純電動(dòng)汽車整車控制器(VCU)研究

宋述銓

摘 要：電動(dòng)汽車主要由電池管理系統(tǒng)（BMS），整車控制系統(tǒng)（VCS），以及電機(jī)控制器（MCU）等構(gòu)成。整車控制器（VCU）是電動(dòng)汽車的重要控制結(jié)構(gòu)，對(duì)汽車的各種信息進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和異常信息進(jìn)行監(jiān)控等，能夠提高整車駕駛性能，進(jìn)行制動(dòng)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(yàn)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;整車控制器;完美體驗(yàn)

隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，各個(gè)城市的汽車使用戶噴井式增加。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車消耗石油，排出大量廢氣，使得城市的空氣質(zhì)量不斷下降。純電動(dòng)汽車由于不使用傳統(tǒng)化石能源，對(duì)環(huán)境不造成污染，受到人們的青睞。隨著科技的進(jìn)步，電動(dòng)汽車的核心技術(shù)不斷地革新與突破，逐漸完善的城市基礎(chǔ)設(shè)施提供了有利的幫助，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為潛力股，逐步取代傳統(tǒng)汽車變?yōu)榭赡堋１疚膹钠嚱Y(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合整車信息傳輸過程，設(shè)計(jì)了整車控制器的軟硬件結(jié)構(gòu)。

1 整車電控系統(tǒng)組成

整車電控系統(tǒng)主要由整車控制器VCU為核心，通過硬線信號(hào)指揮各控制器使能，通過CAN總線信號(hào)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等關(guān)鍵總成執(zhí)行相應(yīng)的上下電動(dòng)作以及扭矩指令。最終完成整車的駕駛運(yùn)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(hào)采集通訊。高壓部分通過高壓線束將動(dòng)力電池的電能傳輸?shù)娇照{(diào)壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)等高壓供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電能的傳輸。其中電機(jī)、電池、電控系統(tǒng)被稱為“三電”系統(tǒng)，主要包括：

1.1 整車控制器

整車控制器系統(tǒng)為整車的運(yùn)行大腦，具有高可靠性、高運(yùn)行效率、邏輯繽密性。整車控制系統(tǒng)上電后首先運(yùn)行初始化程序并且自檢，在自身沒有問題后驅(qū)動(dòng)端口使能儲(chǔ)能系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)上電。儲(chǔ)能系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)完成上電后同樣分別進(jìn)行上電自檢。所有系統(tǒng)自檢無故障且駕駛員有上高壓指令時(shí)，整車控制系統(tǒng)通過總線驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)完成上高壓動(dòng)作。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)包括動(dòng)力電池組和BMS管理單元。動(dòng)力電池組負(fù)責(zé)給整車的運(yùn)行提供必要的能量，包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)等;BMS管理單元實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池的當(dāng)前溫度、模組電壓、溫度、電池包電壓、動(dòng)態(tài)電流等信息，并與整車實(shí)現(xiàn)CAN通信，確保能源的安全供給。

1.3 電機(jī)系統(tǒng)

MCU（電機(jī)控制器）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同組成了電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)控制器接收來自整車控制器的需求扭矩、目標(biāo)車速等信息，通過單片機(jī)控制IGBT模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭矩矢量控制該控制器電機(jī)將電池包的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

2 整車控制器的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

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

2.2 子程序設(shè)計(jì)

子程序的相關(guān)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(gè)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(fā)送子程序。1）CAN信息發(fā)送。在CAN發(fā)送環(huán)節(jié)的過程之中，發(fā)送數(shù)據(jù)的長度和總線時(shí)鐘是首先被檢查的對(duì)象，隨后尋找空閑緩沖器，設(shè)置數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)以及長度，再寫入數(shù)據(jù)到緩沖器。CAN信息發(fā)送的最后一步是清除發(fā)送標(biāo)志位的使能信號(hào)發(fā)送，從而CAN信息的發(fā)送過程結(jié)束進(jìn)入接收環(huán)節(jié)。2）CAN信息接收。進(jìn)入CAN發(fā)送程序后，首先檢查緩沖器的接收標(biāo)志位，看是否收到數(shù)據(jù)。在確認(rèn)數(shù)據(jù)被緩沖器接收到了情況下，進(jìn)一步讀取數(shù)據(jù)的長度及包含的數(shù)據(jù)，在這個(gè)過程結(jié)束后再清除接收標(biāo)志位的使能信號(hào)，這樣就完成了數(shù)據(jù)的接收。

（2）故障診斷與處理。故障診斷與處理程序，電動(dòng)汽車的故障分為兩級(jí)。一級(jí)故障發(fā)生時(shí)，汽車停止運(yùn)行，關(guān)閉所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。二級(jí)故障發(fā)生時(shí)，限制汽車運(yùn)行功率。

3 驅(qū)動(dòng)控制策略

驅(qū)動(dòng)控制策略簡(jiǎn)單來講就是，在特定的模式下采用最佳的特定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理配置，來最大限度地節(jié)省電能，發(fā)揮出電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)適用性，是整車控制策略的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

驅(qū)動(dòng)控制策略可將汽車運(yùn)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(hào)，通過計(jì)算給電機(jī)一個(gè)扭矩，平穩(wěn)起步，防止發(fā)生意外事故。2）正常驅(qū)動(dòng)模式，用于行駛在較為正常路面，對(duì)汽車動(dòng)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(jīng)濟(jì)型。3）經(jīng)濟(jì)模式，主要是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速維持在高效區(qū)域，此工作模式較為省電。4）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，用于純電動(dòng)汽車的提速或者上坡，對(duì)動(dòng)力要求較大。5）倒擋模式，當(dāng)駕駛員掛入倒擋時(shí)，倒擋信號(hào)傳遞到整車控制器，車輛進(jìn)入倒檔模式，此時(shí)也需要一個(gè)扭矩來平穩(wěn)倒車。

4 能量管理控制策略

電動(dòng)汽車的裝車電池能量有限，就目前來說，續(xù)航里程方面并不理想。加上我國正處理純電動(dòng)汽車的重要發(fā)展階段，充電樁也是一個(gè)問題，充電站遠(yuǎn)不如加油站那樣普及?？紤]上述問題，應(yīng)當(dāng)節(jié)省資源，采用完善的能量管理策略，合理優(yōu)化能量，提升電池的能量使用率，提升純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。動(dòng)力電池組是純電動(dòng)汽車動(dòng)力來源，供應(yīng)車輛的全部用電設(shè)備，合理有效地管理電池組，高效利用電池能量對(duì)于純電動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要。電池特有的放電特性，電池剩余電量（StateOfCharge）SOC降低到某個(gè)極端值時(shí)，電池組因?yàn)殡娏坎蛔愣鴮?dǎo)致電池端電壓驟降，有可能導(dǎo)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(dòng)汽車的整車能量對(duì)于各方面提升汽車性能起主導(dǎo)地位。若整車控制器接收的SOC的值低于事先設(shè)定的極端值時(shí)，電動(dòng)汽車儀表盤亮報(bào)警指示燈。當(dāng)動(dòng)力電池組SOC的值高于設(shè)定值時(shí)，整車控制器應(yīng)停止回收制動(dòng)能量，以提升動(dòng)力電池組的壽命。

總之，整車控制系統(tǒng)對(duì)整車控制、整車能量分配、制動(dòng)能量的回收等起主要作用，是純電動(dòng)汽車發(fā)展所必須研究的關(guān)鍵技術(shù)，能量的合理分配關(guān)系著電動(dòng)汽車的安全行駛，降低能量損耗，提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)電池組的保護(hù)。

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