新能源汽車為什么需要VCU整車控制器？

傳統(tǒng)燃油車的控制器主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、變速箱TCU、防抱死ABS、車身控制器BCM、無鑰匙系統(tǒng)PEPS和儀表IPC等。

電動(dòng)車主要是在動(dòng)力系統(tǒng)上用動(dòng)力電池和電機(jī)替代了燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱系統(tǒng)，因此相應(yīng)增加了電源管理系統(tǒng)BMS和電機(jī)控制器MCU。

新能源汽車除了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、車聯(lián)網(wǎng)TBOX和集成制動(dòng)IPB等等。

新能源汽車為什么要增加一個(gè)VCU整車控制器呢？

車上的控制器增加后，整個(gè)電控系統(tǒng)的耦合復(fù)雜度增加，尤其是混合動(dòng)力汽車，還要協(xié)調(diào)兼顧原來的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與新能源的電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。比如發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)ECU和電機(jī)控制器MCU出現(xiàn)沖突時(shí)，到底是由誰來決策更好呢？此外，新能源車輛對(duì)驅(qū)動(dòng)能力和整車的能耗要求更高，需要對(duì)各個(gè)模塊之間的復(fù)雜關(guān)系做統(tǒng)籌管理。

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

這就像游擊隊(duì)和正規(guī)軍一樣，游擊隊(duì)人數(shù)少，行動(dòng)敏捷，目標(biāo)任務(wù)明確，各個(gè)小組間只需要經(jīng)過簡單的協(xié)商和分工合作就可以達(dá)到效率最高，往往可以以少勝多，出奇制勝。

但是當(dāng)人數(shù)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，它的復(fù)雜程度就會(huì)成倍提高，兵種的分類、武器彈藥的分配、后勤保障的機(jī)制、各部門之間的協(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)總的指揮中心來統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)。

VCU的功能會(huì)隨著整車系統(tǒng)的變化而變化。按功能類別可以劃分為車輛系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、診斷、通訊、安全監(jiān)控等。

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

1扭矩管理

車輛最重要的指標(biāo)就是驅(qū)動(dòng)能力和制動(dòng)能力，通俗的說就是加速性能和剎車性能，而加速和剎車都是通過電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出控制的。

扭矩管理就是需要通過油門踏板或制動(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(jié)合整車運(yùn)行模式，協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)部件(發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、前驅(qū)動(dòng)電機(jī)、后驅(qū)動(dòng)電機(jī))及時(shí)、準(zhǔn)確的響應(yīng)扭矩需求，達(dá)到不同的加減速效果。

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

我們以四驅(qū)為例，四驅(qū)與兩驅(qū)的區(qū)別就是前后軸都有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，都可以驅(qū)動(dòng)，四驅(qū)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(qū)動(dòng)電機(jī)。

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

經(jīng)濟(jì)性分配的考慮是當(dāng)前需求的扭矩下找到整體效率最優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)、三電機(jī)及四電機(jī)的效率最優(yōu)分配，降低能耗，節(jié)省能量，從而增加電池的續(xù)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(fù)載分配功能可以通過識(shí)別當(dāng)前路面坡度及車輛加減速情況，建立前后軸載荷模型計(jì)算前后軸扭矩的最佳分配比，在載荷轉(zhuǎn)移時(shí)通過前后軸扭矩自動(dòng)分配充分利用地面最大附著力，減少車輪滑轉(zhuǎn)提高車輛加速能力。

動(dòng)力性分配尤其要考慮車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輛單軸處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)主動(dòng)調(diào)整前后軸扭矩分配向未滑轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)移，降低動(dòng)力損失，在識(shí)別到前后軸交替滑轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)態(tài)控制前后軸扭矩分配，充分利用路面附著系數(shù)，提高車輛在低速時(shí)的脫困能力。

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

VCU通過轉(zhuǎn)向狀態(tài)監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)向扭矩控制，可以在ESP介入前通過前后軸扭矩分配實(shí)時(shí)調(diào)整車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，及時(shí)抑制車輛轉(zhuǎn)向不足(US)和轉(zhuǎn)向過度(OS)的失穩(wěn)狀況發(fā)生，在加速轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)扭矩在具體計(jì)算時(shí)還要考慮車輛的駕駛模式，在不同的駕駛模式下通過加速踏板的開度及車速，先計(jì)算出車輛的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)扭矩，基礎(chǔ)扭矩可以對(duì)應(yīng)ECO經(jīng)濟(jì)模式，如果是Normal正常模式再增加一定的補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)值，如果是Sport動(dòng)力模式，就需要增加更大的補(bǔ)償值。

2模式與能量管理

2.1模式管理

車輛除了上面提到的駕駛模式，還有運(yùn)行模式，運(yùn)行模式主要是混動(dòng)車型使用，包括純電運(yùn)行、串聯(lián)增程、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)三種運(yùn)行模式。

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

純電模式就是車輛只用電能驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)模式就是把發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)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，延長車輛的行駛里程，所以這個(gè)模式又稱為增程模式。

并聯(lián)模式就是發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池并行工作，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)軸，動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)另外一個(gè)軸，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)車輪，所以又叫直驅(qū)模式。

