可靠性。

a) 将加速踏板输出的电压进行 A/D 转换得到采样值；

b) 诊断标定，若采样值超出有效范围，则放弃此采样值；

c) 对采样值进行滑移平均滤波，达到有效值；

d) 对滤波后的有效值进行加速踏板开度计算，得到加速踏板开度及其变化率。

在燃油车辆中，加速踏板和节气门开度基本成线性关系，可以认为节气门开度和发动机输出转矩成比例关系，对纯电动车来说，最简单的意图解析就是加速踏板和电机期望输出功率近似成正比。

a) k 时刻，加速踏板开度q (k ) = 59% ，驾驶员保持加速踏板开度不变，车辆处于匀速行驶状态，电机实际输出功率和阻力功率平衡，如图中的红点 a；

b) k+1 时刻，加速踏板开度q (k +1) = 80% ，驾驶员想加速，但是电机实际输 出功率不能突变，但是当前时刻的期望输出功率已经大于 k 时刻的实际输出功率，由此可知驾驶员想加速，如图中的绿点 b；

k+2 时刻，加速踏板开度q(k+2)=40%，驾驶员想加速，但是电机实际输出功率不能突变，但是当前时刻的期望输出功率已经小于 k+1 时刻的实际输出功率，由此可知驾驶员想减速，如图中的黄点 c。

车辆在加速时，加速踏板是不断变化的，电机输出转矩亦随之变化。电机输出转矩如何在变化的曲线中过渡，取决于驾驶员对整车的加速性和驾驶舒适性的性能要求。

对于驾驶员来说，他所做的对车辆踏板的控制，最终都是以改变速度为目标的。驾驶员通过操纵踏板，直到车辆速度达到他所期望的速度为止。在速度变化过程中，加速时的冲击度与驾驶舒适性有。

为了使的加速平稳，防止过渡的机械冲击，同时电机、电池不容易过流，根据加速踏板开度变化率，对扭矩做如下处理：

（a）根据油门开度和电机转速查初始目标转矩MAP，确定MAP区间

（b）用插值法计算此刻油门开度和电机转速对应的二级目标转矩

（c）二级目标转矩确认后，再根据此过程油门踏板开度的变化率查对应的目前状态到目标转矩转矩的上升时间，即转矩的给定时间斜率

（d）给出最终转矩上升的时间和最终目标转矩。

制动能量回馈模式是车辆在运行时制动信号有效，并且车速大于一定值，则对车辆的动能进行回收。由于电机既可以作电动机，又可以作发电机。根据电机的这一优点，电动汽车在保持传统燃油汽车的制动系统的情况下，刹车时通过合理的载荷分配比例系数，电机输出制动力矩，进入发电状态，有效的吸收车辆刹车时的动量，产生的电能给动力电池充电，增加能量的利用率，故电动汽车具有制动能量回馈的功能。

空档模式是指档位信号在 N 档时，整车控制器发动给电机控制器的转矩指令为 0，电机处于自由状态，电机随着驱动轮转动。传统的燃油汽车由于发动机不能带负载起动，在塞车或等候交通绿灯时，需要让发动机怠速转动。这部分燃油是不做功的，降低了整车的能量利用率。

失效保护模式为整车动力系统出现非严重故障时，车辆还可以继续行驶而不需要紧急停车，整车控制器根据故障等级，对需求转矩进行限制，输出转矩维持车辆慢行到附近维修站。

当电池的 SOC 值低于一定限度时需要对电池进行充电，驱动控制策略必须根据电池 SOC 值确定电动机运行的输出功率，用 SOC 最小值( SOCmin )将整个电池状态划分为可用区和虑充电效率和放电效率）和两个低效区（低效区 1 和低效区 2），SOC 不可用区，有用高效区下限值( SOClow)和高效区上限值( SOChigh ) 将可用区进一步划分为一个综合高效区（综合考值影响电池最大电流的输出，而电机电枢电流和输出转矩成正比，故电池的 SOC 值对输出转矩起到一个限制修正作用。

