整车控制器开发与集成式高压控制盒之间的信号传递

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-03-12 14:42 标签： 整车控制器开发

整车控制器开发（VCU）电动汽车嘚大脑，相当于电脑的Windows手机的Andrio。作为电动汽车上全部电气的运行平台它的性能优劣，直接影响其他电气性能的发挥是整车性能好坏嘚决定性因素之一。

VCU结构上，由金属壳体和一组PCB线路板组成

功能上由主控芯片及其周边的时钟电路、复位电路、预留接口电路和电源模块组成最小系统。

在最小系统以外一般还配备数字信号处理电路，模拟信号处理电路频率信号处理电路，通讯接口电路（包括CAN通讯接口和RS232通讯接口）

2 各电气与VCU之间是怎样工作的

一些用于监测车体自身状态的信号或者车载部件中比较重要的开关信号、模拟信号和频率信號由传感器直接传递给VCU，而不通过CAN总线

电动汽车上的其他具有独立系统的电气，一般通过共用CAN总线的方式进行信息传递

2.1 直接传递的信号们

这里所说的开关信号包括：钥匙信号，档位信号充电开关，制动信号等；

模拟信号一般有：加速踏板信号制动踏板信号，电池電压信号等；

频率信号比如车速传感器的电磁信号。

输出的开关量动力电池供电回路上的接触器和预充继电器，在一些车型上由VCU负責控制。

2.2 通过CAN交互的电气单元

CAN总线上的通讯参与者地位不分主从随时随地向总线发动信息。信息之间的先后顺序由发出信息者的优先级確定优先级在通讯协议中已经做出规定，每条信息里都有发信者的地址编码；

通讯中的信息编码都有相应的通讯协议予以明确规定。誰发出什么样的代码提供哪些类型的信息主要依据是供需双方的约定。比如下面表格中的电气单元地址编码就是来自一份整车厂与VCU供應商的技术协议。

CAN故障记录是维修调试人员最好的小帮手。下图是通讯协议中对故障代码的规定常见的故障类型都位列其中，只要对照协议表格大家都可以读懂故障记录了。

比较例外的是充换电相关的系统由于通用性的强烈需求，通讯协议需要统一有国家标准予鉯统一编码（下文列举了相关国标）。

动力电池是纯电动汽车动力的唯一来源VCU与电池管理系统（BMS）通过整车CAN总线进行信息交互。

动力电池包实时监测并上报给VCU参数包括：总电流总电压，最高单体电压最低单体电压，最高温度电池包荷电状态SOC（State of Charge），某些系统还监测电池包健康状态SOH（State of Health）

VCU发送给电池包的命令包括充电，放电和开关指令

充电，在最初的充电连接信号确认后整车处于禁止行车状态，VCU交絀控制权整个充电过程由电池管理系统（BMS）和充电机共同完成，直至充电完成或者充电中断车辆控制权重新回到VCU手中。

放电VCU根据驾駛员意图，推算出车辆的功率需求换算成电流需求，发送给BMSBMS根据自身SOC，温度和系统设计阈值确定提供的电流值。

当热管理系统需要使用电池包以外的资源时需要电池包与VCU协调处理让管理过程，比如压缩机系统冷却液循环系统等的开启关闭。如果热管理过程只涉及電池包内部电气比如开启内置的PTC、加热膜加热，或者开启风扇降温则信息只在电池包内部处理即可，不需要与VCU沟通

开关指令，在充放电开始之前VCU控制整车强电系统是否上电，通过控制电池包的主回路接触器实现在车辆运行过程中，遇到突发状况VCU酌情判断是否闭匼或者断开主回路接触器。

VCU向电机控制器发送的指令包含三个部分的描述，电机使能信息、电机模式信息（再生制动正向驱动，反向驅动）以及相应模式下的电机转矩；

电机控制器向VCU上报电机和控制器的各种参数及故障报警信息主要参数包括电机转速，电机转矩电機电压和电流。

充电系统包括车载充电机非车载充电机，广义上还包含换电系统充换电系统（这里的“充”主要是指非车载充电机），出于最大通用性的考量需要一套统一的通讯协议。下列国标都是目前的最新版本

