纯电动汽车整车控制系统

纯电动汽车整车控制系统的组成、控制原理；整车控制器的工作原理、控制逻辑，纯电动汽车整车控制器市场格局。整车控制器相当于纯电动汽车的“大脑”，控制整车所有部件。整车控制器性能的优劣，直接影响车辆其他电气性能的发挥，决定着整车性能的好坏。

纯电动汽车整车控制系统

• 一、整车控制系统
  • 1. 整车控制系统的组成
    • （1） 低压电气控制系统
      • 低压电气控制系统主要由辅助蓄电池和若干低压电气设备组成。低压电气控制系统采用直流12V或24V电源，一方面为灯光、刮水器等车辆的常规低压电气供电，另一方面为整车控制器、高压电气设备的控制电路和辅助部件供电。
    • （2） 高压电气控制系统
      • 高压电气控制系统主要由动力蓄电池、驱动电机和功率转换器等大功率、高压电气设备组成，根据车辆行驶的功率需求，完成从动力蓄电池到驱动电机的能量变换与传输。
    • （3） 整车网络控制系统
      • 整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU，又称动力总成控制器）
        • 整车控制器是整车控制系统的核心，承担了数据交换与管理、故障诊断、安全监控、驾驶员意图解析等功能。
      • 电机控制器
      • 电池管理系统
      • 车身控制管理系统
      • 信息显示系统
      • 网络通信系统
  • 2. 整车控制系统的控制原理
• 二、整车控制器
  • 1. 整车控制器的工作原理
    • 整车控制器相当于纯电动汽车的“大脑”，控制整车所有部件。整车控制器性能的优劣，直接影响车辆其他电气性能的发挥，决定着整车性能的好坏。
    • 整车控制器根据驾驶员意图发出的各种指令，控制电机控制器，实时调整驱动电机的输出，以实现整车的怠速、倒车、前行、停车、能量回收等功能。电机控制器的另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。
  • 2. 整车控制器的控制逻辑
    • （1） 分层控制
      • 1||| 最底层是执行层
        • 由部件控制器和一些执行单元组成，其任务是正确执行中间层发送的指令，这些指令通过CAN总线进行交互，并且有一定的自适应和极限保护功能
      • 2||| 中间层是协调层
        • 也就是整车控制器，它一方面根据驾驶员的各种操作和车辆当前的状态解释驾驶员的意图，另一方面根据执行层的当前状态，作出最优的协调控制
      • 3||| 最高层是组织层
        • 由驾驶员或者制动驾驶仪来实现车辆控制的闭环。各控制器之间通过CAN网络进行信息交互，共同实现整车的功能控制。
      • 4|||
    • （2） 局域网络（CAN）控制
      • 整车控制器内置车辆网关，起到翻译及传递各系统信息的作用
      • EV-CAN
        • 电动车驱动系统网络通信控制
      • V-CAN
        • 车身、底盘系统网络通信控制
    • （3） 整车控制模式判断和驱动控制
      • 整车控制器通过各种状态信息，如充电信号、启动开关信号、加速/ 制动踏板位置、当前车速和整车是否有故障信息等，来判断当前需要的整车工作模式是处于充电模式还是行驶模式；然后根据当前及前一段时间的参数及状态，计算出当前车辆的转矩能力；最后按当前车辆需要的转矩，计算出合理的、最终实际输出的转矩。
    • （4） 电源控制
      • 电源控制系统主要由4个继电器组成，分别为F/S RLY、M/C RLY、A/C RLY 和F/S CHG RLY。不同模式下，整车控制器控制不同的继电器吸合。
      • 各继电器的工作条件及作用
        • F/S RLY
          • 当整车控制器工作时便会工作，用于启动电动车系统
        • M/C RLY
          • 当整车控制器工作时便会工作，用于启动功率变换器
        • A/C RLY
          • 空调系统工作时，继电器工作
        • F/S CHG RLY
          • 快速充电时，继电器工作
      • 纯电动汽车驱动系统的电源继电器（M/C RLY， A/C RLY，F/S CHG RLY）由操作模式进行控制，操作模式由各传感器和整车控制器接收的信号进行确定。当整车控制器收到工作信号时，电源主继电器（F/S RLY）控制动力蓄电池主继电器（主正、主负）工作，动力蓄电池电源输出。即使在电源关闭的情况，部分的纯电动汽车驱动系统仍需要用电机控制继电器（M/C RLY）来启动电源供给。为了在充电期间控制车辆能耗，设置空调继电器（A/C RLY），便于不使用空调系统的时候，关闭空调电源。 快充继电器（F/S CHG RLY）的设置目的是实现除车载充电器进行充电控制的情况下，还可由整车控制器进行充电切断控制。
