整車控制器(簡稱VCU)是整車控制的核心控制器，通過CAN/LIN總線或者硬線，實現對電池系統、電驅系統、熱管理系統等的管理(VCU的控制簡圖如圖1所示)，具體包括檔位、加速踏闆、制動踏闆的控制，根據實時的動力電池電量，計算出需要輸出的扭矩控制，整車的低壓、高壓的上下電、能量回收等控制，VCU的内部結構簡圖如2所示。

圖1 VCU的控制簡圖(來源知乎)

圖2 VCU内部簡圖(來源網絡)

詳細來說說VCU的各項功能：

01.

檔位管理

在開車的時候，有沒有遇到過有時候挂擋挂不上去，比如不踩刹車，是挂不上D檔的。這個就是VCU控制的。

當你在挂擋時，檔位控制器将檔位請求信号發送給VCU，VCU判斷換擋條件是否滿足，再執行檔位切換。都有哪些條件呢？

1、鑰匙信号是否在ON檔；

2、整車是否上高壓；

3、低壓蓄電池是否在有效範圍内(比如9~16V)；

4、駕駛員是否系安全帶、踩刹車；

5、車速是否為零。

檔位的控制主要分為三個階段，分别為上電階段、正常運行階段、下電階段。

在車輛上電時，VCU默認向檔位控制器發送P檔請求，并且在儀表盤上點亮P檔指示燈。

在車輛下電時，VCU會檢測到車速達到要求時，發出P檔請求。

在車輛正常運行時，會檢測上述的那些條件是否都滿足，隻有全滿足後才能正常進行檔位切換。

主要的輸入信号如下所示：

輸入信号：檔位請求；當前車速信号，高壓狀态信号，鑰匙信号，制動踏闆信号。

02.

踏闆信号管理

踏闆信号包括油門和刹車，其是整車最重要的輸入量之一，直接反映了駕駛員的操作意圖，并且影響車輛和人員的安全，因此這兩個信号通常是有冗餘的，通常是各有兩路獨立的信号采集鍊路，在此基礎上，還有很嚴格的錯誤檢測機制，比如：

1.當兩路油門或者刹車信号的差值超過一定範圍，則認為是踏闆開度不同步，報踏闆故障；

2.當踏闆傳感器的供電電壓不在正常範圍，報踏闆故障；

3.當兩路信号電壓不在正常範圍時，報踏闆故障；

4．當油門和制動踏闆同時請求時，優先響應制動踏闆。

當上述的前三條條故障中任意一條發生，VCU中使用該信号的軟件模塊不再使用該信号進行處理，并且車輛進入跛行，點亮儀表盤上的故障燈。

03.

局域網内網絡管理

如圖1中，VCU負責局域網内控制器的上下電管理。當VCU收到鑰匙信号時，VCU首先被喚醒，并且開始自檢，自檢主要包括上電過程中是否有故障報出、低壓蓄電池電壓是否在正常範圍，自檢通過後通過網絡管理報文或者是KL15硬線，将局域網的控制器節點進行喚醒。

下電過程則是，當VCU檢測到鑰匙信号OFF後，VCU首先停發網絡管理報文，等待局域網内其他各節點都停發網絡管理報文後，再一起停發應用報文，同步将進入下電休眠。

04.

車輛驅動管理

車輛驅動管理包括駕駛模式管理，扭矩輸出管理、定速巡航管理、自适應巡航管理等。

駕駛模式管理主要是按ECO、NORMAL、SPORT三種模式來管理動力輸出和功率輸出。

在ECO模式下通過限制功率輸出、車速來降低能量消耗，達到節能經濟的目的。NORMAL通常為整車默認模式，能耗、車速都相對均衡，運動模式下通常是默認整車設計的最大功率輸入，提供強勁的動力表現。

這些控制都是通過油門開度與不同的扭矩響應來達到的，在不同模式下有不同的映射表,也就是所說的map。在ECO模式下，扭矩輸出比較柔和。在SPORT模式下，映射表中的對應值更高，也就意味着響應更加快速，動力來的更加澎湃。

VCU給電驅總成的扭矩請求值是根據三個值來确定的。

其中之一為VCU根據不同駕駛模式下，标定的map表中當前轉速對應的最大扭矩與油門開發的乘積。

第二個為BMS在當前條件下最大的輸出功率值。

第三個為當前轉速下電驅總成能輸出的最大扭矩值。

VCU根據這三個值，選擇其中最小的發送給電驅總成，進行扭矩響應。另外為了保證油門響應更加線性，在将扭矩請求值發送給電驅總成之前還會收扭矩變化率map影響。在ECO模式下，扭矩變化率更加平緩，則動力響應偏慢，比較柔和，SPORT模式下扭矩變化率比較激進，扭矩變化率更大，動力響應快。

05.