SOC 值对电动车的加减速是起一个修正作用，当 SOC 值正常时，对电动车输出的转矩也是取标准值，当 SOC 值过高或过低，则对电动车的输出转矩采取限制，也就是说，SOC 值在输出转矩表达式中是一个修正因子，它的权重比和它自身的值密切相关，具体权重比则通过实车测试标定。

急刹车：急刹车一般对应的制动加速度大于2m／s2。处于安全性方面的考虑，急刹车应以机械为主，电刹车同时作用。在急刹车时，可根据初始速度的不同，由车上ABS控制提供相应的机械制动力。

中轻度刹车：中轻度刹车对应于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电刹车负责减速过程，停止过程由机械刹车完成。两种刹车的切换点由电机发电特性决定。

长下坡时的刹车：汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时。在制动力要求不大时，可完全由电刹车提供。其充电特点表现为回馈电流较小但充电时间较长。限制因素主要为电池的最大可充电时间。

满足刹车的安全要求，同时保持驾驶平顺感：在刹车过程中，对安全的要求是第一位的。需要时刻注意机械制动和再生制动的比例，在确保安全的情况下回馈尽可能多的能量。同时，再生制动的控制不应引起制动踏板的冲击，不会给驾驶员一种不正常的感觉。

能量回馈策略
为了提高电动汽车整车的能量回馈率，再生制动和机械制动的比例必须很好的分配，保证车辆能够正常的进行能量回馈。同时，应当考虑电机的发电能力和蓄电池组的充电功率。

在制定控制策略的过程中，必须时刻考虑到一些车辆的影响因素:如电池的剩余电量SOC，如果SOC还处在很高的状态，为了防止过充，就必须减小甚至停止再生制动；车速，即电机转速，当车速低于15KM/h时，再生制动就停止。

在SoC低于一定值（90%左右），ABS未工作，高压系统无故障的前提下，若踩下制动踏板或者车速大于一定值的情况下松开油门滑行，此时整车控制器给电机反向扭矩控制指令使其工作在发电状态给电池充电。

能量回馈分三种控制策略：1.中轻度制动回馈；2.紧急制动回馈；3.滑行能量回馈

整车制动工况下的控制策略以优化整车的安全性、舒适性、经济性三个方面为控制目标进行设计。

优先由再生制动力矩提供
根据制动踏板开度对应需求制动力矩，优先由再生制动力矩提供，当再生制动力矩不足以提供需求力矩时，由机械制动力矩弥补

制动踏板开度有效（踏板无故障）且存在开度值则进入制动控制，

制动踏板的10%-35%（B、C区间）为混合制动，

B区间行程以制动力电机为主，

C区间电机制动力矩逐渐减小,

后35-70%行程（D）为机械制动。

整车控制器根据制动踏板开度及电机转速转换为初级电机目标制动扭矩，并根据电池最大允许充电电流 修正初级电机制动目标扭矩，修正完毕后向电机控制器发送目标扭矩命令。

T_B=T_NDM+T_DM+T_DR

T_B: 需求总制动力矩

T_NDM: 非驱动轮机械制动力矩

T_DM: 驱动轮机械制动力矩

T_DR: 驱动轮再生制动力矩

	电制动力	机械制动力	总制动力矩	说明
A区间	0	0	0	空形成约占踏板行程5%
B区间	0-14000NM逐渐增大	0-5000NM逐渐增大	0-19000NM逐渐增大	混合制动
C区间	14000NM-0逐渐减小	5000NM-19000NM逐渐增大	基本保持19000NM	混合制动
D区间	0	19000-34000NM	19000-34000NM	机械制动
E区间	0	34000NM	34000NM	机械制动

