新能源汽車(chē)為什么需要VCU整車(chē)控制器？

傳統燃油車(chē)的控制器主要包括發(fā)動(dòng)機ECU、變速箱TCU、防抱死ABS、車(chē)身控制器BCM、無(wú)鑰匙系統PEPS和儀表IPC等。

電動(dòng)車(chē)主要是在動(dòng)力系統上用動(dòng)力電池和電機替代了燃油車(chē)的發(fā)動(dòng)機和變速箱系統，因此相應增加了電源管理系統BMS和電機控制器MCU。

新能源汽車(chē)除了MCU和BMS，實(shí)際上還增加了很多高低壓部件，比如DCDC、OBC、PTC、EBS；還有更智能化的控制器，比如智能座艙IVI、熱管理TMS、車(chē)聯(lián)網(wǎng)TBOX和集成制動(dòng)IPB等等。

新能源汽車(chē)為什么要增加一個(gè)VCU整車(chē)控制器呢？

車(chē)上的控制器增加后，整個(gè)電控系統的耦合復雜度增加，尤其是混合動(dòng)力汽車(chē)，還要協(xié)調兼顧原來(lái)的燃油發(fā)動(dòng)機系統與新能源的電機系統的運行。比如發(fā)動(dòng)機管理系統ECU和電機控制器MCU出現沖突時(shí)，到底是由誰(shuí)來(lái)決策更好呢？此外，新能源車(chē)輛對驅動(dòng)能力和整車(chē)的能耗要求更高，需要對各個(gè)模塊之間的復雜關(guān)系做統籌管理。

因此新能源車(chē)必須要有1個(gè)中心的“大腦”,能夠按整車(chē)的目標，統一協(xié)調、管理和控制各個(gè)控制器，使車(chē)輛能夠合理分配動(dòng)力、提高運行效率、降低能耗排放、增強故障預警和處理能力，這個(gè)大腦就是VCU。

這就像游擊隊和正規軍一樣，游擊隊人數少，行動(dòng)敏捷，目標任務(wù)明確，各個(gè)小組間只需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的協(xié)商和分工合作就可以達到效率最高，往往可以以少勝多，出奇制勝。

但是當人數達到一定規模時(shí)，它的復雜程度就會(huì )成倍提高，兵種的分類(lèi)、武器彈藥的分配、后勤保障的機制、各部門(mén)之間的協(xié)作等都會(huì )提出更高的要求，這時(shí)候就必須要有一個(gè)總的指揮中心來(lái)統一管理和協(xié)調。

VCU的功能會(huì )隨著(zhù)整車(chē)系統的變化而變化。按功能類(lèi)別可以劃分為車(chē)輛系統、傳動(dòng)系統、電力系統、熱管理系統、診斷、通訊、安全監控等。

其中主要的功能包括扭矩控制管理、整車(chē)的能量管理、充電管理和熱管理、故障診斷及處理、車(chē)輛狀態(tài)監控。

1扭矩管理

車(chē)輛最重要的指標就是驅動(dòng)能力和制動(dòng)能力，通俗的說(shuō)就是加速性能和剎車(chē)性能，而加速和剎車(chē)都是通過(guò)電機或發(fā)動(dòng)機的扭矩輸出控制的。

扭矩管理就是需要通過(guò)油門(mén)踏板或制動(dòng)踏板的控制（深度，踩下速率等）解析，判斷駕駛員的需求扭矩大小，結合整車(chē)運行模式，協(xié)調各驅動(dòng)部件(發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、前驅動(dòng)電機、后驅動(dòng)電機)及時(shí)、準確的響應扭矩需求，達到不同的加減速效果。

扭矩管理在純電、混動(dòng)，四驅/兩驅等不同車(chē)型中有不同的策略。

我們以四驅為例，四驅與兩驅的區別就是前后軸都有驅動(dòng)電機，都可以驅動(dòng)，四驅的扭矩控制管理就是進(jìn)行前后軸扭矩分配，最終輸出至前、后驅動(dòng)電機。

在分配前后軸扭矩時(shí)需要考慮三個(gè)方面：經(jīng)濟性，動(dòng)力性和操縱穩定性。

經(jīng)濟性分配的考慮是當前需求的扭矩下找到整體效率最優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現雙電機、三電機及四電機的效率最優(yōu)分配，降低能耗，節省能量，從而增加電池的續航里程，使用場(chǎng)景通常是在道路中基本勻速行駛時(shí)。

動(dòng)力性分配中的負載分配功能可以通過(guò)識別當前路面坡度及車(chē)輛加減速情況，建立前后軸載荷模型計算前后軸扭矩的最佳分配比，在載荷轉移時(shí)通過(guò)前后軸扭矩自動(dòng)分配充分利用地面最大附著(zhù)力，減少車(chē)輪滑轉提高車(chē)輛加速能力。

