纯电动汽车整车控制策略*

翟世欢 辛明华 于兰

（天津清源电动车辆有限责任公司）

目前，空气污染不断加重，雾霾天气已影响到人们的生活，国家越来越意识到节能和环保的重要性。能源危机以及环境恶化2大问题亟待人类去解决。纯电动汽车以零污染和零排放的优点受到人们的青睐，研发和推广纯电动汽车是缓解能源和环境危机的重要手段。纯电动汽车作为新能源汽车的一个重要成员，饱含着国家对新能源汽车发展的期望[1]。文章从纯电动汽车整车系统结构出发，着重阐述整车控制单元及相关控制策略，力求能对新能源汽车的研究和开发起抛砖引玉的作用[2]。

1 纯电动汽车系统概述

1.1 纯电动汽车系统结构组成

纯电动汽车仅仅依靠动力电池组提供的电能作为动力源驱动电动机转动，以此为整车提供动力。纯电动汽车结构主要包括电机驱动系统、能源管理系统、整车控制单元、充电控制单元、电源变换装置（DC/DC）及仪表显示系统等。其基本结构，如图1所示[3-4]。

电池及管理系统为整车的能量来源；电机及控制系统为整车提供动力；整车控制器（VCU）采集挡位信号和踏板信号等，控制电池的放电及电机的运行；充电机为电池组充电；电机控制系统将电池组的直流高压电转换成交流电驱动电机转动，为整车提供动力；仪表为驾驶者提供车辆运行状况信息。

1.2 纯电动汽车整车控制器

VCU为纯电动汽车的调度控制中心，负责与车辆其他部件进行通信，协调整车的运行。

VCU系统结构，如图2所示。其主要包含电源电路、开关量输入/输出模块、模拟量输入模块及CAN通讯模块。电源模块从车载蓄电池取电，开关量输入模块接收的信号主要有钥匙信号、挡位信号及制动开关信号等；开关量输出信号主要是控制继电器，其在不同整车系统中意义略有不同，一般情况下控制如水泵继电器、风扇继电器、EV继电器及PTC继电器等。模拟量输入模块采集加速踏板和制动踏板开度信号及蓄电池电压信号等。CAN模块负责与整车其他设备通信，主要设备有电机控制器（MCU）、电池管理系统（BMS）、显示仪表、DC/DC模块及充电机等[5]。

2 纯电动汽车整车控制策略

VCU主要功能有：1）整车通信网络管理；2）整车工作模式控制；3）接收驾驶员指令，输出电机驱动扭矩；4）整车能量管理；5）监测和协调管理车上其他电器；6）系统状态仪表显示。

2.1 整车通信管理

根据图1，整车系统通过CAN通信网络将各个子控制系统连接在一起。整车系统通讯网络结构图，如图3 所示[6]。

VCU通过CAN网络接收BMS发送的电池各项信息，计算得出电机控制信息，并把此信息通过网络发送到MCU端。当汽车充电时，BMS与充电机进行通信，控制充电机输出所需的电压和电流，完成充电功能。车载显示系统获取CAN网络中的所需信息，并将其显示给用户。VCU起到协调管理整个通信网络的功能，是各个子设备的通信服务端。

2.2 整车工作模式控制

VCU工作模式，如图4所示[7]。

2.2.1 充电模式

通过打开充电门，VCU被触发上电。在检测到充电连接信号后，VCU启动BMS，然后BMS与充电机进行通信，启动充电过程，VCU持续监测BMS的报文信息。充电过程出现故障时，VCU会及时切断BMS继电器，以中断充电过程，防止发生危险事故。

2.2.2 上电模式

驾驶员打开钥匙开关，VCU触发上电，首先进行系统自检，然后闭合BMS继电器，控制电池系统上电，最后控制电机预充电过程，使电机系统上电。当整车所有设备都正常启动后，系统进入READY状态，指示可以进行正常驾驶操作。

2.2.3 行车模式

系统完成正常上电后，VCU采集来自驾驶人员的控制信号（挡位信号、加速踏板及制动踏板信号等），并根据系统的限制条件，经算法运算向MCU输出驱动扭矩，控制汽车的运行。

2.2.4 制动模式

相比传统燃油车，电动汽车的制动过程可以实现能量回收。当电动汽车处于制动状态时，VCU通过状态数据采集，推算所需的制动扭矩。此时驱动电机从工作模式转换为发电机模式向电池组充电。

2.2.5 故障模式

整车故障一般分为2级（1级故障和2级故障）。故障来自于VCU，BMS，MCU及DC/DC变换器等终端设备。这里定义1级故障为严重故障，2级故障为一般故障。整车系统出现2级故障时，汽车进入跛行故障模式，主要以限制系统输出功率的方式实现。整车系统出现1级故障时，整车系统进入紧急停止工作状态。

2.2.6 停车模式

停车模式是整车运行过程中无故障出现，驾驶者正常关闭钥匙，此模式中VCU控制电机和电池系统下电，然后控制各个附件设备关闭，完成自下电过程。

2.3 整车驱动系统控制

纯电动车的整车驱动系统由电机和电机控制系统组成，并通过CAN总线方式与整车网络通信。

1）VCU通过采集到的踏板开度信号和挡位信号，参考电池信息，经过转矩计算，得出最后的扭矩信息。扭矩信息通过CAN总线由VCU发送到MCU，MCU收到相应的控制信号后，执行对应的动作。

2）电机控制系统包含转矩控制方式和转速控制方式。VCU通过所发送的控制模式选择位来确定MCU的控制模式。

在转矩控制模式下，VCU向MCU发送的信息为电机输出转矩值、电机运行方向及电机运转模式等。在转速控制模式下，VCU向MCU发送的信息变为电机输出转速值、电机运行方向及电机运转模式等。