車輛在不同場(chǎng)景下，到底是用油適合還是用電適合呢？

VCU會(huì)先計(jì)算出燃油或電量消耗的等效值，按照等效值最小來決定運(yùn)行模式，比如在中低速時(shí)通過增程器發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)并為動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力源；

在高速時(shí)會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛，滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性需求。

當(dāng)車輛運(yùn)行工況發(fā)生變化，車輛運(yùn)行模式需要切換時(shí)，VCU通過協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)、增程器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和離合器之間的轉(zhuǎn)速和扭矩配合，在不影響駕駛需求扭矩前提下實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)的模式切換控制過程。

在實(shí)際處理過程中，VCU內(nèi)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(bǔ)電模式，故障模式等，VCU通過合理且明確的狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件，實(shí)現(xiàn)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在整車能量有限時(shí)，會(huì)對(duì)輸出功率進(jìn)行限制，比如監(jiān)測(cè)到電池電量低時(shí)，就要對(duì)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行限制，同時(shí)也會(huì)對(duì)空調(diào)等大功率器件進(jìn)行限制。

VCU還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它控制器或部件的控制管理，例如，空調(diào)功能的管理，DCDC需求管理，水泵，儀表，真空泵倒車燈，制動(dòng)燈的管控，將整車需求與各部件的管理統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)能量的最優(yōu)化計(jì)算和分配。

3.熱管理

熱管理控制功能可以協(xié)調(diào)來自于電池、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛艙等的加熱或制冷需求，結(jié)合整車模式來決策和切換熱管理控制模式，及時(shí)的響應(yīng)各種來源的熱管理需求。

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

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

這樣在滿足了熱需求的同時(shí)還達(dá)到了節(jié)能的效果。通過熱量管理可以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電率下降，電能的傳遞受到影響，導(dǎo)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(dǎo)致電池內(nèi)部物質(zhì)的析出，引發(fā)短路甚至是火災(zāi)等安全事件。

為了提升低溫環(huán)境下車輛上電后快速達(dá)到電池合適的運(yùn)行狀態(tài)，VCU可以結(jié)合駕駛員的出行時(shí)間、電池狀態(tài)、充電狀態(tài)以及整車能量狀態(tài)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱，在駕駛員用車時(shí)使電池性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

充電預(yù)熱控制可以實(shí)現(xiàn)用戶在低溫插槍充電時(shí)，根據(jù)電池的預(yù)熱請(qǐng)求，控制電池處于預(yù)熱模式。在充電機(jī)輸出能力范圍內(nèi)，由充電機(jī)輸出功率通過電池加熱器（PTC）對(duì)電池加熱。

充電預(yù)熱模式下，電池的主繼電器要處于斷開狀態(tài)，能確保電池不會(huì)有電流輸入或輸出。當(dāng)電池被加熱到合適溫度后，再控制電池退出預(yù)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，行車過程中會(huì)經(jīng)常用到電池的功率極限值，電機(jī)功率受限時(shí)，各個(gè)電機(jī)之間還會(huì)相互影響，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)在功率極限值附近運(yùn)行時(shí)，會(huì)非常容易導(dǎo)致電池過充或過放發(fā)生，車輛會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。

此時(shí)系統(tǒng)需要進(jìn)行快速調(diào)節(jié)以把電池功率調(diào)整到正常范圍內(nèi)，但這又會(huì)導(dǎo)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(hù)和可接受的駕駛性是個(gè)難點(diǎn)。

可以對(duì)長時(shí)間工作的限值與短時(shí)間工作的限制分別設(shè)定，比如用長時(shí)扭矩限值對(duì)駕駛員驅(qū)動(dòng)需求進(jìn)行限制，用短時(shí)扭矩限值對(duì)ESP干涉、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)預(yù)留等扭矩需求進(jìn)行限制，保證滿足駕駛需求的同時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)電池過充過放的情況。

4.故障監(jiān)測(cè)

新能源汽車的動(dòng)力和高壓部件比傳統(tǒng)車多很多，車輛可能發(fā)生的故障類型和數(shù)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(duì)整車所有驅(qū)動(dòng)部件可能發(fā)生的故障進(jìn)行梳理，針對(duì)不同場(chǎng)景下發(fā)生故障的嚴(yán)重性，設(shè)定不同等級(jí)的故障響應(yīng)方式。在確保車輛安全的前提下，盡可能做到駕駛體驗(yàn)的友好性。

通常整車一級(jí)故障時(shí)，通過聲光報(bào)警提醒。整車二級(jí)故障時(shí)，就需要限制功率運(yùn)行。而整車三級(jí)故障時(shí)，就需要停止運(yùn)行。

例如，在電機(jī)過溫時(shí)，如果判斷為二級(jí)故障，可以降低行車功率，先保證車輛部分基本功能，再基于整車角度，對(duì)故障進(jìn)行適應(yīng)性處理。

從整車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(jié)

整車控制器VCU就像汽車的大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)ECU模塊間的耦合功能，主要的功能包括扭矩控制管、整車的能量管理、充電管理和熱管理、故障診斷及處理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等。

隨著汽車電動(dòng)化、智能化的快速發(fā)展，整車控制器VCU未來發(fā)展將是高度集成及安全可靠，同時(shí)兼顧舒適與節(jié)能。