新能源整车控制器概述

董宇

安徽智途科技有限公司 安徽省合肥市  230000

摘要；新能源汽车核心技术中整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS）是最重要的三大核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。整车控制器通过采集电机控制系统信号、加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，对驾驶员的驾驶意图综合分析并做出相应判断后，计算出运行所需要的电机输出转矩等参数，从而协调各个动力部件的运动，保障电动汽车的正常行驶。此外，可以通过充电和制动能量回收等实现较高的能量效率。在完成能量和动力控制的同时，还监控下层的各部件控制器的动作，它对汽车的正常行驶、电池能量的制动回馈、网络管理、故障诊断与处理、车辆状态监控等功能起着关键作用。整车控制技术作为提高整车性能的内容，具有重要的研究意义。

关键词：新能源；整车；控制器

一、概述

整车控制通过采集加速踏板，制动踏板，档位信息和车辆其他信息对能量的流动进行控制。通过对电机控制器的控制使得电池组的能量从电机控制器到驱动电机，最终带动变速箱和驱动桥实现整车的行驶；通过对电池管理系统的控制，实现对动力电池组的充电管理；整车控制器还对高压器件如空调压缩机、PTC和DC/DC变换器进行控制；同时还对低压器件如冷却风扇，冷却液泵和真空助力泵进行控制。整车控制器对整车系统的运行提供管理和协调的作用。

二、整车控制功能介绍

2.1、整车驱动

整车控制器接收驾驶员的操作信息，如加速踏板、制动踏板以及通过总线获取的换挡杆信息，并根据这些信息确定驾驶员的意图，进行相应的操作。车辆在行驶时，结合车辆状态计算车辆期望输出扭矩，发送给电机控制单元。车辆在启动和停止时，按顺序控制外部相关设备的高、低压电源切断和导通。

2.2、制动能量回馈

整车控制器根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池荷电状态信息，计算制动减速度，向电机控制器发出指令当满足制动回馈条件时，将能量反充给动力电池组。

2.3、充电

配合电池管理单元和充电器，完成动力电池的充电功能；同时，还根据蓄电池状态实现DC/DC对蓄电池的充电。

2.4、外围设备控制

对电机控制器和电源管理系统的启动、运行状态进行控制，满足整车控制需求；

根据空调操作需求，控制空调压缩机或PTC的输出功率，与空调控制器一起完成空调功能；

控制冷却系统的冷却水泵及冷却风扇，其中冷却风扇由整车控制器根据测量到的水温进行转速调节；

根据车辆驱动需求，控制真空助力压力，满足制动性能对真空助力的要求。

2.5、能量分配

整车控制器通过CAN总线与电池管理系统连接共同承担整车的能量管理，以提高能量的利用率。在电池管理系统的协助下完成参数监测、信息通讯、充放电控制、热管理、故障诊断等功能，同时针对具体行驶情况实现安全行驶和能量的合理分配。

2.6、电机控制

电机控制器接收整车控制器的控制指令，控制电机的扭矩与输出期望输出扭矩一致。同时，实现对电机及控制器内逆变器的保护和故障报警。

2.7、网络管理

整车控制器作为信息控制中心，负责组织信息传输，网络状态监控，网络节点管理，信息优先权的动态分配等功能。

2.8、电池管理系统控制

电池管理系统根据整车控制器的指令，完成动力电的连接和切断。另外，还负责监测单体电池和电池组电压、电流和温度状态，估计SOC值，进行电池均衡控制、电池充放电控制、单体电池和电池组的安全保护。

2.9、车辆状态的监示和故障诊断及保护

总线所连接的各个子系统控制器实时将各自控制对象的信息发布至CAN总线，由整车控制器通过综合数字仪表显示出来。整车控制器能对故障信息及时处理并做出相应的安全保护处理。

三、整车控制策略

整车控制分为驱动和制动两种情况。驱动策略包含恒转矩控制和恒功率控制，如图3-1所示。当电机转速在额定转速以下时，按恒力矩方式控制电机的输出扭矩；当电机转速在额定转速以上时，按恒功率方式控制电机的输出扭矩。

图3-1恒转矩控制和恒功率控制示意图

3.1、恒力矩控制方式

恒转矩控制时，根据加速踏板开度计算期望输出转矩。

用两个一阶滤波器使当前输出转矩用S型方式向期望输出转矩过渡。滤波器算法如下：

通过2阶滤波器将当前输出转矩向期望输出转矩过渡的示意图如图3-2所示。

图3-2 通过2阶滤波器将当前输出转矩向期望输出转矩过渡示意图

3.2、恒功率控制方式

根据加速踏板开度计算期望输出功率；

用两个一阶滤波器使当前输出功率用S型方式向期望输出转矩过渡（过渡示意图如图3-3所示）。滤波器算法如下：

根据当前功率及转速计算输出扭矩。

图3-3 当前输出功率向期望输出转矩过渡示意图

制动策略包含常规制动和带有能量回收的制动。常规制动是指所有的制动力矩均由底盘控制系统完成。带有能量回收的制动是指整个制动力矩由两部分组成：电机提供的制动力矩和底盘制动系统提供的制动力矩。其中，由电机提供的制动力矩产生的能量将用于动力电池的充电，实现能量回收。只有在以下情况才启动能量回收：

1）滑行情况下；

2）踩下制动踏板时，且不启动ABS时；

3）某些故障情况下。

四、发展趋势

4.1、基于V型模式开发整车控制器

利用图形化的工程软件MATLAB/SIMULINK，建立整车模型及控制模型，对模型进行验证，利用仿真软件调试控制算法；

利用高可靠性嵌入式控制系统及高性能CPU软硬件原型技术，通过代码自动生成工具链进行控制器产品代码开发。将控制器算法模型直接生成C代码，集成驱动代码及其他基础软件代码后可以直接下载到真实控制器。这一阶段实现了代码的自动生成，免去了手动代码编写带来的错误，同时也极大的提高了工作效率，缩短了开发周期。

4.2、智能化

整车控制系统能够实现对汽车动力、舒适度、安全性以及能耗等多方面进行调整优化，配合大数据让汽车拥有更好的操作性和可靠性。新能源汽车、互联网汽更加偏向互联网和智能化，其所带来的优秀操作体验也是传统汽车不能及的，而这种操作体验多数归功于汽车中的一个核心——VCU（整车控制器）。互联网汽车和自动驾驶普及度还不是很高，但是电动汽车的互联网和智能化程度相对较强。从长期来看，这也是汽车发展的趋势所在。