浅谈整车域控制器——VCU功能(一)
VCU的结构与概述
整车域控制器(VCU)是整车控制的核心控制器,通过汽车总线或者硬线,实现对电池系统、电驱系统、热管理系统等的管理,具体包括档位、加速踏板、制动踏板的控制,根据实时的动力电池电量,计算出需要输出的扭矩控制,整车的低压、高压的上下电、能量回收等控制。
VCU的内部结构简图如下
VCU的各项功能
一、档位管理
例如不踩刹车挂不上D档就是车辆的档位管理,这个就是由VCU控制的。档位控制器将档位请求信号发送给VCU,VCU判断换挡条件是否满足,再执行档位切换。
判断条件:
- 钥匙信号是否在ON档;
- 整车是否上高压;
- 低压蓄电池是否在有效范围内(比如9~16V);
- 驾驶员是否系安全带、踩刹车;
- 车速是否为0等
输入信号:档位请求、当前车速信号、高压状态信号、钥匙信号、制动踏板信号。
档位的控制分三个阶段——上电阶段、正常运行阶段、下电阶段。
上电时,VCU默认向档位控制器发送P档请求,并且在仪表盘上点亮P档指示灯。
下电时,VCU会检测到车速达到要求时,发出P档请求。
正常运行时,检测上述的条件是否都满足,只有全满足后才能正常进行档位切换。
二、踏板信号管理
踏板信号包括油门和刹车,是整车最重要的输入量之一,直接反映了驾驶员的操作意图,并且影响车辆和人员的安全,因此这两个信号通常是冗余的,通常是各有两路独立的信号采集链路,且有严格的错误监测机制,如:
-
当两路油门或者刹车信号的差值超过一定范围,则认为是踏板开度不同,报踏板故障;
-
当踏板传感器的供电电压不在正常范围,报踏板故障;
-
当两路信号电压不在正常范围时,报踏板故障;
-
当油门和制动踏板同时请求时,有限响应制动踏板。
上述三条故障中任意一条发生时,VCU中使用该信号的软件模块不在使用该信号进行处理,并且车辆进入跛行,点亮仪表盘上的故障灯。
三、局域网内网络管理
VCU负责局域网内控制器的上下电管理。当VCU收到钥匙信号时,VCU首先被唤醒(对于VCU的唤醒的有机会再叙),并开始自检,自检主要包括上电过程中是否有故障报出、低压蓄电池电压是否在正常范围内,自检通过后通过CAN报文或是KL15硬线,将局域网的控制节点进行唤醒。
下电过程则是,当VCU检测到钥匙的OFF后,VCU首先停发网络管理报文,等待局域网内其他各节点都停发网络管理报文后,再一起停发应用报文,同步将进入下电休眠。
四、车辆驱动管理
车辆驱动管理包括驾驶模式管理,扭矩输出管理、定速巡航管理、自适应巡航管理等。
驾驶模式管理通常是按ECO、NORMAL、SPORT三种模式来管理动力输出和功率输出。
ECO模式下,通过限功率输出、车速来降低能量消耗,达到节能经济的目的。NORMAL通常为整车默认模式,能耗、车速都相对均衡,运动模式下通常是默认整车涉及的最大功率输入,提供强劲的动力表现。
这些控制是通过油门开度与不同的扭矩响应来达到的,在不同模式下有不同的映射表,也就是所说的map。在ECO模式下,扭矩输出比较柔和。在SPORT模式下,映射表中的对应值更高,也就意味着响应更加快速,动力来的更加澎湃。
VCU给电驱总车的扭矩请求值大多根据三个值确定:
- VCU根据不同的驾驶模式下,标定的map表中当前转速对应的最大扭矩与油门开发的乘积。
- BMS在当前条件下最大的输出功率值。
- 当前转速下电驱总成能输出的最大扭矩值。
VCU根据这三个值,选择其中最小的发送给电驱总成,进行扭矩响应。另外为了保证油门响应更加线性,在将扭矩请求值发送给电驱总成之前还会受扭矩变化率map的影响。在ECO模式下,扭矩变化率更加平缓,则动力响应偏慢,比较柔和。SPORT模式下扭矩变化率比较激进,变化率更大,动力响应快。
五、高压系统上下电管理
在纯电车中,高压系统的上下电是很重要的一环。首先高压存在安全问题,另外如果高压无法上电,车辆无法开动,类似于传统车上发动机无法启动一样。
高压上下电(有个高压保护策略,挖个坑,之后聊)需要的原则:
- 避免车辆出现非预期的加速、减速、转向等动作;
- 避免因高压故障引起人员伤亡及设备损坏;
- 满足高压上下电性能要求。
