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谈谈整车控制器的功能

来源：以下文章来源于汽车ECU开发，作者eng2mot

2022-09-29

整车控制器(简称VCU)是整车控制的核心控制器，通过CAN/LIN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(VCU的控制简图如图1所示)，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2所示。

图1 VCU的控制简图(来源知乎)

图2 VCU内部简图(来源网络)

详细来说说VCU的各项功能：

01.

档位管理

在开车的时候，有没有遇到过有时候挂挡挂不上去，比如不踩刹车，是挂不上D档的。这个就是VCU控制的。

当你在挂挡时，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。都有哪些条件呢？

1、钥匙信号是否在ON档；

2、整车是否上高压；

3、低压蓄电池是否在有效范围内(比如9~16V)；

4、驾驶员是否系安全带、踩刹车；

5、车速是否为零。

档位的控制主要分为三个阶段，分别为上电阶段、正常运行阶段、下电阶段。

在车辆上电时，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。

在车辆下电时，VCU会检测到车速达到要求时，发出P档请求。

在车辆正常运行时，会检测上述的那些条件是否都满足，只有全满足后才能正常进行档位切换。

主要的输入信号如下所示：

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。

02.

踏板信号管理

踏板信号包括油门和刹车，其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有冗余的，通常是各有两路独立的信号采集链路，在此基础上，还有很严格的错误检测机制，比如：

1.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步，报踏板故障；

2.当踏板传感器的供电电压不在正常范围，报踏板故障；

3.当两路信号电压不在正常范围时，报踏板故障；

4．当油门和制动踏板同时请求时，优先响应制动踏板。

当上述的前三条条故障中任意一条发生，VCU中使用该信号的软件模块不再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。

03.

局域网内网络管理

如图1中，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，并且开始自检，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，自检通过后通过网络管理报文或者是KL15硬线，将局域网的控制器节点进行唤醒。

下电过程则是，当VCU检测到钥匙信号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。

04.

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。

驾驶模式管理主要是按ECO、NORMAL、SPORT三种模式来管理动力输出和功率输出。

在ECO模式下通过限制功率输出、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设计的最大功率输入，提供强劲的动力表现。

这些控制都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给电驱总成的扭矩请求值是根据三个值来确定的。

其中之一为VCU根据不同驾驶模式下，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。

第二个为BMS在当前条件下最大的输出功率值。

第三个为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收扭矩变化率map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，扭矩变化率更大，动力响应快。

05.

高压系统上下电管理

高压系统(如图3所示)的上下电，在纯电车中，这是很重要的一环，首先高压存在安全问题，另外如果高压无法上电，车辆是无法开动的，类似于传统车上，发动机没有启动，车辆动不了一样。

图3 高压系统电气图(来源知网)

高压上下电需要满足的原则：

1、避免车辆出现非预期的加速、减速、转向等动作；

2、应避免因高压故障引起人员伤亡及设备损坏；

3、满足高压上下电性能要求；

首先高压上电功能需求主要包括：钥匙上电、直流/交流充电、远程控制(例如远程打开空调)，这三种场景仅仅是唤醒的方式不一样，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(通常包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)应完成上电流程，并进入工作模式。

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BMS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BMS闭合主继电器时，同时也会请求DCU、DC/DC进入工作模式，时序图如图2所示。

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，如图4。

图4 高压正常上电时序(来源知网)

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断开继高压继电器，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，如图5所示。

图5 高压正常下点(来源知网)

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，则各节点进入休眠流程，如图6所示。