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      北京物流信息聯盟

      技術|電動汽車整車控制器(VCU)技術及開發流程深度剖析

      中汽汽車電子電器信息 2021-05-06 11:12:04


      整車控制器(VCU),電動汽車的大腦,相當于電腦的Windows,手機的Andrio。作為電動汽車上全部電氣的運行平臺,它的性能優劣,直接影響其他電氣性能的發揮,是整車性能好壞的決定性因素之一。


      01

      組成


      1.1

      結構組成

      VCU,結構上,由金屬殼體和一組PCB線路板組成。


      1.2

      硬件組成

      功能上由主控芯片及其周邊的時鐘電路、復位電路、預留接口電路和電源模塊組成最小系統。


      在最小系統以外,一般還配備數字信號處理電路,模擬信號處理電路,頻率信號處理電路,通訊接口電路(包括CAN通訊接口和RS232通訊接口)



      02

      各電氣與VCU之間是怎樣工作的


      一些用于監測車體自身狀態的信號或者車載部件中比較重要的開關信號、模擬信號和頻率信號,由傳感器直接傳遞給VCU,而不通過CAN總線。


      電動汽車上的其他具有獨立系統的電氣,一般通過共用CAN總線的方式進行信息傳遞。


      2.1

      直接傳遞的信號們

      • 開關信號包括:鑰匙信號,檔位信號,充電開關,制動信號等;

      • 模擬信號一般有:加速踏板信號,制動踏板信號,電池電壓信號等;

      • 頻率信號,比如車速傳感器的電磁信號。


      輸出的開關量,動力電池供電回路上的接觸器和預充繼電器,在一些車型上,由VCU負責控制。


      2.2

      通過CAN交互的電氣單元

      CAN總線上的通訊參與者地位不分主從,隨時隨地向總線發動信息。信息之間的先后順序由發出信息者的優先級確定。優先級在通訊協議中已經做出規定,每條信息里都有發信者的地址編碼;


      通訊中的信息編碼,都有相應的通訊協議予以明確規定。誰發出什么樣的代碼提供哪些類型的信息,主要依據是供需雙方的約定。比如下面表格中的電氣單元地址編碼,就是來自一份整車廠與VCU供應商的技術協議。


      CAN故障記錄,是維修調試人員最好的小幫手。下圖是通訊協議中對故障代碼的規定,常見的故障類型都位列其中,只要對照協議表格,大家都可以讀懂故障記錄了。


      比較例外的是充換電相關的系統,由于通用性的強烈需求,通訊協議需要統一,有國家標準予以統一編碼(下文列舉了相關國標)。


      2.2.1 VCU與動力電池系統

      動力電池是純電動汽車動力的唯一來源。VCU與電池管理系統(BMS)通過整車CAN總線進行信息交互。


      動力電池包實時監測并上報給VCU參數包括:總電流,總電壓,最高單體電壓,最低單體電壓,最高溫度,電池包荷電狀態SOC(State of Charge),某些系統還監測電池包健康狀態SOH(State of Health)。


      VCU發送給電池包的命令包括充電,放電和開關指令。


      充電,在最初的充電連接信號確認后,整車處于禁止行車狀態,VCU交出控制權。整個充電過程由電池管理系統(BMS)和充電機共同完成,直至充電完成或者充電中斷,車輛控制權重新回到VCU手中。


      放電,VCU根據駕駛員意圖,推算出車輛的功率需求,換算成電流需求,發送給BMS。BMS根據自身SOC,溫度和系統設計閾值,確定提供的電流值。


      當熱管理系統需要使用電池包以外的資源時,需要電池包與VCU協調處理讓管理過程,比如壓縮機系統,冷卻液循環系統等的開啟關閉。如果熱管理過程只涉及電池包內部電氣,比如開啟內置的PTC、加熱膜加熱,或者開啟風扇降溫,則信息只在電池包內部處理即可,不需要與VCU溝通。


      開關指令,在充放電開始之前,VCU控制整車強電系統是否上電,通過控制電池包的主回路接觸器實現。在車輛運行過程中,遇到突發狀況,VCU酌情判斷是否閉合或者斷開主回路接觸器。


      2.2.2 VCU與電機及其控制器

      VCU向電機控制器發送的指令,包含三個部分的描述,電機使能信息、電機模式信息(再生制動,正向驅動,反向驅動)以及相應模式下的電機轉矩;


      電機控制器向VCU上報電機和控制器的各種參數及故障報警信息,主要參數包括電機轉速,電機轉矩,電機電壓和電流。


      2.2.3 VCU與充電系統

      充電系統包括車載充電機,非車載充電機,廣義上還包含換電系統。充換電系統(這里的“充”主要是指非車載充電機),出于最大通用性的考量,需要一套統一的通訊協議。下列國標都是目前的最新版本。

      • GBT 27930-2015 電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議

      • GB∕T 32895-2016 電動汽車快換電池箱通信協議

      • GBT 32896-2016 電動汽車動力倉總成通信協議

      標準統一規定了充電流程,包括具體的通訊編碼,通訊語句的內容。


      以充電槍與車輛上的充電接口的物理連接為開端,整個充電過程中的信息互換都在電池管理系統和充電機之間進行,不再通過VCU。


      2.2.4 VCU與制動系統

      采用復合制動系統的電動汽車,需要綜合考慮液壓制動系統,電機制動和防抱死系統(ABS)的協調一致性,進而需要有自己的管理系統,稱為制動管理系統(BCU)。BCU可以獨立于VCU之外,只通過CAN通訊,也可以把功能集成到VCU內部。