高壓系統上下電管理

高壓系統(如圖3所示)的上下電，在純電車中，這是很重要的一環，首先高壓存在安全問題，另外如果高壓無法上電，車輛是無法開動的，類似于傳統車上，發動機沒有啟動，車輛動不了一樣。

圖3 高壓系統電氣圖(來源知網)

高壓上下電需要滿足的原則：

1、避免車輛出現非預期的加速、減速、轉向等動作；

2、應避免因高壓故障引起人員傷亡及設備損壞；

3、滿足高壓上下電性能要求；

首先高壓上電功能需求主要包括：鑰匙上電、直流/交流充電、遠程控制(例如遠程打開空調)，這三種場景僅僅是喚醒的方式不一樣，高壓上電的邏輯和時序是差不多的。對于整個上電過程，通過會有時間要求，比如要求1s内局域網内各ECU(通常包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)應完成上電流程，并進入工作模式。

在上電流程中，首先是VCU被喚醒(鑰匙喚醒、網絡喚醒、或者充電cc信号硬線喚醒)，啟動後發送請求閉合HVIL回路使能線和必要的12V低壓繼電器的CAN報文，同時監控HVIL回路狀态，然後DCU、DC/DC、BMS被喚醒(VCU發送的網絡管理報文或者IG ON信号喚醒)并進行自檢，監控HVIL回路狀态，對于BMS來說還需計算絕緣阻值，确認絕緣是否正常，無故障後進入待機模式(standby狀态)。

随後VCU請求BMS閉合主繼電器，BMS則先後閉合主負繼電器和預充繼電器，當檢測到母線電壓達到阈值後，判斷預充電成功，然後閉合主正繼電器，并斷開預充繼電器，到這則高壓上電完成，在VCU請求BMS閉合主繼電器時，同時也會請求DCU、DC/DC進入工作模式，時序圖如圖2所示。

為什麼要預充呢？對于低壓來說，例如平時用的電池或者是12V低壓蓄電池，是不需要開關，直接拔電池不會有什麼風險。但對高壓而言，直接接電池是不行的，有可能會産生較大的沖擊，燒壞功率器件。

預充是将預充電阻串聯到高壓回路中，由預充電阻分掉一部分電壓，然後，随着各ECU内的電容充電上來，等到電壓上升到某一阈值，主正繼電器閉合，這樣預充回路就完成了它的工作了，如圖4。

圖4 高壓正常上電時序(來源知網)

在正常下電流程中，當檢測到鑰匙信号、硬線信号關閉或網絡喚醒信号停發，VCU立即請求DCU離開工作模式，并且功率器件迅速降低功率，随後VCU請求DC/DC離開工作模式，然後VCU在請求BMS斷開繼高壓繼電器，BMS完成響應後，VCU斷開HVIL回路和低壓繼電器，各節點進入下電休眠流程，如圖5所示。

圖5 高壓正常下點(來源知網)

在正常上電狀态下，如果出現絕緣阻值低于阈值、高壓互鎖斷開、IGBT過流等嚴重故障時，VCU會進行緊急下高壓電流程，首先VCU請求DC/DC脫離工作模式，DCU進入failure模式，随後VCU請求BMS斷開高壓繼電器，并且斷開HVIL回路，随後 VCU 請求 IPU 進入緊急放電模式， DCU在規定時間内完成餘電洩放， 若鑰匙為關閉狀态，則各節點進入休眠流程，如圖6所示。

圖6 高壓緊急下電(來源知網)

06.

整車能量管理

能量管理是VCU根據動力電池充放電能力、車輛運行模式、運行狀态，以及各用電負載的優先級，實時調整各用電負載的功率。

在常規工況下，各個用電負載的用電優先級為DCDC＞電池制熱/制冷＞乘員艙制冷＞乘員艙制熱＞電機功率；

在急加速工況下，通過判斷駕駛員是否有緊急加速意圖，VCU的能量管理優先滿足動力需求，限制空調等系統的工作。

在動力電池饋電工況下，優先滿足基本駕駛需求。空調系統功能會被限制。

除了以上簡介的之外，還有PTC的控制，自動駕駛中的定速巡航，自适應巡航都是需要VCU來實現的。

07.

VCU發展趨勢

在當前電子電氣架構變革之際，VCU也将朝着集成化和域控化發展。

集成化是指将整車控制系統中的部分控制功能集成到一個控制器中，例如比亞迪E3.0平台中的八合一，其就是将原來分開的VCU、電機控制器、BMS、車載充電器集成到一個控制器中，如圖7所示。

圖7 比亞迪E3.0平台的八合一

域控化是在集成化的基礎上将VCU升級為動力域的域控制平台，更高性能的芯片将使其支持整車實現SOA服務架構，另外可以嘗試更複雜的模型預測控制算法，讓VCU對需求扭矩、能量分配和管理做更好，更加精準的控制和分配，從而達到整車電耗的優化，提升電車的續航裡程。

來源： 汽車ECU開發

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