电动汽车电控系统

电动汽车的电控系统通常包含三个子控制系统 —— 整车控制器、电池管理系统、驱动电机控制器。

整车控制器 VCU

整车控制器 VCU(Vehicle Control Unit)作为电动汽车的中央控制单元,是整个控制系统的核心,也是各个子系统的调控中心。VCU 的主要功能就是协调管理整车的运行状态,包括采集电机及电池状态,采集加速踏板信号、制动踏板信号、执行器及传感器信号,根据驾驶员的意图综合分析做出相应判定后,监控下层的各部件控制器的动作,它负责汽车的正常行驶、制动能量回馈、整车发动机及动力电池的能量管理、网络管理、故障诊断及处理、车辆状态监控等,从而保证整车在较好的动力性、较高经济性及可靠性状态下正常稳定的工作。可以说整车控制器性能的好坏直接决定了新能源汽车整车性能的好坏,起到了中流砥柱的作用。典型的整车控制器结构图如下图所示。

具体来说,整车控制器 VCU 的功能主要有:

  • 监控汽车状态:对汽车的状态信息进行采集和处理,并将重要的状态和故障信息发送给仪表进行显示,如车速、电动机转速、电池剩余电量、续航里程、故障信息等。
  • 驱动系统控制:根据加速踏板、制动踏板、档位等状态,计算出电动机所需的输出转矩等参数,协调各动力部件,保证电动汽车的正常行驶。
  • 管理通信网络:通过 CAN 总线等通信网络连接电动机控制器、电池管理系统以及各种 ECU 电子控制单元,协调管理整车通信网络。
  • 能量管理和优化:根据实际工况对汽车进行管理,监控电动汽车充电以及制动能量的回收,控制车内其他用电设备,实现能量高效分配。
  • 故障处理与诊断:实时监控各设备运行状态,对出现的异常情况进行诊断、提示和主动修复,保证电动汽车安全运行。

下面是混合动力电动汽车的整车控制器 VCU 与各个子系统或电子控制单元的连接示意图。

整车控制器概念起源于传统燃油汽车,技术来源于汽车电控 ECU(主要包括发动机控制器和车身控制器),后来在新能源汽车中得到高速发展,并在2012年诞生了第一代 VCU 产品。行业典型产品有德尔福的 HCU-2、联电的 VCU、大陆的 H300 及普华第一代 VCU-1。VCU-1 是普华软件与国内知名 OEM 合作开发,采用主从 MCU 的硬件解决方案,AUTOSAR 3.1.5 软件平台,是国内最早自主 AUTOSAR 软硬一体化的 VCU 解决方案。

  • 从结构来看,VCU 由一组 PCB 电路板、金属外壳以及接口连接器组成。
  • 从硬件来看,VCU 包括由汽车级主控芯片及其周边的时钟电路、复位电路、预留接口电路和电源模块组成最小系统,以及外围的数字信号处理电路,模拟信号处理电路,频率信号处理电路,通讯接口电路(包括 CAN 通讯接口和 RS232 通讯接口)组成,并且需要按照功能安全标准 ISO 26262 进行硬件设计。
  • 从软件来看,VCU 通常采用基于模型(simulink)的控制系统仿真设计,将符合 AUTOSAR(汽车开放系统架构)架构的底层软件和应用层软件集成一起,提供整车高压上电、下电管理、扭矩管理、驱动系统热管理、高压能量管理、低压能量管理、充电管理、诊断管理,以及 CAN 总线通信、CCP 标定和 UDS 诊断等功能。

随着汽车电动化、智能化(甚至是软件定义汽车)的发展,但从长远发展来看,整车控制器 VCU 的功能安全及 AUTOSAR 软硬件平台的高度集成是必然趋势。

电机控制器 MCU

电机控制器 MCU(Motor Control Unit)是电动汽车特有的控制单元,也是电动汽车的核心部件之一。其主要作用是接收整车控制器 VCU 的控制指令,转换成电动机所需的控制方式(比如 PWM 频率和占空比),从而调整电动机的转矩、转速和方向,满足汽车运动的需要。除此之外,电动机控制器还兼具电动机系统诊断保护和储存等功能。可以说,电机控制器 MCU 是汽车动力性能的决定性因素。

从工作原理来看,电机控制器 MCU 从整车控制器 VCU 获得控制需求,从动力电池获得电能,经过自身逆变器的调制,获得控制电动机所需要的电流和电压,使得驱动电机的转速和转矩满足汽车运动的要求。

整车控制器 VCU 向电机控制器发送的指令包含三个部分的描述,电机使能信息、电机模式信息(再生制动,正向驱动,反向驱动)以及相应模式下的电机转矩。电机控制器则向 VCU 上报电机和控制器的各种参数及故障报警信息,主要参数包括电机转速、电机转矩、电机电压和电流。

电池管理系统 BMS

电池管理系统 BMS(Battery Management System)是连接动力电池和电动汽车的重要纽带,它的主要作用是管理动力电池,为驱动电机和车载电器电子设备提供电能。简单来说,BMS 就是一套管理、控制、使用电池组的系统。

  • 从硬件来看,一般由主板、从板、高压保护盒、高低压接口以及连接各部件的线束组成。
  • 从软件来看,主要由应用层、基础软件层,以及两者之间的运行时环境(Run Time Environment,RTE)构成。其中应用层的功能包括电池保护、故障诊断、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控制、荷电状态估计和通信管理等。

受限于锂离子电池的特性和工作范围,存在变形(Distortion)、鼓胀(Swelling)、着火(Flaming)和爆炸(Explosion)等风险。因此,锂离子电池在应用过程中必须进行管理,尤其是在动力电池的应用场景下。

BMS 对于电动汽车来说是必不可少且至关重要的。一方面,它能够提高锂电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命。另一方面,它会实时采集、处理、存储电池模块运行过程中的重要信息(例如电压、电流、温度、剩余电量等数据),并与其他系统(如整车控制器)进行通信,实时监测、分析和保护电池的安全,同时也提高了电池组的可用性和易用性。

关于 BMS 的更多内容,将在后面章节进行介绍。

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