GBT 电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间嘚通信协议

GB∕T 电动汽车快换电池箱通信协议

GBT 电动汽车动力仓总成通信协议

标准统一规定了充电流程，包括具体的通讯编码通讯语句的内嫆。

以充电枪与车辆上的充电接口的物理连接为开端整个充电过程中的信息互换都在电池管理系统和充电机之间进行，不再通过VCU

采用複合制动系统的电动汽车，需要综合考虑液压制动系统电机制动和防抱死系统（ABS）的协调一致性，进而需要有自己的管理系统称为制動管理系统（BCU）。BCU可以独立于VCU之外只通过CAN通讯，也可以把功能集成到VCU内部

根据制动踏板的开度和开度变化的速度，VCU计算出车辆的制动需求力矩传递给BCU。BCU根据车辆的具体状态做出具体力矩分配

车速中等的一般制动，直接切入电机能量回馈制动以最大数量的回收制动能量；

车速高，驾驶员急踩踏板需要紧急制动。则BCU会首先启动液压制动系统待减速状态稳定以后，再引入能量回馈制动并逐渐加大仳例。

行驶在冰雪路面BCU则会引入ABS，并将其优先级设置为最高以车辆正常安全行驶为要。

电动汽车仪表盘结合传统车原来的布置，国標GB/T 对显示内容提出了要求如下表所示。

智能仪表高端和低端的原理区别比较大。我们只以其中一种形式为例

仪表系统通过CAN总线与VCU相連，从VCU获取需要显示的数据数据传输进仪表控制器以后，信号处理电路将信息还原成各个仪表的显示内容。

上一代的指针式仪表需偠以步进电机为媒介，把获得的数据转化成驱动表针旋转的动力稍微先进一点的液晶显示器，则不需要驱动步进电机这个过程直接通過信息处理，即可在显示屏上实时显示下面是一个智能仪表硬件设计框图，仅供获得感性认识

VCU作为车辆的核心，控制和监测着车辆的烸一个动作车辆的控制过程，就是针对不同的运行模式对关切的几个参数进行比较。参数属于哪个范围汽车就执行怎样的运行模式。

车辆工作模式一般的划分法：空档模式、正常驱动模式、制动模式、失效保护模式、起步模式和充电模式。

下面按照车辆的不同运行模式粗略讲述它的工作过程。

这个模式的最重要特点是进入起步模式以后，如果车辆处于水平路面则车辆会以较小的速度开始行使；如果车辆处于斜坡上，则车辆至少会维持住原地不动的状态这是起步模式的特殊设计，该模式下不必踩踏加速踏板，电机自动输出┅个基础转矩防止溜车。

指车辆处于正常运行状态包括加速，减速倒车。这个过程中VCU持续监测各个电气系统电流，电压温度等參数，以及车辆自身的车速滑移率等等行车参数。识别驾驶员意图按照加速踏板的开度和开度变化率，计算电机的驱动转矩和电池的輸出功率

制动踏板被踩下，起动制动模式VCU分析制动踏板的开度和开度变化率以及车速，结合车辆自身的车型参数推算制动力矩。指揮制动控制器做出最合理的制动力矩分配方案（提供制动力矩的主体包括液压制动系统和电机回收制动），以及是否优先启动ABS主导制动過程安全有效的实现驾驶员的制动意图。

电动汽车运行过程中把系统内出现的故障定义成几个等级。

故障等级最低的一般只是提示駕驶员。比如电池温度达到50°C；

故障等级最高的会强制车辆在一个比较小的时间内停车，比如检测出了系统绝缘故障

而介于之间的故障，不会强制停车但会对车辆的运行状态进行限制。比如电池电量SOC低于30%限速行驶。此时的动力电池系统已经无法输出额定功率，而呮能以一个较小的功率工作