      根據制動踏板的開度和開度變化的速度,VCU計算出車輛的制動需求力矩,傳遞給BCU。BCU根據車輛的具體狀態做出具體力矩分配。


      車速中等的一般制動,直接切入電機能量回饋制動,以最大數量的回收制動能量;


      車速高,駕駛員急踩踏板,需要緊急制動。則BCU會首先啟動液壓制動系統,待減速狀態穩定以后,再引入能量回饋制動,并逐漸加大比例。


      行駛在冰雪路面,BCU則會引入ABS,并將其優先級設置為最高,以車輛正常安全行駛為要。


      2.2.5 VCU與智能儀表

      電動汽車儀表盤,結合傳統車原來的布置,國標GB/T 19836-2005 對顯示內容提出了要求,如下表所示。


      智能儀表,高端和低端的原理區別比較大。我們只以其中一種形式為例。


      儀表系統通過CAN總線與VCU相連,從VCU獲取需要顯示的數據。數據傳輸進儀表控制器以后,信號處理電路,將信息還原成各個儀表的顯示內容。


      上一代的指針式儀表,需要以步進電機為媒介,把獲得的數據轉化成驅動表針旋轉的動力。稍微先進一點的液晶顯示器,則不需要驅動步進電機這個過程,直接通過信息處理,即可在顯示屏上實時顯示。下面是一個智能儀表硬件設計框圖,僅供獲得感性認識。


      03

      典型工況詳述


      VCU作為車輛的核心,控制和監測著車輛的每一個動作。車輛的控制過程,就是針對不同的運行模式,對關切的幾個參數進行比較。參數屬于哪個范圍,汽車就執行怎樣的運行模式。


      車輛工作模式,一般的劃分法:空檔模式、正常驅動模式、制動模式、失效保護模式、起步模式和充電模式。


      下面按照車輛的不同運行模式,粗略講述它的工作過程。


      3.1

      起步模式

      這個模式的最重要特點是,進入起步模式以后,如果車輛處于水平路面,則車輛會以較小的速度開始行使;如果車輛處于斜坡上,則車輛至少會維持住原地不動的狀態。這是起步模式的特殊設計,該模式下,不必踩踏加速踏板,電機自動輸出一個基礎轉矩,防止溜車。


      3.2

      正常驅動模式

      指車輛處于正常運行狀態,包括加速,減速,倒車。這個過程中,VCU持續監測各個電氣系統電流,電壓,溫度等參數,以及車輛自身的車速,滑移率等等行車參數。識別駕駛員意圖,按照加速踏板的開度和開度變化率,計算電機的驅動轉矩和電池的輸出功率。


      3.3

      制動模式

      制動踏板被踩下,起動制動模式。VCU分析制動踏板的開度和開度變化率以及車速,結合車輛自身的車型參數,推算制動力矩。指揮制動控制器,做出最合理的制動力矩分配方案(提供制動力矩的主體包括液壓制動系統和電機回收制動),以及是否優先啟動ABS主導制動過程。安全有效的實現駕駛員的制動意圖。


      3.4

      失效保護模式

      電動汽車運行過程中,把系統內出現的故障定義成幾個等級。


      故障等級最低的,一般只是提示駕駛員。比如電池溫度達到50°C;


      故障等級最高的,會強制車輛在一個比較小的時間內停車,比如檢測出了系統絕緣故障。


      而介于之間的故障,不會強制停車,但會對車輛的運行狀態進行限制。比如電池電量SOC低于30%,限速行駛。此時的動力電池系統,已經無法輸出額定功率,而只能以一個較小的功率工作。


      3.6

      空檔模式

      電機與車輛的傳動系統之間沒有機械連接,電機處于懸空狀態,不會向外輸出任何轉矩。


      3.6

      充電模式

      充電槍與車輛充電插座物理連接確認后,輔助電源上電,相互發送握手報文并完成絕緣檢測。


      握手完成,進行參數確認。充電機發送充電機最大輸出能力報文,BMS確認,是否可以以最大能力充電,若不可,則發送電池包的最大接受能力。


      進入正式充電階段,在此過程中,充電機和BMS實時互相發送狀態信息,BMS周期性發送需求參數。


      充電結束,其判別條件根據BMS的不同設置而有所不同,一般做法,充電最后恒壓階段,電流衰減到一個設定值或者設定的倍率,即認為電池包已經充滿,充電過程可以結束。


      過程中,任何一方發生故障,比如過溫、過流等,充電機都會發出報警,根據故障等級的不同,有的直接終止,有的等待人為處理。


      04

      開發過程


      在汽車行業,V模式開發已經是一個公認的高效模式,VCU的開發過程,一般也會遵循這個過程。下面是一幅通用的V模式開發流程圖。


      V模式開發,其理念就是通過協同合作,使得軟件設計達到高效與高質兼得的目的。模型的水平方向,強調驗證的及時性和適用性。通用的經驗,在“V”字的最下面,比較基礎的工作,采用白盒測試,越往上,系統越復雜,傾向于向黑盒測試過度。


      具體整車控制器的開發過程:


      首先,根據提煉的需求,建立數學模型,并進行模型仿真;


      然后,將模型數據下載到快速原型中,用硬件接口替代原來模型中的邏輯接口;


      下一步,利用專業軟件,生成C代碼,與底層程序集成后,通過接口程序下載到整車控制器硬件中,準備進行調試。這個過程中,每個功能模塊會分別進行調試;


      接下來,硬件在環仿真測試,利用模擬器模擬車輛運行環境,對VCU進行功能測試;


      最后,VCU裝車,實車測評,完成通訊協議標定。測評通過后,得到產品的第一個版。

      (來源:知乎/L)



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