首先高压上下电功能需求主要包括:钥匙上电、直流/交流充电、远程控制(可能还有其他上电唤醒需求),这三种场景仅仅是唤醒方式不一样,高压上电的逻辑和时序是差不多的。
对于整个上电过程,通过会有时间要求,比如要求1s内局域网内各ECU(包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)应完成上电流程,并进入工作模式。
1.正常上电流程
在上电流程中,首先是VCU被唤醒(钥匙唤醒、网络唤醒、或者充电cc信号硬线唤醒),启动后发送请求闭合HVIL回路使能线和必要的12V低压继电器的CAN报文,同时监控HVIL回路状态,然后DCU、DC/DC、BMS被唤醒(VCU发送的网络管理报文或者IG ON信号唤醒)并进行自检,监控HVIL回路状态,对于BMS来说还需要计算绝缘阻值,确认绝缘是否正常,无故障后进入待机模式(standby状态)。
随后VCU请求闭合主继电器,BMS则先后闭合主负继电器和预充继电器,当检测到母线电压达到阈值后,判断预充电成功,然后闭合主正继电器,并断开预充继电器,到这则高压上电完成,在VCU请求闭合BMS闭合主继电器时,同时也会请求DCU、DC/DC进入工作模式。
2.预充流程
为什么要预充呢?对于低压来说,例如平时用的电池或者是12V低压蓄电池,是不需要开关,直接拔电池不会有什么风险。但对高压而言,直接接电池是不行的,有可能会产生较大的冲击,烧坏功率器件。
预充是将预充电阻串联到高压回路中,由预充电阻分掉一部分电压,然后,随着各ECU内的电容充电上来,等到电压上升到某一阈值,主正继电器闭合,这样预充回路就完成了它的工作了,时序图如下。
3.正常下电
在正常下电流程中,当检测到钥匙信号、硬线信号关闭或网络唤醒信号停发,VCU立即请求DCU离开工作模式,并且功率器件迅速降低功率,随后VCU请求DC/DC离开工作模式,然后VCU在请求BMS断开高压继电器,BMS完成响应后,VCU断开HVIL回路和低压继电器,各节点进入下电休眠流程,时序图如下:
4.紧急下电
在正常上电状态下,如果出现绝缘阻值低于阈值、高压互锁断开、IGBT过流等严重故障时,VCU会进行紧急下高压电流程,首先VCU请求DC/DC脱离工作模式,DCU进入failure模式,随后VCU请求BMS断开高压继电器,并且断开HVIL回路,随后VCU请求IPU进入紧急放电模式,DCU在规定时间内完成余电泄放,若钥匙为关闭状态,则各节点进入休眠状态,时序图如下。
六、整车能量管理
能量管理是VCU根据动力电池的充放电能力、车辆运行模式、运行状态,以及各用电负载的优先级,实时调整各用电负载的功率。
常规工况下,各个用电负载的优先级为DCDC>电池制热/制冷>乘员舱制冷>乘员舱制热>电机功率;
急加速工况下,通过判断驾驶员是否有紧急加速意图,VCU的能量管理优先满足动力需求,限制空调等系统的工作。
动力电池馈电工况下,优先满足基本驾驶需求,空调系统功能会被限制。
除此之外,还有PTC的控制,自动驾驶中的定速巡航,自适应巡航都需要VCU实现。
七、VCU发展趋势
VCU朝向集成化和域控制化发展。
集成化是指将整车域系统中的部分控制功能集成到一个控制器中,例如比亚迪E3.0平台中的八合一,就是将原来分开的VCU、电机控制器、BMS、车载充电器(OBC)集成到一个控制器中。
域控制化是在集成化的基础上将VCU升级为动力域的域控制平台,更高性能的芯片将其支持整车实现SOA服务架构,另外可以尝试更复杂的模型预测控制算法,让VCU对需求扭矩、能量分配和管理做更好,更加精准的控制和分配,从而达到整车电耗的优化,提升电车的续航里程。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-448199.html
参考资料:
新能源电控三部曲之一:谈谈整车控制器的功能文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-448199.html
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