3）根据汽车的运行状况，电机运转模式分为电动模式和发电模式。电动模式下整车运行在驱动状态，汽车属于行驶状态；发电模式下整车运行在滑行或制动状态，实现制动能量的回馈。

4）电机控制系统在运行状态下，MCU实时向VCU上报状态信息和故障信息，并在系统出现故障时做出及时处理。VCU接收到MCU的各项信息后，会根据信息的内容对整车系统做出合理的控制。

5）MCU能够提供的状态信息有：电机转速、电机转矩、电机转矩极限值、电机运行状态、电机运转模式、电机运行电流和电压值、电机温度信息、风扇运行状态及水泵运行状态等。MCU能够提供的故障信息有：直流侧电压故障、IGBT故障、过流、散热器过热、超载及超速等。

2.4 整车能量优化控制

纯电动汽车整车能量的唯一来源为电池组，被BMS有序管理。VCU通过总线与BMS通信[8]。

1）BMS能够向VCU上报剩余电量信息、电池箱总电压和总电流、电池系统温度信息、电池输出继电器状态、以及电池组最大放电电流、最大回充电流及故障报警信息等。

2）VCU根据汽车控制策略以及来自总线上的电池状态和电机状态信息以闭合或者断开BMS的总正/负继电器，完成高压回路的闭合和断开功能。

3）与传统燃油车相比，电动汽车能够实现制动能量回馈功能。当整车处于减速滑行或制动状态时，VCU控制汽车产生再生制动力矩，使电机发电，并将电机发出的电能回充到蓄电池中，以实现有效的制动能量回收。

制动能量回收的程度由VCU通过收到的制动踏板开度、电池剩余电量及电机转速等信息计算得到。当电机转速较低时，制动回馈能量较低，随着电机转速增加，制动回馈能量也会相应增加；制动回馈程度随制动深度的增加而增加；其他条件不变时，当电池剩余电量较高时，制动回馈程度会降低，反之会增加。

2.5 汽车状态的显示

VCU对汽车的状态信息进行采集和处理，将重要的状态和故障信息发送给仪表进行显示，其显示的主要内容有：车速信息、电机转速、电池剩余电量、电机故障信息及电池故障信息等。

3 整车控制器开发流程

作为纯电动汽车系统的核心部件，VCU的开发主要根据整车的控制需求以及性能指标进行，而且VCU开发过程中需要各种不同的测试试验，而这些整车性能测试试验耗时较长，因此整个开发过程需要引入仿真手段，以缩短VCU开发的周期。文章将开发流程分为整车系统分析计算、系统建模仿真、半实物硬件在环仿真、实车台架及道路试验4个阶段[9]。

3.1 整车系统分析计算

VCU开发的最初阶段，要分析系统的需求，包括整车系统的硬件结构组成和性能参数。分析系统的硬件结构组成，可以确定VCU相关接口的配置需求，进而确定VCU的硬件电路原理图。整车系统的性能参数包括一般性参数、动力性参数及制动性能参数。这些参数的确定可以得出整车系统的续驶里程、动力性能及制动性能等数据，为VCU的仿真研究做好准备。

3.2 整车控制器系统建模仿真

由3.1节已经得到整车系统的各项参数指标，在仿真软件中（如Cruise，Advisor）搭建系统的仿真模型，实现VCU的控制策略。仿真可以初步确定整车的续驶里程、最高车速及最大爬坡度等。

3.3 整车控制器半实物硬件在环系统仿真

经过软件建模仿真后，VCU的硬件系统和控制策略基本确定。因此，可以据此设计VCU的硬件电路和相应控制策略，编写VCU的软件程序。

硬件在环仿真是在VCU硬件电路板和软件程序已设计完成的前提下，对所设计的整车系统进行离线实物仿真的过程。

目前比较常用的是通过dSPACE设备搭建整车的硬件在环仿真系统。dSPACE设备通过板卡与PC机通讯，通过综合试验环境ControlDesk软件实现部分控制信号的下发和仿真结果的实时显示，并通过硬线接口与设计好的VCU连接。此外，一些控制信号（如挡位、加速踏板及制动踏板信号）亦可以通过硬线连接将信号输入到dSPACE设备中。dSPACE在环仿真系统结构图，如图5所示。

3.4 实车台架及道路试验

VCU通过了硬件在环仿真后，便可以进入实测阶段，实车测试分为台架试验和道路试验。

测试过程首先需要进行台架试验，其主要目的是保证VCU进行后续道路试验的安全性，减少系统出现故障的几率，优化系统的控制参数。

台架试验设备包括VCU、电机系统及电池系统等，试验主要验证VCU硬件系统是否稳定，软件控制策略和故障处理是否正确。

为了完全且真实的验证VCU的性能指标，测试试验还需要进行道路试验。通过试验结果，试验者可以进一步优化驱动策略、制动回馈策略、能量管理策略及CAN通讯调度参数等。

4 结论

纯电动汽车整车控制是系统以VCU为核心部件，电池、电机及充电系统为外围辅助系统的一套完整的电控系统。纯电动汽车整车控制策略究其根本就是VCU的策略，包括整车网络管理、整车工作模式控制、驱动控制及能量管理等。而VCU的开发包括了系统分析、系统建模仿真验证及实车验证测试等。文章所论述的有关纯电动汽车的控制策略及整车开发的流程是新能源汽车开发过程中必须考虑的，从实践层面上对整车开发有一定的指导意义[10]。