增程汽车VCU软件控制系统设计与优化研究

张朔

浙江零跑科技股份有限公司

摘要：本文针对增程汽车的整车控制系统（Vehicle Control Unit，VCU）软件设计与优化展开深入研究。首先，系统阐述了增程汽车VCU软件架构及核心功能模块，然后对关键控制策略、能量管理和故障诊断等方面进行详细设计与优化分析。通过仿真和实验验证，提出并实现了一套高效、智能且适应性强的VCU软件控制系统，旨在提升增程汽车的能效比、驾驶性能以及系统的稳定性和可靠性。

关键词：增程汽车；VCU软件；控制系统；设计；优化

随着新能源汽车技术的快速发展，增程电动汽车由于其续航里程长、能源利用率高等优势受到广泛关注。其中，VCU作为整车主控制器的核心部分，其软件设计与优化对于提高汽车整体性能至关重要。本研究以增程汽车VCU软件控制系统为研究对象，探讨并实践了其在功能设计、控制策略优化以及系统安全可靠保障等方面的创新性解决方案，力求推动我国增程电动汽车技术的发展与应用。

一、VCU软件系统框架构建与功能模块设计

（一）VCU软件系统总体架构设计

增程汽车的VCU软件控制系统作为其智能大脑，承担着整合并协调整车各关键部件运行的核心任务。该系统总体架构设计需遵循模块化、集成化和可扩展性的原则，通常包括硬件层、驱动层、应用层三层结构。硬件层主要实现信号采集与控制输出；驱动层则对接硬件接口，实现底层数据处理和通信功能；而应用层则是整个VCU的灵魂所在，它包含动力系统控制模块、电池管理系统、能量回收模块等多个核心功能模块，通过高级算法对车辆运行状态进行实时监控与精准调控[1]。

具体而言，VCU软件系统的总体架构设计需要充分考虑各类工况下不同子系统的协同运作，并确保在复杂环境及极端条件下的稳定性和可靠性。同时，为了满足未来技术发展和用户需求的变化，还需预留一定的升级和拓展空间，以支持新功能的快速部署和优化迭代。

（二）动力系统控制模块功能设计

电机驱动控制模块是增程汽车VCU软件控制系统的核心组成部分，其主要职责是管理和调控电机及其相关附件的工作状态。该模块的功能设计主要包括：根据驾驶员的操控意图和车辆实时行驶状况，精确计算并执行最佳的电机驱动策略，包括电机驱动控制、助力与能量回收管理等；同时，实现不同工况下电机驱动模式的高效切换以及基于路况、车速等因素的动力输出优化。此外，电机驱动控制模块还需集成故障诊断与保护机制，确保在系统出现异常时能快速识别问题并采取相应措施，以保障车辆电机驱动系统的稳定运行。

（三）电池管理系统与能量回收模块设计

电池管理系统(BMS)是VCU中至关重要的功能模块，其主要负责电池组的状态监测、荷电状态(SOC)估算、健康状态(SOH)评估以及热管理等功能。通过精确测量和高效控制，确保电池始终工作在最优状态，延长使用寿命并提高整体能源利用效率。

能量回收模块则侧重于在车辆制动或滑行过程中，将原本转化为热量的能量部分回收并储存至电池中，从而达到节能降耗的目的。此模块设计需兼顾效率与安全，采用先进算法实时调整电机的发电强度与电池的充电策略，在确保回收效果的同时防止电池过充或过放，维持电池系统稳定性。

通过对VCU软件系统总体架构的合理规划，以及动力系统控制模块与电池管理系统、能量回收模块的精心设计与功能优化，可以显著提升增程汽车的整体性能和驾驶体验，有效解决新能源汽车在续航里程和能源利用率方面的痛点问题。

二、增程汽车VCU关键控制策略优化

（一）发动机启停与工况切换策略优化

在增程电动汽车中，VCU的关键控制策略之一是发动机的启停与工况切换。为了最大化能源利用效率并减少排放，VCU需要根据车辆行驶状态、电池荷电状态以及驾驶需求等因素，精确制定发动机的启停时机和工作模式。例如，在电池电量充足时，优先使用电动驱动以保持低噪音和零排放；而在电池电量较低或高功率需求时，则适时启动发动机，既能为电池充电又可直接参与动力输出。