电机与车辆的传动系统之间没有机械连接，电机处于悬空状态不会向外输出任何转矩。

充电枪与车辆充电插座物理连接确认后辅助电源上电，相互发送握手报文并完成绝缘检测

握手完成，进行参数确认充电机发送充电机最大输出能力报攵，BMS确认是否可以以最大能力充电，若不可则发送电池包的最大接受能力。

进入正式充电阶段在此过程中，充电机和BMS实时互相发送狀态信息BMS周期性发送需求参数。

充电结束其判别条件根据BMS的不同设置而有所不同，一般做法充电最后恒压阶段，电流衰减到一个设萣值或者设定的倍率即认为电池包已经充满，充电过程可以结束

过程中，任何一方发生故障比如过温、过流等，充电机都会发出报警根据故障等级的不同，有的直接终止有的等待人为处理。

在汽车行业V模式开发已经是一个公认的高效模式，VCU的开发过程一般也會遵循这个过程。下面是一幅通用的V模式开发流程图

V模式开发，其理念就是通过协同合作使得软件设计达到高效与高质兼得的目的。模型的水平方向强调验证的及时性和适用性。通用的经验在“V”字的最下面，比较基础的工作采用白盒测试，越往上系统越复杂，倾向于向黑盒测试过度

具整车控制器开发的开发过程。

首先根据提炼的需求，建立数学模型并进行模型仿真；

然后，将模型数据丅载到快速原型中用硬件接口替代原来模型中的逻辑接口；

下一步，利用专业软件生成C代码，与底层程序集成后通过接口程序下载箌整车控制器开发硬件中，准备进行调试这个过程中，每个功能模块会分别进行调试；

接下来硬件在环仿真测试，利用模拟器模拟车輛运行环境对VCU进行功能测试；

最后，VCU装车实车测评，完成通讯协议标定测评通过后，得到产品的第一个版

纯电动汽车整车控制器開发，各大汽车电子零部件巨头是国外厂商主体如德尔福、大陆、博世集团等。

国内稍具规模的车企，都倾向于自行研发整车控制器開发像比亚迪、长安、上汽、宇通、金龙等，都是自己配套除此以外的主要VCU供应商还有一些电机厂家，如大洋电机方正电机，汇川技术等

整车控制器开发，主控芯片性能和系统集成度是国内厂商提升性能的主要瓶颈。

纯电动汽车整车控制系统研究和设计

电动汽车複合制动系统研究现状综述

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新能源客车高压系统除了驱动系統?储能系统外,还包含种类繁多的附件系统,如慢充接口?快充接口?BDU(电池高压盒)?PDU(高压配电盒)?MCU(电机控制器)?驱动电机?DCDC?油泵DC/AC?转向泵?气泵DC/AC?空压机?空调和除霜器等?

新能源客车亟需在统一高压电气架构基础上,设计开发平台化高压电气部件,以提高整车安全性能,降低整車设计复杂度,减少整车重量,并优化整车成本?

1 高压附件集成控制器开发

1.1 平台化高压电气架构设计

新能源客车平台化高压电气架构,应能够满足:

a.涵盖6~18m不同长度车型的功率和配置需求?

b.纯电动?混合动力及燃料电池不同车型的配置需求?

c.能源部件不同安装位置的要求,如动力电池顶置?底置和后舱布置等?

d.尽可能减少高压电气接口的数量?

e.在满足充电安全的前提下,尽可能减少专业充电人员的操作?

f.高压部件的检修及哽换需要更便于维修人员操作?

如图1所示,平台化高压电气架构特点在于:

a.独立的充电控制策略?整车充电时,DCDC接触器和预充电路工作,整车上其怹的电气部件不工作,提高了主接触器和预充电路寿命及整车充电安全性,降低了能耗;同时,充电时不需要闭合整车低压电源总开关,减少了充电操作步骤,并避免了充电后未断开电源总开关而导致蓄电瓶亏电的风险?

b.高压附件集成控制策略?PDU?DCDC?油泵DCAC?气泵DCAC和除霜控制集成为1个高压附件集成控制器ACU?

c.统一的安全监控策略?ACU采用1块控制板加多块功率板的方式集成设计,对外作为1个通信及网络节点,降低了整车主干网络复杂喥;ACU控制主接触器及预充电路?DCDC接触器及预充电路,统一管理整车高压电气的上?下电流程,监控所有部件的主动放电过程?

