基于纯电动汽车的整车控制器分析

基于纯电动汽车的整车控制器分析

丘东海

中兴智能汽车有限公司519040

摘要：本文主要对纯电动汽车整车控制器做进一步的分析和了解。随着纯电动汽车的快速发展，整车电控系统成为一种非常重要的应用技术。纯电动汽车整车控制对整车控制系统的设计开发具有较强的指导意义。

关键词：纯电动汽车；整车控制器；分析

引言：

整车控制系统是纯电动汽车电控系统的三大核心技术之一，纯电动电控系统与传统汽车的控制系统相比，纯电的汽车电控系统的控制单元数量与复杂程度高出很多。电控系统是保证纯电动汽车整车功能集成和优化的核心单元，为保证纯电动汽车各部件系统在最佳工况下能够协调运行，需要制定相应的控制策略。纯电动汽车电控系统主要包括整车控制系统（简称VCU）、电池管理系统（简称BMS）、电机控制系统（简称MCU）、辅件控制系统等环节。整车控制系统确保各系统之间要协调工作，方能保证整车的稳定性和安全性，对纯电动汽车的发展意义重大。

一、整车控制系统的介绍

整车控制系统主要包括整车控制器、CAN总线通讯网络以及驾驶员意图解析系统、信息显示系统、动力驱动系统、电机控制系统、辅件控制系统等。作为纯电动汽车的核心部分，控制各个系统之间的相互配合。通过接收其他控制器发出的信号，比如驾驶员控制指令信息、加速踏板信息、制动踏板信息等，然后通过特定算法来处理这些信号，通过CAN总线通讯网络输出信号给相应的下层控制器去执行对应的动作。

整车控制策略作为VCU重要的软件部分。一套成熟、可靠的整车控制策略须包括以下部分：驾驶员解析控制策略、驱动控制策略、上下电管理控制策略、扭矩解析控制策略、辅件控制策略、能量回收控制策略、安全控制策略、故障诊断控制策略等。要能够符合驾驶员的操作需求，具备智能化的安全控制，从而保证车上人员的安全，提升汽车性能，提高纯电动汽车的续驶里程。

二、整车控制器的功能

VCU作为上层控制单元负责协调动力系统各个部件的运行，根据驾驶员操作信号进行驾驶意图解析、根据各部件和整车工作状态进行整车时序逻辑控制、安全管理和能量分配决策，向各部件控制器发送控制指令，并向仪表等显示设备输出整车电控系统状态信息。各部件控制器根据其指令控制相应部件，驱动汽车正常行驶。

概括起来整车控制系统就是实现：（1）上下电管理，（2）驾驶员意图识别，（3）动力系统的扭矩解析控制，（4）能量回收管理，（5）辅件控制管理，（6）整车网络管理，（4）车辆状态监视和故障诊断及保护。整车控制器技术水平直接影响整车的动力性、经济性及安全性，是电动汽车的关键技术。

三、整车控制器的组成

VCU作为纯电动汽车控制系统最核心的部件，其承担了数据交换、安全管理、驾驶员意图解析、能量流管理的任务。VCU的功能划分如图1所示。

（1）数据交换层。该层对直接馈入整车控制器的物理量信息（如驾驶员的操作反馈的信息和其它执行部件的工作状态信息）进行采样处理，并通过I/O、D/A和PWM，提供对显示单元、继电器等的控制信号。

（2）安全故障管理层车辆出现故障时，故障只体现在数据交换层。在检测出故障后，该层会做出相应的处理，在保证车辆安全性的条件下，给出执行部件可供使用的范围，以尽可能满足驾驶员的驾驶意图。

（3）驾驶员意图解释层驾驶员的所有与驾驶操作相关的操作信号都直接进入整车控制器，整车控制器对采集的信息进行处理分析，计算出驱动系统的目标转矩和车辆行驶时的需求功率来实现驾驶员的驾驶意图。

（4）能量流管理层，该层的主要工作是能量源之间进行需求功率分配。

四、整车控制器的硬件设计

（1）微控制器模块：本设计采用主从芯片设计，主从芯片之间进行校验，确保主芯片工作状态正常，主控制芯片选用SPC5606，是整车控制器的控制核心，包括主控制芯片（微控制器）及其外围电路，负责数据的运算及处理，也是控制方法实现的载体；

（2）电源模块：为各输入和输出模块提供电源，并对蓄电池电压进行监控，与微控制器相连；

（3）信号处理模块：用于模拟和数字量输入信号的调理，包括模拟量信号处理和数字量信号处理，其一端与传感器或开关相连，另一端与微控制器相接；

（4）功率驱动模块：用于驱动多个继电器或系统状态指示灯，包括低端驱动和PWM驱动两部分，与微控制器通过I/O相连，另一端与被控继电器（低端驱动）或指示灯（PWM驱动）相接，微处理器可通过SPI总线进行故障诊断；

（5）通讯模块：整车控制器与其他设备相连的接口，包括两路CAN总线、一路FlexRay总线、一路LIN总线及一路RS232总线，其中CAN总线是整车控制器最重要的对外通讯接口。

整车控制器的整体硬件框图，如图2所示。

图2整车控制器硬件架构

五、整车控制器的软件设计

整车控制器的主程序用于确定电动汽车的运行方式，其方式是依据驾驶信息和CAN总线采集到的其他子系统的状况信息从而进行判断。在系统上电后，首先进行上电初始化，系统自检，而后收集信号、故障诊断与处理，再进行工况判断与处理、仪表显现，最后进行数据通信。根据上述过程可以初步得到主程序流程图，其结果如图3所示；

整车控制系统的控制策略，主要包括三个部分：输入信号处理、功能模块、输出信号处理。输入信号处理包括模拟输入信号处理、数字输入信号处理、CAN输入信号处理、PWM输入信号处理等；功能模块包括整车模式功能确定、上下电流程管理功能、档位管理功能、系统保护功能、踏板解析功能、驱动管理功能、故障诊断功能、附件管理功能等；输出信号处理包括模拟输出信号处理、数字输出信号处理、CAN输出信号处理、PWM输出信号处理等。如以下图4所示：

图4整车控制策略框架

结束语：

总之，整车控制系统对整车系统控制、整车能量分配、整车能量回收等起主要作用，是纯电动汽车发展所必须研究的关键技术，整车电控系统协调控制、能量的合理分配关系着电动汽车的安全行驶，降低能量损耗，提高纯电动汽车的续航里程。

参考文献：

[1]低速纯电动车整车控制器的设计[J].苏业东，吴华伟，叶从进.轻工科技.2017（12）

[2]复合电源纯电动汽车整车控制器设计[J].周美兰，严文淼，郭金梅.哈尔滨理工大学学报.2019（02）

[3]基于双MCU的纯电动汽车整车控制器硬件设计研究[J].王宁.工程技术研究.2018（05）