動(dòng)力性分配尤其要考慮車(chē)輪陷入泥坑中打滑時(shí)的場(chǎng)景，動(dòng)力分配的基本原理是在車(chē)輛單軸處于滑轉狀態(tài)時(shí)主動(dòng)調整前后軸扭矩分配向未滑轉軸轉移，降低動(dòng)力損失，在識別到前后軸交替滑轉時(shí)，動(dòng)態(tài)控制前后軸扭矩分配，充分利用路面附著(zhù)系數，提高車(chē)輛在低速時(shí)的脫困能力。

穩定性分配就是要保證車(chē)輛轉向時(shí)的穩定性，車(chē)輛中的ESP就是用于車(chē)身電子穩定系統，但是ESP頻繁啟動(dòng)也會(huì )造成駕駛的不適感。

VCU通過(guò)轉向狀態(tài)監測與轉向扭矩控制，可以在ESP介入前通過(guò)前后軸扭矩分配實(shí)時(shí)調整車(chē)輛運動(dòng)姿態(tài)，及時(shí)抑制車(chē)輛轉向不足(US)和轉向過(guò)度(OS)的失穩狀況發(fā)生，在加速轉向工況降低ESP的介入頻次，減少制動(dòng)沖擊與橫擺感，提高駕駛員的駕駛感受。

驅動(dòng)扭矩在具體計算時(shí)還要考慮車(chē)輛的駕駛模式，在不同的駕駛模式下通過(guò)加速踏板的開(kāi)度及車(chē)速，先計算出車(chē)輛的基礎驅動(dòng)扭矩，基礎扭矩可以對應ECO經(jīng)濟模式，如果是Normal正常模式再增加一定的補償驅動(dòng)值，如果是Sport動(dòng)力模式，就需要增加更大的補償值。

2模式與能量管理

2.1模式管理

車(chē)輛除了上面提到的駕駛模式，還有運行模式，運行模式主要是混動(dòng)車(chē)型使用，包括純電運行、串聯(lián)增程、并聯(lián)驅動(dòng)三種運行模式。

駕駛模式和運行模式的最終目的都是為了節約能量、合理分配動(dòng)力，但是駕駛模式是駕駛員主動(dòng)設置的模式，而運行模式是車(chē)輛自動(dòng)設置的模式。

純電模式就是車(chē)輛只用電能驅動(dòng)，串聯(lián)模式就是把發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機和動(dòng)力電池串聯(lián)在一起，在動(dòng)力電池電量不足的情況下，給電池發(fā)電，提供額外的電能，延長(cháng)車(chē)輛的行駛里程，所以這個(gè)模式又稱(chēng)為增程模式。

并聯(lián)模式就是發(fā)動(dòng)機和動(dòng)力電池并行工作，發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)一個(gè)軸，動(dòng)力電池驅動(dòng)另外一個(gè)軸，由于發(fā)動(dòng)機可以直接驅動(dòng)車(chē)輪，所以又叫直驅模式。

車(chē)輛在不同場(chǎng)景下，到底是用油適合還是用電適合呢？

VCU會(huì )先計算出燃油或電量消耗的等效值，按照等效值最小來(lái)決定運行模式，比如在中低速時(shí)通過(guò)增程器發(fā)動(dòng)機發(fā)電，使發(fā)動(dòng)機始終工作在高效區并為動(dòng)力系統提供動(dòng)力源；

在高速時(shí)會(huì )讓發(fā)動(dòng)機和電機共同驅動(dòng)車(chē)輛行駛，滿(mǎn)足動(dòng)力性和經(jīng)濟性需求。

當車(chē)輛運行工況發(fā)生變化，車(chē)輛運行模式需要切換時(shí)，VCU通過(guò)協(xié)調發(fā)動(dòng)機、增程器、驅動(dòng)電機和離合器之間的轉速和扭矩配合，在不影響駕駛需求扭矩前提下實(shí)現快速平穩的模式切換控制過(guò)程。

在實(shí)際處理過(guò)程中，VCU內部還可以分為初始化模式，高壓保持模式，充電模式，行駛模式，補電模式，故障模式等，VCU通過(guò)合理且明確的狀態(tài)轉移的條件，實(shí)現各狀態(tài)之間的切換。

2.2能量管理

模式管理實(shí)際上也是一種能量管理，VCU在整車(chē)能量有限時(shí)，會(huì )對輸出功率進(jìn)行限制，比如監測到電池電量低時(shí)，就要對電機的輸出功率進(jìn)行限制，同時(shí)也會(huì )對空調等大功率器件進(jìn)行限制。

VCU還可以實(shí)現對其它控制器或部件的控制管理，例如，空調功能的管理，DCDC需求管理，水泵，儀表，真空泵倒車(chē)燈，制動(dòng)燈的管控，將整車(chē)需求與各部件的管理統一考慮，實(shí)現能量的最優(yōu)化計算和分配。