    • （5） 主继电器控制
      • 当系统主继电器“ON”时，从锂电池处向DC/DC转换器、空调系统以及功率变换器提供电源；当系统主继电器“OFF”时，车载充电器打开充电继电器，从车载继电器向锂电池DC/DC转换器、空调系统提供电源。
    • （6） 制动能量回收和优化控制
      • 1||| 制动能量回收的原理
        • 整车控制器根据行驶速度、驾驶员制动意图和动力电池包状态（如蓄电池荷电状态SOC值）进行综合判断后，对制动能量回收进行控制。如果达到回收制动能量的条件，整车控制器向电机控制器发送控制指令，使电机工作在发电状态，将部分制动能量储存在动力电池包中，提高车辆能量利用效率。
      • 2||| 制动能量回收的原则
        • 制动能量回收不应该干预防抱死制动系统的工作：当防抱死制动系统进行制动力调解时，制动能量回收不应该工作；当防抱死制动系统报警时，制动能量回收不应该工作。另外，当电驱动系统具有故障时，制动能量回收不应该工作。
      • 3||| 制动能量的优化控制
        • 纯电动汽车有很多用电设备，包括电机和空调设备等。整车控制器可以对能量进行合理优化来提高纯电动汽车的续航里程。例如，当动力电池包电量较低时，整车控制器发送控制指令关闭部分起辅助作用的电器设备，使电能优先保证车辆的安全行驶。
    • （7） 辅助系统控制
      • 1||| HMI 仪表控制
        • 整车控制系统能够对车辆的状态进行检测并显示。整车控制器从其他系统控制器获取信息，然后判断灯灭条件并判断是否打开该灯，并将结果发送到仪表。HMI仪表上具体设置了“准备”指示灯、“12V蓄电池充电”警告灯、“功率限制”指示灯、“蓄电池电量不足”警告灯和“充电插入”指示灯等。
        • ▲ 车辆状态监测与显示（仪表）
      • 2||| DC/DC转换器控制
        • 为了能够为辅助设备如灯具、音响等提供电源且给普通蓄电池充电，直流360V需经DC/DC电路变换为直流12～14V 。当普通蓄电池电压降到11.5V时，驱动系统会自动启动充电系统，使普通蓄电池得以充电。
    • （8） 保护控制
      • 1||| 故障诊断和处理
        • 整车控制器可以连续监视整车电控系统，进行故障诊断并及时进行相应安全保护处理。整车控制器根据传感器的输入及其他通过CAN总线通信得到的关于电机、蓄电池、充电机等的信息，对各种故障进行判断、等级分类、报警显示、储存故障码，供维修时查看。故障指示灯指示故障类型和部分故障码。
      • 2||| 失效保护控制
        • 当整车控制器探测到故障时，根据故障的内容继续进行控制或者停止电动车辆。故障安全措施包括限制驱动力、停止驱动，停止充电、关闭系统主继电器。当采取故障安全措施时，“电动车辆系统故障”警告灯亮起。
      • 3||| 碰撞切断控制
        • 当整车控制器从安全气囊控制器探测到安全气囊展开信号时，会控制系统主继电器1、2（锂电池内）断开，从而关闭高压电路。
• 三、纯电动汽车整车控制器市场格局
  • 1. 在整车控制技术方面
    • 日本及欧美企业走在全球前列，国外大部分汽车企业在电动汽车领域积累充足，控制策略成熟度高，整车节油效果良好，控制器产品通过市场检验证实了其可靠性
  • 2. 从全球格局来看
    • 整车控制器的主要生产企业为美国的通用、福特；日本的丰田、日产、日立；欧洲的博世、大陆、德尔福、法雷奥、沃尔沃等企业，各大汽车电子零部件企业及设计公司也都在积极开展整车控制器研发和生产制造，部分汽车设计公司也为整车厂提供整车控制器技术方案，如 AVL（ 李斯特内燃机及测试设备公司）、 FEV（世界知名的内燃机研发领域领头者）、 RICARDO（英国里卡多公司）等。
  • 3. 国内市场方面
    • 我国已掌握了整车控制器的软、硬件开发能力，但整车控制器硬件水平与国外仍存在一定差距。我国参与整车控制器供应体系主要有三类企业：主机厂、硬件及底层软件提供商、第三方供应商等。主机厂的代表企业是比亚迪、长安、吉利、北汽、宇通等；硬件及底层软件提供商的代表企业是博世、大陆、德尔福，电装、联电等；第三方供应商的代表企业是航盛电子、联创电子、合肥晟泰克、埃泰克、经纬恒润、德洋电子、大洋电机、方正电机、汇川技术等。