基于新能源汽車(chē)的VCU核心功能詳解

?VCU軟件核心功能介紹

支持 Reset后可自動(dòng)恢復(fù)行駛狀態(tài)的電管理功能

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如上文中提到VCU協(xié)調(diào)的部件很多，其中很多是高壓電力部件。因此VCU主要的工作之一是負(fù)責(zé)高低/壓電力系統(tǒng)的控制。包括：高壓上/下電協(xié)調(diào)、高壓功率分配和限制、高壓部件信息處理（包含D/R擋切換時(shí)的電機(jī)四象限映射），以及部件的診斷和保護(hù)功能。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很大程度的決定了整車(chē)的運(yùn)行狀況。

對(duì)于電子控制器來(lái)說(shuō)，在整個(gè)生命周期內(nèi)很難避免完全不發(fā)生復(fù)位，比如VCU自身內(nèi)部導(dǎo)致的硬件復(fù)位、軟件復(fù)位，以及外部干擾導(dǎo)致的復(fù)位等。雖然復(fù)位時(shí)間很短（比如軟件復(fù)位，發(fā)生復(fù)位到恢復(fù)通訊大概不到0.2s），但如果在有些場(chǎng)景（如高速行駛時(shí)）復(fù)位后不能盡快自動(dòng)恢復(fù)之前的狀態(tài)，則車(chē)輛會(huì)失去動(dòng)力，進(jìn)而可能會(huì)給駕駛員帶來(lái)非常大的安全隱患。

特別是對(duì)于整車(chē)控制器VCU，很多動(dòng)力相關(guān)的部件都受其控制。并且在正常情況下，如果要進(jìn)入行車(chē)就緒狀態(tài)，一般需要至少兩個(gè)不同的操作（如踩剎車(chē)、按啟動(dòng)按鈕、換擋等）；而一旦在高速工況下出現(xiàn)了控制器復(fù)位，很多復(fù)位前儲(chǔ)存的信號(hào)會(huì)被初始化，此時(shí)如果仍需要駕駛員兩個(gè)連續(xù)不同操作，則可能出現(xiàn)非期望的減速，甚至造成追尾事故。

為此，聯(lián)合電子開(kāi)發(fā)了一種新能源整車(chē)控制器軟件復(fù)位后動(dòng)力自動(dòng)恢復(fù)的控制功能（圖1），該功能通過(guò)識(shí)別到控制器發(fā)生了軟件復(fù)位，然后根據(jù)復(fù)位后車(chē)輛的狀態(tài)，決定是否需要恢復(fù)車(chē)輛復(fù)位前的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在盡可能保證安全的前提下，自動(dòng)恢復(fù)到復(fù)位前的狀態(tài)。

圖1 VCU 復(fù)位后自動(dòng)恢復(fù)可行駛狀態(tài)

上述方案經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試，在VCU發(fā)生復(fù)位后約0.11s后恢復(fù)通訊，該功能可以在0.19s內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)高壓狀態(tài)，0.25s后自動(dòng)恢復(fù)整車(chē)驅(qū)動(dòng)就緒狀態(tài)，0.38s后自動(dòng)恢復(fù)D擋并完成整個(gè)恢復(fù)過(guò)程。不需要駕駛員任何操作，整車(chē)恢復(fù)正常行駛狀態(tài)且沒(méi)有發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力丟失的現(xiàn)象（圖2）。

圖2 VCU 復(fù)位后自動(dòng)恢復(fù)可行駛狀態(tài)實(shí)測(cè)效果

支持多種協(xié)議的VCU充電主控功能

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充電控制功能負(fù)責(zé)識(shí)別不同模式的充電需求，根據(jù)不同的模式選擇對(duì)應(yīng)充電控制過(guò)程。與供電設(shè)備（EVSE）、動(dòng)力電池BMS等充電相關(guān)部件協(xié)調(diào)交互，實(shí)現(xiàn)充電使能條件判斷，充電過(guò)程監(jiān)控，充電結(jié)束條件判斷等功能。開(kāi)發(fā)的軟件不僅能實(shí)現(xiàn)支持國(guó)標(biāo)交流/直流充電協(xié)議，也能滿(mǎn)足歐洲和北美的聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）以及日本CHAdeMO充電協(xié)議（圖3）。為了解決充電設(shè)備的兼容性和充電時(shí)長(zhǎng)難以滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)車(chē)主的需求，軟件也實(shí)現(xiàn)了超級(jí)充電標(biāo)準(zhǔn)的充電控制功能。

