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)動機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。

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

新能源汽車除了MCU和BMS，實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IPB等等。

新能源汽車為什么要增加一個VCU整車控制器呢？

車上的控制器增加后，整個電控系統(tǒng)的耦合復雜度增加，尤其是混合動力汽車，還要協(xié)調兼顧原來的燃油發(fā)動機系統(tǒng)與新能源的電機系統(tǒng)的運行。比如發(fā)動機管理系統(tǒng)ECU和電機控制器MCU出現(xiàn)沖突時，到底是由誰來決策更好呢？

此外，新能源車輛對驅動能力和整車的能耗要求更高，需要對各個模塊之間的復雜關系做統(tǒng)籌管理。

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

這就像游擊隊和正規(guī)軍一樣，游擊隊人數(shù)少，行動敏捷，目標任務明確，各個小組間只需要經(jīng)過簡單的協(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(shù)達到一定規(guī)模時，它的復雜程度就會成倍提高，兵種的分類、武器彈藥的分配、后勤保障的機制、各部門之間的協(xié)作等都會提出更高的要求，這時候就必須要有一個總的指揮中心來統(tǒng)一管理和協(xié)調。

VCU的功能會隨著整車系統(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。

VCU系統(tǒng)功能分類

1 扭矩管理

車輛最重要的指標就是驅動能力和制動能力，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或發(fā)動機的扭矩輸出控制的。

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，結合整車運行模式，協(xié)調各驅動部件(發(fā)動機、發(fā)電機、前驅動電機、后驅動電機)及時、準確的響應扭矩需求，達到不同的加減速效果。

扭矩控制原理框圖

扭矩管理在純電、混動，四驅/兩驅等不同車型中有不同的策略。

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

在分配前后軸扭矩時需要考慮三個方面：經(jīng)濟性，動力性和操縱穩(wěn)定性。

四驅扭矩分配

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，實現(xiàn)雙電機、三電機及四電機的效率最優(yōu)分配，降低能耗，節(jié)省能量，從而增加電池的續(xù)航里程，使用場景通常是在道路中基本勻速行駛時。

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

四驅加速負載轉移分配控制效果

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

四驅加速防滑控制效果

穩(wěn)定性分配就是要保證車輛轉向時的穩(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頻繁啟動也會造成駕駛的不適感。

VCU通過轉向狀態(tài)監(jiān)測與轉向扭矩控制，可以在ESP介入前通過前后軸扭矩分配實時調整車輛運動姿態(tài)，及時抑制車輛轉向不足(US)和轉向過度(OS)的失穩(wěn)狀況發(fā)生，在加速轉向工況降低ESP的介入頻次，減少制動沖擊與橫擺感，提高駕駛員的駕駛感受。

 OS及US工況下的穩(wěn)定性控制

驅動扭矩在具體計算時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，先計算出車輛的基礎驅動扭矩，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值，如果是Sport動力模式，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車型使用，包括純電運行、串聯(lián)增程、并聯(lián)驅動三種運行模式。

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

純電模式就是車輛只用電能驅動，串聯(lián)模式就是把發(fā)動機、發(fā)電機和動力電池串聯(lián)在一起，在動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，所以這個模式又稱為增程模式。

并聯(lián)模式就是發(fā)動機和動力電池并行工作，發(fā)動機驅動一個軸，動力電池驅動另外一個軸，由于發(fā)動機可以直接驅動車輪，所以又叫直驅模式。

混動運行模式和能量流

車輛在不同場景下，到底是用油適合還是用電適合呢？

VCU會先計算出燃油或電量消耗的等效值，按照等效值最小來決定運行模式，比如在中低速時通過增程器發(fā)動機發(fā)電，使發(fā)動機始終工作在高效區(qū)并為動力系統(tǒng)提供動力源；

在高速時會讓發(fā)動機和電機共同驅動車輛行駛，滿足動力性和經(jīng)濟性需求。

混動模式原理框圖

當車輛運行工況發(fā)生變化，車輛運行模式需要切換時，VCU通過協(xié)調發(fā)動機、增程器、驅動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現(xiàn)快速平穩(wěn)的模式切換控制過程。

在實際處理過程中，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通過合理且明確的狀態(tài)轉移的條件，實現(xiàn)各狀態(tài)之間的切換。

2.2 能量管理

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

VCU還可以實現(xiàn)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，真空泵倒車燈，制動燈的管控，將整車需求與各部件的管理統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)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)調來自于電池、電機、發(fā)動機和駕駛艙等的加熱或制冷需求，結合整車模式來決策和切換熱管理控制模式，及時的響應各種來源的熱管理需求。

比如電池溫度過低時，可以利用發(fā)動機的余熱給電池加熱；

駕駛艙內溫度低，而電機溫度高時，又可以利用電機的余熱給駕駛艙加熱。

這樣在滿足了熱需求的同時還達到了節(jié)能的效果。通過熱量管理可以實現(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，低溫充電可能會導致電池內部物質的析出，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間、電池狀態(tài)、充電狀態(tài)以及整車能量狀態(tài)對電池進行預熱，在駕駛員用車時使電池性能達到最優(yōu)狀態(tài)。

充電預熱控制可以實現(xiàn)用戶在低溫插槍充電時，根據(jù)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狀態(tài)，能確保電池不會有電流輸入或輸出。當電池被加熱到合適溫度后，再控制電池退出預熱模式進入正常的充電模式。

低溫預熱原理框圖

在電池溫度很低時電池的充放電功率受限，行車過程中會經(jīng)常用到電池的功率極限值，電機功率受限時，各個電機之間還會相互影響，當整個系統(tǒng)在功率極限值附近運行時，會非常容易導致電池過充或過放發(fā)生，車輛會產生抖動。

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

可以對長時間工作的限值與短時間工作的限制分別設定，比如用長時扭矩限值對駕駛員驅動需求進行限制，用短時扭矩限值對ESP干涉、發(fā)動機啟動預留等扭矩需求進行限制，保證滿足駕駛需求的同時，不會出現(xiàn)電池過充過放的情況。

4. 故障監(jiān)測

新能源汽車的動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，會對整車所有驅動部件可能發(fā)生的故障進行梳理，針對不同場景下發(fā)生故障的嚴重性，設定不同等級的故障響應方式。在確保車輛安全的前提下，盡可能做到駕駛體驗的友好性。

通常整車一級故障時，通過聲光報警提醒。整車二級故障時，就需要限制功率運行。而整車三級故障時，就需要停止運行。

例如，在電機過溫時，如果判斷為二級故障，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，對故障進行適應性處理。

從整車角度上可以考慮做出限速、跛行、降功率、關高壓附件、緊急關閉等多種處理方法。

5. 小結

整車控制器VCU就像汽車的大腦，負責協(xié)調各個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，同時兼顧舒適與節(jié)能。