舒适性方面的制动力控制方式，在车辆快要停止，及电机接近停止过程中，如果电机的制动扭矩控制不合适，会容易造成车辆抖动，严重影响驾驶舒适感觉。因为电机在一定低转速下几乎没有制动回馈的能力（发电功率及效率低），且强制通过使电机制动力增加来增加回馈能量反而会导致电机反向驱动，所以在较低的转速下取消电制动。

安全性方面的控制方式，需要考虑电池最大允许充电电流、电压，以及考虑制动距离。制动工况下的电池充电电流、电压不能超过ＢＭＳ规定的最大值。

	电制动力	机械制动力	总制动力矩	说明
A区间	0	0	0	空形成约占踏板行程5%
B区间	0-14000NM逐渐增大	0-5000NM逐渐增大	0-19000NM逐渐增大	混合制动
C区间	14000NM-0逐渐减小	5000NM-19000NM逐渐增大	基本保持19000NM	混合制动
D区间	0	19000-34000NM	19000-34000NM	机械制动
E区间	0	34000NM	34000NM	机械制动

整车的能量优化管理主要是指整车在电池电量较低的情况下，尽量减少或者关闭对于整车行驶不必要的用电部件，最大限度的延长该状态下的整车续航里程，使之能够到达充电站或者修理厂。

电动车的充电采用非车载充电桩，当钥匙开关在OFF档位时，可以充电；此时有BMS与充电桩进行信息交换，按照新国标进行充电。在充电过程中，当钥匙打到ON档时，BMS会对整车放电回路进行互锁，即高压放电回路不导通，限制放电回路接通。同时整车控制器也会接收到BMS正处于充电状态的标志位，禁止放电主回路接触器闭合。

整车控制器根据加速踏板两模拟信号的大小及匹配情况判断加速踏板是否正常，根据制动踏板的模拟信号与开关信号判断制动踏板是否正常，根据档位信号对换挡器进行故障诊断。

实时对预充接触器、主正接触器开短路诊断。

通过CAN总线获取电机和电池的故障信息，以及绝缘电阻值、绝缘故障信息。

整车控制器对实时诊断信息进行等级管理，对于绝缘停车故障和电机停车故障，电池停车故障设置为最高严重故障等级，1级故障，对于电池较严重故障信息、绝缘检测较严重故障信息、电机较严重故障信息等设置为2级故障；对于电池、电机、绝缘监测次严重级故障信息设置为3级故障。对于轻微故障设定为4级故障，厂家定期检验处理。

对于1级故障进行停车处理，对于2级故障进行限功率至输出30%当前允许功率处理，对于3级故障进行限制至输出60%当前允许功率处理。对于4级故障，整车不做限制，厂家定期检验处理。

高压互锁系统在识别到危险时，整个控制器应根据危险时的行车状态及故障危险程度运用合理的安全策略。

故障报警：无论电动汽车在何种状态，高压互锁系统在识别到危险时，车辆应该对危险情况做出报警提示，需要仪表以声报警的形式提醒驾驶员，让驾驶员注意车辆的异常情况，以便及时处理，避免发生安全事故。

切断高压源：当电动汽车在停止状态时，高压互锁系统在识别严重危险情况时，除了进行故障报警，还应通知系统控制器断开自动断路器，使高压源被彻底切断。

降功率运行：电动汽车在高速行车过程中，高压互锁系统在识别到危险情况时，不能马上切断高压源，应首先通过报警提示驾驶员，然后让控制系统降低电机的运行功率，使车辆速度降下来，以使整车高压系统在负荷较小的情况下运行，尽量降低发生高压危险的可能性，同时也允许驾驶员能够将车辆停到安全地方。

在整车产生故障的情况下，由整车控制器对故障产生的原因及部位进行判断，按照整车控制策略的故障等级进行相应的处理，同时生成故障代码并存储于整车控制器的FIASH中，在整车维护和维修过程中，可以通过相关软件通过调试CAN 总线通讯接口读出故障代码，以便于维护和维修。

VCU控制策略主旨：在满足动力性约束条件下，以动力电池全生命周期续驶历程作为目标。