圖3 充電控制軟件架構(gòu)

剩余充電時(shí)間是指電動(dòng)車(chē)開(kāi)始充電到充電結(jié)束所花費(fèi)的時(shí)間，充電時(shí)間隨著車(chē)輛電量增多逐漸減小。剩余充電時(shí)間估算功能要求車(chē)輛在充電開(kāi)始階段就能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整個(gè)充電過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間，但電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中，充電時(shí)間受電芯特性、充電策略、樁輸出能力、整車(chē)熱管理和SOX估算精度等多個(gè)因素的影響，因此，高精度的剩余充電時(shí)間估算一直是行業(yè)難題。

聯(lián)合電子采用的是一種基于充電工況動(dòng)態(tài)修正的自適應(yīng)剩余充電時(shí)間估算算法，該算法將充電過(guò)程分為低電壓預(yù)充電，恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段，算法根據(jù)每一階段的充電特征，分別估算各階段充電時(shí)間，然后累加求和得出總時(shí)間。在恒流充電階段，可以根據(jù)客戶(hù)需求配置基于電芯電壓或SOC階梯式充電策略的充電時(shí)間估算。

在充電過(guò)程中，算法通過(guò)增加充電樁輸出能力修正因子來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)充電樁最大輸出電流。對(duì)于高低溫工況，除了在充電開(kāi)始前計(jì)算電池預(yù)熱、預(yù)冷時(shí)間外，充電時(shí)間算法在充電過(guò)程中也會(huì)基于電池?zé)崮Ｐ秃碗姵匕鼰峁芾聿呗?，預(yù)測(cè)未來(lái)電池溫度，進(jìn)而確定電池未來(lái)的充電電流。對(duì)于充電末端，由于SOC精度造成充電時(shí)間偏差，算法增加基于單體電壓的充電時(shí)間倒計(jì)時(shí)算法以提高末端充電時(shí)間估算精度（圖4）。

圖4 直流充電剩余時(shí)間計(jì)算實(shí)測(cè)效果

支持充電預(yù)熱的中低溫回路熱管理控制

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熱管理控制功能可以協(xié)調(diào)來(lái)自于電池、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛艙等的加熱或冷卻需求（圖5），結(jié)合整車(chē)模式來(lái)決策和切換熱管理控制模式，進(jìn)而控制各子系統(tǒng)準(zhǔn)確的響應(yīng)各種來(lái)源的熱管理需求。開(kāi)發(fā)的軟件可以適用于純電和混動(dòng)項(xiàng)目中的多種熱管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 VCU熱管理需求來(lái)源

為了提升低溫環(huán)境下車(chē)輛上電后快速達(dá)到電池合適的運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)發(fā)的電池遠(yuǎn)程預(yù)熱功能可以結(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(chē)能量狀態(tài)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱，在駕駛員用車(chē)時(shí)使電池性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。方案引入了一次喚醒計(jì)算預(yù)熱時(shí)間和二次喚醒執(zhí)行預(yù)熱的概念，并且在駕駛艙有預(yù)調(diào)節(jié)需求時(shí)，引入特定的電管理和能量協(xié)調(diào)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能耗、電池性能、駕駛艙舒適性最優(yōu)。

充電預(yù)熱控制可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)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(guò)電池加熱器（PTC）對(duì)電池加熱。因?yàn)樵诔潆婎A(yù)熱模式下，電池的主繼電器在斷開(kāi)狀態(tài)，能確保電池不會(huì)有電流輸入或輸出，確保不會(huì)對(duì)低溫條件下的電池造成損壞。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。方案實(shí)現(xiàn)了在低溫下給電池充電有效保護(hù)電池的同時(shí)，縮短充電時(shí)間，給用戶(hù)帶來(lái)更好的充電體驗(yàn)（圖6）。

