純電動汽車整車控制器(VCU)研究

宋述銓

摘 要：電動汽車主要由電池管理系統（BMS），整車控制系統（VCS），以及電機控制器（MCU）等構成。整車控制器（VCU）是電動汽車的重要控制結構，對汽車的各種信息進行檢測、對車內通信網絡和異常信息進行監控等，能夠提高整車駕駛性能，進行制動能量回饋完善能源管理。提升整車舒適性，使用戶獲得完美體驗。

關鍵詞：純電動汽車;整車控制器;完美體驗

隨著社會的發展與科技的進步，各個城市的汽車使用戶噴井式增加。傳統的內燃機汽車消耗石油，排出大量廢氣，使得城市的空氣質量不斷下降。純電動汽車由于不使用傳統化石能源，對環境不造成污染，受到人們的青睞。隨著科技的進步，電動汽車的核心技術不斷地革新與突破，逐漸完善的城市基礎設施提供了有利的幫助，電動汽車已經成為潛力股，逐步取代傳統汽車變為可能。本文從汽車結構出發，結合整車信息傳輸過程，設計了整車控制器的軟硬件結構。

1 整車電控系統組成

整車電控系統主要由整車控制器VCU為核心，通過硬線信號指揮各控制器使能，通過CAN總線信號控制儲能系統、電機系統等關鍵總成執行相應的上下電動作以及扭矩指令。最終完成整車的駕駛運行以及高壓充電。其中，低壓部分完成車輛控制器供電和信號采集通訊。高壓部分通過高壓線束將動力電池的電能傳輸到空調壓縮機、電動機等高壓供電設備，實現動力電能的傳輸。其中電機、電池、電控系統被稱為“三電”系統，主要包括：

1.1 整車控制器

整車控制器系統為整車的運行大腦，具有高可靠性、高運行效率、邏輯繽密性。整車控制系統上電后首先運行初始化程序并且自檢，在自身沒有問題后驅動端口使能儲能系統、電機系統上電。儲能系統和電機系統完成上電后同樣分別進行上電自檢。所有系統自檢無故障且駕駛員有上高壓指令時，整車控制系統通過總線驅動儲能系統、電機系統完成上高壓動作。

1.2 儲能系統

儲能系統包括動力電池組和BMS管理單元。動力電池組負責給整車的運行提供必要的能量，包括驅動系統、轉向、制動系統等;BMS管理單元實時監控動力電池的當前溫度、模組電壓、溫度、電池包電壓、動態電流等信息，并與整車實現CAN通信，確保能源的安全供給。

1.3 電機系統

MCU（電機控制器）和驅動電機共同組成了電機系統，電機控制器接收來自整車控制器的需求扭矩、目標車速等信息，通過單片機控制IGBT模塊進行動態扭矩矢量控制該控制器電機將電池包的電能轉化成機械能。

2 整車控制器的軟件設計

2.1 主程序設計

整車控制器的主程序用于確定電動汽車的運行方式，其方式是依據駕駛信息和CAN總線采集到的其他子系統的狀況信息從而進行判斷。在系統上電后，首先進行上電初始化，系統自檢，而后收集信號、故障診斷與處理，再進行工況判斷與處理、儀表顯現，最后進行數據通信。

2.2 子程序設計

子程序的相關類別，主要包括CAN通訊程序、工況判斷與處理程序、故障診斷及處理程序等3個部分。

（1）CAN通訊程序。CAN通訊程序包括CAN接收子程序以及CAN發送子程序。1）CAN信息發送。在CAN發送環節的過程之中，發送數據的長度和總線時鐘是首先被檢查的對象，隨后尋找空閑緩沖器，設置數據包的優先級以及長度，再寫入數據到緩沖器。CAN信息發送的最后一步是清除發送標志位的使能信號發送，從而CAN信息的發送過程結束進入接收環節。2）CAN信息接收。進入CAN發送程序后，首先檢查緩沖器的接收標志位，看是否收到數據。在確認數據被緩沖器接收到了情況下，進一步讀取數據的長度及包含的數據，在這個過程結束后再清除接收標志位的使能信號，這樣就完成了數據的接收。

（2）故障診斷與處理。故障診斷與處理程序，電動汽車的故障分為兩級。一級故障發生時，汽車停止運行，關閉所有驅動信號。二級故障發生時，限制汽車運行功率。

3 驅動控制策略

驅動控制策略簡單來講就是，在特定的模式下采用最佳的特定轉矩進行合理配置，來最大限度地節省電能，發揮出電動汽車的經濟適用性，是整車控制策略的重點、難點。

驅動控制策略可將汽車運行模式分為五種：1）起步模式，汽車上電自檢后，采集接收到加速踏板的信號，通過計算給電機一個扭矩，平穩起步，防止發生意外事故。2）正常驅動模式，用于行駛在較為正常路面，對汽車動力無特殊要求，但是既能保證駕駛員的駕駛需求，又能滿足車輛的經濟型。3）經濟模式，主要是控制電機的轉速維持在高效區域，此工作模式較為省電。4）動力驅動模式，用于純電動汽車的提速或者上坡，對動力要求較大。5）倒擋模式，當駕駛員掛入倒擋時，倒擋信號傳遞到整車控制器，車輛進入倒檔模式，此時也需要一個扭矩來平穩倒車。

4 能量管理控制策略

電動汽車的裝車電池能量有限，就目前來說，續航里程方面并不理想。加上我國正處理純電動汽車的重要發展階段，充電樁也是一個問題，充電站遠不如加油站那樣普及。考慮上述問題，應當節省資源，采用完善的能量管理策略，合理優化能量，提升電池的能量使用率，提升純電動汽車的續航里程。動力電池組是純電動汽車動力來源，供應車輛的全部用電設備，合理有效地管理電池組，高效利用電池能量對于純電動汽車的發展至關重要。電池特有的放電特性，電池剩余電量（StateOfCharge）SOC降低到某個極端值時，電池組因為電量不足而導致電池端電壓驟降，有可能導致速度迅減引起交通事故，甚至使汽車直接停止。因此，合理分配純電動汽車的整車能量對于各方面提升汽車性能起主導地位。若整車控制器接收的SOC的值低于事先設定的極端值時，電動汽車儀表盤亮報警指示燈。當動力電池組SOC的值高于設定值時，整車控制器應停止回收制動能量，以提升動力電池組的壽命。

總之，整車控制系統對整車控制、整車能量分配、制動能量的回收等起主要作用，是純電動汽車發展所必須研究的關鍵技術，能量的合理分配關系著電動汽車的安全行駛，降低能量損耗，提高純電動汽車的續航里程，同時加強對電池組的保護。

參考文獻：

[1]董偉.純電動汽車整車控制策略研究[J].現代制造技術與裝備，2018（07）：51-53.

[2]喬海術.純電動汽車整車控制器開發[D].吉林：吉林大學，2018.

[3]李健.純電動汽車整車控制器的設計[D].長沙：湖南大學，2018.