1.2 高压附件集成控制器硬件设计

ACU是整车高压电气架构及附件控制的载体,既需要把来自储能系统的电能进行分配,同时需要根据各个传感器及CAN总线上的信号输入进荇决策,控制整车高压上下电和各个附件执行机构?另外,需要满足《电动客车安全技术要求》的规定,在高压系统失效时,需要确保转向系统的咹全?ACU具有如下功能:

a.为各个高压负载提供高压配电,包括电机控制器?电空调等?

b.把动力电池电压转换为27V的整车低压用电(DC/DC功能)?

c.把动力电池電压转换为380V的交流电,驱动气泵电机工作(气泵DC/AC功能)和油泵电机工作(油泵DC/AC功能)?

d.用蓄电池驱动低压转向油泵工作(低压转向冗余功能)?

e.控制高压除霜器工作(除霜控制)?

f.主接触器及预充功能?

g.通过急停开关紧急关断高压功能?

控制器硬件结构如图2所示,具有如下几个特点:

a.采用主从式硬件结构?主控制板主要功能是:对外作为网络节点,接收传感器和开关信号,并交互总线通信信息;对内基于工况及整车控制器开发的指令信息,控淛主接触器?预充电路完成高压上下电,并发送指令信息给各从控板来控制外部的油泵?气泵?除霜及24V电源输出?从控制板主要作为执行部汾,驱动外部油泵?气泵?除霜及实现DCDC变换输出?主从式硬件结构一方面可以适应车辆功能的灵活配置,另一方面保障了整车主干通信网络安铨,对外作为1个网络节点,内部自组成1个网络,避免了内部节点通信出现问题,而对整车主干网络造成不良影响?

b.采用了高?低压转向“双源冗余”功能?一旦高压系统失效,低压转向驱动电路及时进行切换?

c.除霜功率驱动采用IGBT代替接触器实现?避免了除霜功能关闭时带载切断而导致嘚接触器损伤?

高低压“双源冗余”转向驱动电路结构如图3所示,高低压采用相同的使能逻辑电路?不同的驱动电路和功率输出电路?当高壓转向需要转换到低压转向时,从控板关闭高压转向的硬件发波电路,切换到低压转向的发波硬件电路?转向使能逻辑电路结构如图4所示,高压使能和低压使能在同一时间,只能有1个信号有效,以确保转向控制的安全?

1.3 高压附件集成控制策略

1.3.1 主控板与从控板之间的通信及诊断策略

通信與故障诊断共用1路CAN总线,如图5所示?利用UDS完成ACU的诊断?标定和程序升级工作;UDS请求和应答的报文信息只在诊断?标定和程序升级时才会发出,不影响ACU与整车通信网络上其他网络节点的通信?当需要进行程序升级时功能程序跳入引导程序,此时ACU不响应网络上其他节点的通信,仅进行程序升级?ACU作为网关转发其内部各个从控板的UDS报文,ACU接收其他网络节点的通信报文进行逻辑转换,从而控制其内部各个从控板进行工作?

1.3.2 整车高压仩下电控制策略

将整车充电时的高压上下电和非充电时的上下电过程进行分离,流程分别如图6和图7所示?

这样既能满足整车充电时低压电子模块的供电,又能够防止由于忘记断开大闸而出现的蓄电池亏电风险;同时,由于整车充电时复用了DCDC模块,降低了成本和系统复杂性?

1.3.3 转向高压下電及“随动转向”策略

车辆在行驶过程中一旦出现掉高压,转向助力会突然丢失,安全隐患非常大?ACU在软件上的安全策略是:在整车有严重故障需要主动切断高压时,只有当车速低于一定值(5km/h)时才允许切断高压;同时,ACU基于转向“双源冗余”的硬件配置,在正常工作时,高低压转向使能切换逻輯随时待命,在车速大于5km/h情况下,如果检测到高压转向出现故障或接收到整车控制器开发发送的紧急下高压指令,ACU会在200ms内完成高压转向使能切换箌低压转向使能逻辑,保证整车转向安全?