3.熱管理

熱管理控制功能可以協(xié)調來(lái)自于電池、電機、發(fā)動(dòng)機和駕駛艙等的加熱或制冷需求，結合整車(chē)模式來(lái)決策和切換熱管理控制模式，及時(shí)的響應各種來(lái)源的熱管理需求。

比如電池溫度過(guò)低時(shí)，可以利用發(fā)動(dòng)機的余熱給電池加熱；

駕駛艙內溫度低，而電機溫度高時(shí)，又可以利用電機的余熱給駕駛艙加熱。

這樣在滿(mǎn)足了熱需求的同時(shí)還達到了節能的效果。通過(guò)熱量管理可以實(shí)現能耗、電池性能、駕駛艙舒適性最優(yōu)。

3.1低溫充電

在低溫環(huán)境下，電池的導電率下降，電能的傳遞受到影響，導致充電效率低下。低溫充電容易使得電池的容量和使用壽命下降，在極端情況下，低溫充電可能會(huì )導致電池內部物質(zhì)的析出，引發(fā)短路甚至是火災等安全事件。

為了提升低溫環(huán)境下車(chē)輛上電后快速達到電池合適的運行狀態(tài)，VCU可以結合駕駛員的出行時(shí)間、電池狀態(tài)、充電狀態(tài)以及整車(chē)能量狀態(tài)對電池進(jìn)行預熱，在駕駛員用車(chē)時(shí)使電池性能達到最優(yōu)狀態(tài)。

充電預熱控制可以實(shí)現用戶(hù)在低溫插槍充電時(shí)，根據電池的預熱請求，控制電池處于預熱模式。在充電機輸出能力范圍內，由充電機輸出功率通過(guò)電池加熱器（PTC）對電池加熱。

充電預熱模式下，電池的主繼電器要處于斷開(kāi)狀態(tài)，能確保電池不會(huì )有電流輸入或輸出。當電池被加熱到合適溫度后，再控制電池退出預熱模式進(jìn)入正常的充電模式。

在電池溫度很低時(shí)電池的充放電功率受限，行車(chē)過(guò)程中會(huì )經(jīng)常用到電池的功率極限值，電機功率受限時(shí)，各個(gè)電機之間還會(huì )相互影響，當整個(gè)系統在功率極限值附近運行時(shí)，會(huì )非常容易導致電池過(guò)充或過(guò)放發(fā)生，車(chē)輛會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)。

此時(shí)系統需要進(jìn)行快速調節以把電池功率調整到正常范圍內，但這又會(huì )導致駕駛性能變差。因此如何在低溫環(huán)境下同時(shí)兼顧功率極限值保護和可接受的駕駛性是個(gè)難點(diǎn)。

可以對長(cháng)時(shí)間工作的限值與短時(shí)間工作的限制分別設定，比如用長(cháng)時(shí)扭矩限值對駕駛員驅動(dòng)需求進(jìn)行限制，用短時(shí)扭矩限值對ESP干涉、發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)預留等扭矩需求進(jìn)行限制，保證滿(mǎn)足駕駛需求的同時(shí)，不會(huì )出現電池過(guò)充過(guò)放的情況。

4.故障監測

新能源汽車(chē)的動(dòng)力和高壓部件比傳統車(chē)多很多，車(chē)輛可能發(fā)生的故障類(lèi)型和數量以及故障發(fā)生后的處理方式也很多。

VCU在做好高壓上下電管理的同時(shí)，會(huì )對整車(chē)所有驅動(dòng)部件可能發(fā)生的故障進(jìn)行梳理，針對不同場(chǎng)景下發(fā)生故障的嚴重性，設定不同等級的故障響應方式。在確保車(chē)輛安全的前提下，盡可能做到駕駛體驗的友好性。

通常整車(chē)一級故障時(shí)，通過(guò)聲光報警提醒。整車(chē)二級故障時(shí)，就需要限制功率運行。而整車(chē)三級故障時(shí)，就需要停止運行。

例如，在電機過(guò)溫時(shí)，如果判斷為二級故障，可以降低行車(chē)功率，先保證車(chē)輛部分基本功能，再基于整車(chē)角度，對故障進(jìn)行適應性處理。

從整車(chē)角度上可以考慮做出限速、跛行、降功率、關(guān)高壓附件、緊急關(guān)閉等多種處理方法。

5.小結

整車(chē)控制器VCU就像汽車(chē)的大腦，負責協(xié)調各個(gè)ECU模塊間的耦合功能，主要的功能包括扭矩控制管、整車(chē)的能量管理、充電管理和熱管理、故障診斷及處理、車(chē)輛狀態(tài)監控等。

隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化、智能化的快速發(fā)展，整車(chē)控制器VCU未來(lái)發(fā)展將是高度集成及安全可靠，同時(shí)兼顧舒適與節能。