代码收藏家技术教程 2023-05-24

浅谈整车域控制器——VCU功能

浅谈整车域控制器——VCU功能（一）

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VCU的结构与概述

整车域控制器（VCU）是整车控制的核心控制器，通过汽车总线或者硬线，实现对电池系统、电驱系统、热管理系统等的管理，具体包括档位、加速踏板、制动踏板的控制，根据实时的动力电池电量，计算出需要输出的扭矩控制，整车的低压、高压的上下电、能量回收等控制。

VCU的内部结构简图如下

VCU的各项功能

一、档位管理

例如不踩刹车挂不上D档就是车辆的档位管理，这个就是由VCU控制的。档位控制器将档位请求信号发送给VCU，VCU判断换挡条件是否满足，再执行档位切换。

判断条件：

钥匙信号是否在ON档；

整车是否上高压；

低压蓄电池是否在有效范围内（比如9~16V）；

驾驶员是否系安全带、踩刹车；

车速是否为0等

输入信号：档位请求、当前车速信号、高压状态信号、钥匙信号、制动踏板信号。

档位的控制分三个阶段——上电阶段、正常运行阶段、下电阶段。

上电时，VCU默认向档位控制器发送P档请求，并且在仪表盘上点亮P档指示灯。

下电时，VCU会检测到车速达到要求时，发出P档请求。

正常运行时，检测上述的条件是否都满足，只有全满足后才能正常进行档位切换。

二、踏板信号管理

踏板信号包括油门和刹车，是整车最重要的输入量之一，直接反映了驾驶员的操作意图，并且影响车辆和人员的安全，因此这两个信号通常是冗余的，通常是各有两路独立的信号采集链路，且有严格的错误监测机制，如：

当两路油门或者刹车信号的差值超过一定范围，则认为是踏板开度不同，报踏板故障；

当踏板传感器的供电电压不在正常范围，报踏板故障；

当两路信号电压不在正常范围时，报踏板故障；

当油门和制动踏板同时请求时，有限响应制动踏板。

上述三条故障中任意一条发生时，VCU中使用该信号的软件模块不在使用该信号进行处理，并且车辆进入跛行，点亮仪表盘上的故障灯。

三、局域网内网络管理

VCU负责局域网内控制器的上下电管理。当VCU收到钥匙信号时，VCU首先被唤醒（对于VCU的唤醒的有机会再叙），并开始自检，自检主要包括上电过程中是否有故障报出、低压蓄电池电压是否在正常范围内，自检通过后通过CAN报文或是KL15硬线，将局域网的控制节点进行唤醒。

下电过程则是，当VCU检测到钥匙的OFF后，VCU首先停发网络管理报文，等待局域网内其他各节点都停发网络管理报文后，再一起停发应用报文，同步将进入下电休眠。

四、车辆驱动管理

车辆驱动管理包括驾驶模式管理，扭矩输出管理、定速巡航管理、自适应巡航管理等。

驾驶模式管理通常是按ECO、NORMAL、SPORT三种模式来管理动力输出和功率输出。

ECO模式下，通过限功率输出、车速来降低能量消耗，达到节能经济的目的。NORMAL通常为整车默认模式，能耗、车速都相对均衡，运动模式下通常是默认整车涉及的最大功率输入，提供强劲的动力表现。

这些控制是通过油门开度与不同的扭矩响应来达到的，在不同模式下有不同的映射表，也就是所说的map。在ECO模式下，扭矩输出比较柔和。在SPORT模式下，映射表中的对应值更高，也就意味着响应更加快速，动力来的更加澎湃。

VCU给电驱总车的扭矩请求值大多根据三个值确定：

VCU根据不同的驾驶模式下，标定的map表中当前转速对应的最大扭矩与油门开发的乘积。

BMS在当前条件下最大的输出功率值。

当前转速下电驱总成能输出的最大扭矩值。

VCU根据这三个值，选择其中最小的发送给电驱总成，进行扭矩响应。另外为了保证油门响应更加线性，在将扭矩请求值发送给电驱总成之前还会受扭矩变化率map的影响。在ECO模式下，扭矩变化率更加平缓，则动力响应偏慢，比较柔和。SPORT模式下扭矩变化率比较激进，变化率更大，动力响应快。

五、高压系统上下电管理

在纯电车中，高压系统的上下电是很重要的一环。首先高压存在安全问题，另外如果高压无法上电，车辆无法开动，类似于传统车上发动机无法启动一样。

高压上下电（有个高压保护策略，挖个坑，之后聊）需要的原则：

避免车辆出现非预期的加速、减速、转向等动作；

避免因高压故障引起人员伤亡及设备损坏；

满足高压上下电性能要求。

首先高压上下电功能需求主要包括：钥匙上电、直流/交流充电、远程控制（可能还有其他上电唤醒需求），这三种场景仅仅是唤醒方式不一样，高压上电的逻辑和时序是差不多的。

对于整个上电过程，通过会有时间要求，比如要求1s内局域网内各ECU（包括VCU、DCDC、DCU、BMS等）应完成上电流程，并进入工作模式。

1.正常上电流程

在上电流程中，首先是VCU被唤醒（钥匙唤醒、网络唤醒、或者充电cc信号硬线唤醒），启动后发送请求闭合HVIL回路使能线和必要的12V低压继电器的CAN报文，同时监控HVIL回路状态，然后DCU、DC/DC、BMS被唤醒（VCU发送的网络管理报文或者IG ON信号唤醒）并进行自检，监控HVIL回路状态，对于BMS来说还需要计算绝缘阻值，确认绝缘是否正常，无故障后进入待机模式（standby状态）。

随后VCU请求闭合主继电器，BMS则先后闭合主负继电器和预充继电器，当检测到母线电压达到阈值后，判断预充电成功，然后闭合主正继电器，并断开预充继电器，到这则高压上电完成，在VCU请求闭合BMS闭合主继电器时，同时也会请求DCU、DC/DC进入工作模式。

2.预充流程

为什么要预充呢？对于低压来说，例如平时用的电池或者是12V低压蓄电池，是不需要开关，直接拔电池不会有什么风险。但对高压而言，直接接电池是不行的，有可能会产生较大的冲击，烧坏功率器件。

预充是将预充电阻串联到高压回路中，由预充电阻分掉一部分电压，然后，随着各ECU内的电容充电上来，等到电压上升到某一阈值，主正继电器闭合，这样预充回路就完成了它的工作了，时序图如下。

3.正常下电

在正常下电流程中，当检测到钥匙信号、硬线信号关闭或网络唤醒信号停发，VCU立即请求DCU离开工作模式，并且功率器件迅速降低功率，随后VCU请求DC/DC离开工作模式，然后VCU在请求BMS断开高压继电器，BMS完成响应后，VCU断开HVIL回路和低压继电器，各节点进入下电休眠流程，时序图如下：

4.紧急下电

在正常上电状态下，如果出现绝缘阻值低于阈值、高压互锁断开、IGBT过流等严重故障时，VCU会进行紧急下高压电流程，首先VCU请求DC/DC脱离工作模式，DCU进入failure模式，随后VCU请求BMS断开高压继电器，并且断开HVIL回路，随后VCU请求IPU进入紧急放电模式，DCU在规定时间内完成余电泄放，若钥匙为关闭状态，则各节点进入休眠状态，时序图如下。