为了降低转向能耗,ACU基于车辆运行状态?车速?是否打方向及转向电机的相电流反馈等输入,而采取“随动转向”策略来实时调整油泵电机的工作转速,如图8所示?如在车辆静止过程中需要转向时,ACU会控制拉升转速,提高转向功率;一旦车辆行驶茬较高的车速(如20km/h)时,整车的转向功率需求降低,ACU会调整降低油泵转速;整车在直线行驶不需要转向时,ACU会控制油泵工作在一个较低的转速;如在驻车過程中,不需要油泵工作时,ACU会暂停油泵工作,通过上述措施来实现转向功耗降低?

1.4 高压附件集成控制器结构设计

ACU外形结构设计主要考虑在整车仩装配?拆卸?高低压线束敷设?水管敷设布置的合理和便捷性,以及更换线束?保险?拆装紧固件等的维修接近性?ACU内部结构采用4层腔体,從上到下分别为:腔体a,包括继电器?熔断器等主控板等;腔体b,包括气泵DC/AC?油泵DC/AC的驱动和功率板;腔体c,即冷却水道;腔体d,即DCDC功率模块?将腔体b和腔体c放置在水道上下两侧,不仅可以同时冷却,而且还能缩小ACU体积?

ACU内部使用IGBT和变压器,均会产生较大的热损失并导致较高的温度,进而影响ACU的工作性能,甚至失效?通过对内部结构建立模型?网格划分?设置边界条件及载荷后,在整车要求ACU最小水流量15L/min情况下,对ACU内部各高温点进行温度场和流場分析?图9为不同部件的温度云图图10为压力云图,图11为速度流线图?由仿真可知:在入水口冷却液温度为70℃时,DCDC底板最高温度75.1℃,IGBT底板最高温度84.2℃(对应箱体热阻约为0.058℃/W);出水口冷却液温度70.8℃,相对入口温升约为0.8℃;整体流动性很好,出入口压力损失约为2.091kPa,流阻大小为8.36×106N·s·m-5,满足设计需求?

1.5 高壓附件集成控制器安全设计

ACU采用如下安全设计来保障整车的高压安全:

a.集成架构减少硬件故障点?首先是预充回路及主接触器配置在ACU内部,且甴ACU执行控制,避免由于线束?接插件等故障而引起接触器故障,减少了非预期的高压下电故障,降低成本的同时减少线束故障点达15个，约降低50%的硬线故障点?

b.提升接触器寿命?在预充回路的前?后端电压采用相同的采样电路和精度来检测,采样误差值可降低20~50A,避免了采样误差过大而对接触器造成电流冲击,可以极大地提高接触器的寿命?

c.消除带载切断而导致接触器粘连风险?针对高压除霜器PTC为带载切断的特点,ACU采用IGBT实现除霜功率输出,由于IGBT带载关闭的特性优于接触器,消除了接触器粘连的隐患?

d.通过计算?仿真等手段实现电气间隙?爬电距离和X/Y电容的匹配等关鍵点,使ACU的绝缘电阻在1000V直流电压下不低于30MΩ?

对设计开发的高压附件控制器进行了台架及整车搭载试验?在环境温度为85℃?入水口温度为75℃嘚条件下进行满负荷测试,ACU台架的热平衡试验结果如图12所示?

试验结果表明,ACU内部各高温测试点温度均在报警限值以下,完全能够满足设计指标偠求?

表1为ACU在公交工况下运行1天的转向能耗数据(公交工况1圈约19km)?

从表1可以看出,基于“随动转向”控制策略,在公交工况下,优化后的ACU的转向功耗降低约30%,可以为整车减少约3kW·h的耗电量,增加了整车的续驶里程?

采用平台化高压电气架构后的整车后舱布置如图13所示?

由图13可知,高压部件ACU?BDU和MCU布置在后舱,非常便于维护?ACU布置空间减小50%,高压接点减少15个,减重40%(集成前独立部件总质量为45kg左右,而ACU的质量为28kg),降低成本4300多元;同时,从原来装配哆个零件变为只需要装配1个零部件,提升生产装配效率300%?

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