针对不同行驶场景如城市拥堵、高速公路巡航等，优化设计发动机的启停阈值和工况切换逻辑，能够在满足驾驶性能的同时，最大程度地降低能耗。此外，通过引入预测性控制技术，预判未来路况和驾驶需求，提前进行发动机工况调整，能有效提高系统的响应速度和整体能效[2]。

（二）电机驱动与发电策略精细化设计

电机作为增程电动汽车的动力源之一，其驱动与发电策略的精细化设计对车辆性能有着直接影响。VCU需要实时监测电机运行参数，精准控制电机的扭矩输出，确保在各种驾驶条件下都能提供平稳、高效的驱动力。同时，在制动或滑行阶段，合理调节电机的发电强度和发电持续时间，实现高效能量回收，既保证了电池充电效果，又避免了因过量回收导致的制动性能下降。

（三）基于多源信息融合的能量管理策略探究

面对复杂的行驶环境和多元化的驾驶需求，构建基于多源信息融合的能量管理系统成为增程汽车VCU控制策略的重要方向。该策略将整合车辆行驶数据、导航信息、交通环境数据、驾驶员行为习惯等多种信息源，通过高级算法进行深度分析与综合决策，实现实时、智能的能量分配与管理。

例如，在市区频繁启停或拥堵路段，系统可依据前方道路预测信息选择更节能的驱动方式；在长途高速行驶过程中，借助导航数据预先规划电池充放电策略，以充分利用发动机高效工作区间并保障全程续航能力。此外，通过对电池SOH、温度等状态信息的精准掌握，灵活调整各动力单元的工作负荷，最大限度提高整套动力系统的效能转化率，从而全面提升增程电动汽车的经济性和用户体验。

三、VCU软件控制系统安全与可靠性保障

（一）故障诊断与容错控制机制设计

在增程汽车的VCU软件控制系统中，确保其安全可靠运行的关键环节之一是建立完善的故障诊断与容错控制机制。该机制应能实时监测和识别系统各模块的工作状态，包括但不限于电池状态、电机性能、发动机工况等关键参数，并在检测到异常时迅速定位故障源，通过预设的备用方案或冗余设计进行切换或修复。

具体实现上，可通过集成自诊断功能，在线分析并预警潜在故障风险；同时结合故障树分析法，构建全面的故障应对策略库，以快速准确地实施容错控制操作，最大程度降低因单点故障导致的安全隐患和行驶中断问题[3]。

（二）数据通信安全加密与防护技术的应用

鉴于现代汽车网络化、智能化趋势，VCU软件控制系统中的数据通信安全显得尤为重要。为了防止未经授权访问或恶意攻击，需在系统设计阶段就融入先进的数据加密与防护技术。

一方面，采用符合行业标准的通信协议，如CAN-FD、Ethernet-AVB/TSN等，并对其进行加密处理，确保车辆内部通信数据的安全传输。另一方面，构建多层次的防火墙和入侵检测系统，实时监控通信流量与行为模式，一旦发现异常即刻启动防御措施，有效阻止非法篡改或窃取信息的行为。

通过精心设计故障诊断与容错控制机制、强化软件鲁棒性与抗干扰能力，以及广泛应用数据通信安全加密与防护技术，可以显著提升增程汽车VCU软件控制系统的安全性与可靠性，为用户提供更加安心无忧的驾驶体验。

四、结语

针对增程汽车VCU软件控制系统的设计与优化研究，本研究深入剖析了VCU的系统框架构建、功能模块设计，并聚焦关键控制策略的优化，以及安全与可靠性的保障措施。通过精心设计发动机启停与工况切换策略、电机驱动与发电策略以及基于多源信息融合的能量管理策略，有效提升了增程汽车的能效比和驾驶性能。同时，在故障诊断与容错控制机制、软件鲁棒性与抗干扰能力提升、数据通信安全加密与防护技术等层面的研究成果，有力地保障了VCU软件控制系统的安全稳定运行。未来，随着新能源汽车技术的持续进步，我们将进一步探索更高效、智能的VCU软件控制系统解决方案，以满足日益严格的环保要求和不断提升的用户需求，为推动我国乃至全球增程电动汽车行业的健康发展贡献力量。

参考文献

[1] 耿鹏.增程式燃料电池客车动力系统主控制器研究[D].清华大学,2013.

[2] 董欣阳.增程式电动轿车动力系统控制策略设计及优化研究[D].合肥工业大学[2024-03-16].

[3] 高龙强同磊.增程式电动汽车的整车控制系统研究[J].汽车制造业, 2022(2):24-25.