圖6 低溫交流充電預(yù)熱實(shí)測(cè)效果

低溫環(huán)境兼顧功率保護(hù)和駕駛性改善策略

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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)常用到電池的功率邊界。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)在功率邊界附近運(yùn)行時(shí)，會(huì)非常容易導(dǎo)致電池過(guò)充或過(guò)放發(fā)生。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行快速閉環(huán)調(diào)節(jié)以把電池功率調(diào)整到正常范圍內(nèi)，但這會(huì)導(dǎo)致駕駛性變得很差。因此如何在低溫環(huán)境下同時(shí)兼顧功率邊界保護(hù)和可接受的駕駛性?xún)煞矫嬉恢笔切袠I(yè)的有個(gè)難題。

尤其對(duì)于多電機(jī)串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)電機(jī)實(shí)際功率都會(huì)相互影響彼此的功率邊界，是一個(gè)相互影響的多層閉環(huán)控制，某一個(gè)高壓部件功率抖動(dòng)都會(huì)影響其他部件的抖動(dòng)（圖7）。因此，在極低溫度時(shí)電池輸入輸出功率受限，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在多電機(jī)耦合時(shí)，更容易造成電池過(guò)充過(guò)放以及駕駛性抖動(dòng)。

圖7 多電機(jī)串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)涔β蔬吔缬绊懯疽鈭D

針對(duì)多電機(jī)耦合的混動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)大量策略?xún)?yōu)化以及低溫駕駛性試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，軟件將電池長(zhǎng)時(shí)功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)邊界調(diào)節(jié)，在扭矩結(jié)構(gòu)以及模式切換過(guò)程中，用電機(jī)長(zhǎng)時(shí)扭矩邊界對(duì)駕駛員驅(qū)動(dòng)需求進(jìn)行限制，用電機(jī)短時(shí)扭矩邊界對(duì)類(lèi)似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(mǎn)足駕駛需求的同時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)電池過(guò)充過(guò)放的情況。通過(guò)電池功率預(yù)測(cè)，電池限制功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，以及預(yù)測(cè)功率變化趨勢(shì)提前收窄或放寬功率限制邊界等方式。很好的解決了低溫環(huán)境下兼顧功率保護(hù)和駕駛性的效果（圖8）。

圖8 功率閉環(huán)保護(hù)功能框架

以低溫環(huán)境下起步全油門(mén)加速工況為例，通過(guò)上述軟件優(yōu)化措施，當(dāng)?shù)蜏毓r發(fā)電機(jī)實(shí)際功率波動(dòng)情況下，也可以保證電池功率不過(guò)放，并且前后電機(jī)準(zhǔn)確響應(yīng)扭矩邊界限制，避免駕駛抖動(dòng)的發(fā)生（圖9）。

圖9 低溫全油門(mén)加速駕駛性實(shí)測(cè)效果

故障診斷和響應(yīng)

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新能源汽車(chē)的動(dòng)力和高壓部件比傳統(tǒng)車(chē)多很多，車(chē)輛可能發(fā)生的故障類(lèi)型和數(shù)量以及不同場(chǎng)景下(駐車(chē)、充電、行車(chē)等)的故障發(fā)生后的后處理的方式也很多。故障診斷的及時(shí)性、故障后處理的合理性對(duì)駕駛員的駕駛體驗(yàn)和車(chē)輛安全性都有很大的影響。

基于對(duì)整車(chē)所有驅(qū)動(dòng)部件的700多個(gè)故障原因和影響梳理，結(jié)合整車(chē)可能的故障響應(yīng)方式，軟件針對(duì)不同場(chǎng)景下發(fā)生故障的嚴(yán)重性，設(shè)計(jì)了多個(gè)等級(jí)的故障響應(yīng)方式。在確保車(chē)輛安全的前提下，盡可能做到了駕駛體驗(yàn)的友好性。此外VCU作為整車(chē)OBD的主控制器,根據(jù)法規(guī)實(shí)現(xiàn)了不同部件發(fā)生故障發(fā)生后的亮燈需求協(xié)調(diào)和故障提示功能（圖10）。

圖10 故障診斷和響應(yīng)功能框架

編輯：黃飛

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