整车控制器的功能及发展趋势
近海
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2020.05.08
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整车控制器VCU(Vehicle control unit)是伴随着电动汽车而出现的电子控制单元,它作为电动汽车的中央控制单元,是整个控制系统的核心。随着汽车电动化、智能化、网联化及共享化的浪潮,整个EEA架构慢慢由分布式向集中式发展,这使得整车控制器的功能及架构也必将发生重大的变化。本文主要从功能及架构两方面来介绍整车控制器的发展趋势。

1. 整车控制器的常见功能

(1) 整车高压上下电控制。VCU通过感知外部输入信号,根据预定策略制定相应的控制逻辑,并通过控制高压继电器或接触器完成整车电源模式的管理。整车电源模式主要包括:下电、低压、高压、可行车、充电等,BMS、MCU基于此状态实现内部状态机的切换。

(2) 整车运动控制。通过采集油门踏板、刹车踏板的状态完成对驾驶员驾驶意图的判断,并通过内置算法计算所需扭矩,然后将扭矩下发给MCU控制电机扭矩输出,实现驾驶员驱动、蠕行控制、能量回收、溜坡控制、电子限速等功能。随着车辆电动化的进一步发展,还会接收来自ADAS辅助驾驶、TCS底盘动力干预等系统的输入。

(3) 整车热管理。通过控制空调、水泵工作,使得驱动电机、动力电池始终处于良好的工作温度环境,延长电机和电池的使用寿命。一般来说,整车热管理需求包括电池冷却需求、电池加热需求、电机电控冷却需求、乘客舱加热冷却需求、座椅加热需求等。加冷加热需求由各部件提出并叫VCU统一协调控制。

(4) 整车能量管理和优化。在电动汽车中,电池除了给电机供电以外,还要给电动附件供电,如空调、加热器等,因此为了获得最大的续航里程,VCU将负责整车的能量管理,以提高能量利用率。比如在电池的SOC值比较低的时候,VCUVCU将对某些电动附件发出指令,限制电动附件的功率消耗,达到增加续航里程的目的。

(5) 故障诊断。VCU作为电动汽车大脑,需要监控各部件是否安全正常运行,并根据不同的故障采取相应措施以保证车辆处于安全可控状态,在出现极端故障情况下,VCU可控制电机降低功率输出、请求BMS下电等操作。另外,VCU需根据各部件的工作状态、故障标志位等信息制定故障码,并对故障等级进行划分。

(6) 整车网络管理。在电动汽车中有众多的电子控制单元,这些电控单元之间主要通过CAN总线进行通信,形成了一个复杂的通信网络。在整车网络管理中,VCU是信息控制的中心,负责信息的组织和传输,负责网络状态的监控、网络节点的管理以及网络故障的诊断和处理等。

(7) 车辆状态的监测。VCU对车辆状态进行实时监测,并将各子系统的信息发送给车载信息显示单元进行显示,帮助驾驶员了解车辆状态。显示的内容包括电机转速、车速、电池电量、温度、续航里程、故障信息等。随着电动汽车智能化的进一步发展,显示的内容还将进一步增加。

(8) 制动能量回馈控制。电动汽车制动时,可将电动机作为发电机利用制动发电,并将电能馈送至动力电池,达到延长续航里程的目的。在制动过程中,VCU根据制动踏板的开度以及动力电池的SOC值来判断是否能够进行制动能量回馈以及以多大的充电功率进行回馈,在能量回馈的同时保护动力电池免受损害。

(9) 充电管理。实现充电的连接、监控充电过程、报告充电状态、充电结束等。

2. 发展趋势

随着电动汽车电动化、智能化和网联化的发展,对整车控制器提出了越来越多的要求,主要表现在以下几个方面:

(1) 功能更加集中

为了给消费者提供更多的便利性和舒适性体验,OEM制造商给汽车赋予了越来越多的功能,随之带来的后果就是汽车内部的电控单元越来越多,控制逻辑和通信网络越来越复杂,给整个电控系统的开发和升级、维护等带来极大挑战。因此未来的汽车电子电气架构将向集中式发展,而支撑这种集中式架构的就是域控制器。

域控制器的处理能力更加强大,一般采用多核微控制器,其内部集成了更多功能,可以取代目前分布式架构中的多个控制器,大大减少了系统内控制器的数量,既减少了线束长度,也减轻了系统重量,整个系统结构更加简洁。

另外,采用域控制器之后,之前很多需要在系统总线上传输的数据,改为在域控制器内部电子部件之间传输,减轻了总线负载。

(2) 功能安全

在汽车设计中始终应该以安全为第一要素,随着ISO26262标准的推出,OEM制造商对电控单元的功能安全也越来越重视,因此在整车控制器的设计中功能安全的实施会是一个绕不开的话题。

VCU的功能安全设计包括硬件功能安全和软件功能安全两大部分,其中硬件功能安全设计包括电路架构的设计、微处理器的选择(必须满足一定的功能安全等级)、安全相关电路的设计等。其中微处理器的功能安全指标是重中之重,一些常见措施包括锁步核的实现、时钟监控、电源监控、RAM和FLASH 校验、内存访问权限、FCCU、内部电路自检等。

(3) 信息安全

随着电动汽车网联化的发展,汽车与外部世界交互的接口越来越多,包括蓝牙、WIFI、以太网、GPS、4G/5G等,这也意味着黑客侵入汽车内部网络的渠道越来越多,所以必须确保汽车与外部世界交互的数据的安全性和保密性,这就对整车控制器的信息安全性提出了更高的要求。

(4) OTA升级

随着“软件定义汽车”口号的提出,未来汽车电控单元的功能将不再是一成不变的,而是可以通过OTA手段不断增加新的功能,或者升级已有系统的性能,给消费者提供常用常新的用车体验。另外,通过OTA升级也大大减轻了OEM制造商召回汽车的费用,可以方便地对电控单元进行缺陷修复、补丁升级等操作。

以上介绍了电动汽车整车控制器的常用功能,以及在电动汽车四化浪潮下整车控制器的发展趋势。随着汽车技术的不断发展,整车控制器无论从功能还是架构方面必须做出改变以满足新的技术需求,不断自我革新,更好地发挥其电动汽车大脑的作用。

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