纯电动汽车整车控制器技术要求

车辆工程技术 2 车辆技术纯电动汽车整车控制器（VCU）研究宋述铨（天津优控智行科技有限公司,天津 300000）摘　要：电动汽车主要由电池管理系统(BMS)，整车控制系统(VCS)，以及电机控制器(MCU)等构成。

整车控制器(VCU)是电动汽车的重要控制结构，对汽车的各种信息进行检测、对车内通信网络和异常信息进行监控等，能够提高整车驾驶性能，进行制动能量回馈完善能源管理。

提升整车舒适性，使用户获得完美体验。

关键词：纯电动汽车；整车控制器；完美体验 随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。

传统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。

纯电动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。

随着科技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能。

本文从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。

1　整车电控系统组成 整车电控系统主要由整车控制器VCU为核心，通过硬线信号指挥各控制器使能，通过CAN总线信号控制储能系统、电机系统等关键总成执行相应的上下电动作以及扭矩指令。

最终完成整车的驾驶运行以及高压充电。

其中，低压部分完成车辆控制器供电和信号采集通讯。

高压部分通过高压线束将动力电池的电能传输到空调压缩机、电动机等高压供电设备，实现动力电能的传输。

其中电机、电池、电控系统被称为“三电”系统，主要包括：1.1　整车控制器 整车控制器系统为整车的运行大脑，具有高可靠性、高运行效率、逻辑缤密性。

整车控制系统上电后首先运行初始化程序并且自检，在自身没有问题后驱动端口使能储能系统、电机系统上电。

储能系统和电机系统完成上电后同样分别进行上电自检。

所有系统自检无故障且驾驶员有上高压指令时，整车控制系统通过总线驱动储能系统、电机系统完成上高压动作。

1.2　储能系统 储能系统包括动力电池组和BMS管理单元。

整车控制器一.对进货的整车控制器（VCU）需符合以下基本设计原则及要求1 必须保证整车控制器在工作条件下的可靠性。

2 整车控制器设计应考虑其经济性、密闭性、抗震性等。

3 整车控制器要考虑避免电磁干扰问题。

4 整车控制器设计文件应包括电路原理图、控制系统图和使用说明书等。

5 在整车控制器凡存在潜在危险的区域应安装安全操作标志，其标志应符合GB/T 5465.2的有关规定。

6 设备中所采用的元器件，必须符合该类元器件各自的相应标准。

所有元器件的选用应符合制造厂规定的设计定额（如电压、电流、温度等），不仅要考虑到正常的工作条件下的使用，而且要考虑到设备在最不利条件下的使用。

7 接插件应该采用防水防潮的汽车电子专用接插件。

8 设备中所使用的导线颜色应符合QC/T 730-2005的规定。

9 设备中所使用的印制线路板要符合GB/T 4588.3和GB/T 16261 的有关规定。

10 控制器需要丰富的AD和IO资源接口，以实现整车控制器通用性。

11 设备要具有良好的电磁兼容性，满足国家相关的电磁兼容性标准。

能适应任何路况下，车辆的震动与冲击。

并且在纯电动汽车中，采用了大功率电机驱动，相当于引入了一个强干扰源，会对整车电子设备产生强烈的电磁干扰，所以这就要求整车总成控制器有较强的抗干扰能力。

12 设备总体技术指标满足QC/T413-2002《汽车电气设备基本技术条件》要求。

二.图样及文件整车控制器模块应符合本期初制定的要求，并应按照经规定程序批准的图样及设计文件制造。

三.标准试验环境试验条件按QC/T 413的规定1 外观检查1.1 目视检查整车控制器模块外观应无可能会影响产品性能和功能的缺陷，例如：损坏、破损、裂纹、变形、锈蚀、化学腐蚀、掉色、进水等。

1.2 在焊锡表面应符合4.1、4.3要求。

2.外形及安装尺寸检查外形及安装尺寸检查应符合4.1.3规定。

3.性能、功能检查在规定试验条件下,以25.5±1.5V(或专用规范规定电压)检查整车控制器模块的性能参数和功能,应符合4.2规定要求。

电动汽车用电机及控制器布置规范1范围本蟒准规定了电动汽车用电机及控制器（以下荷称电机及控制器）及其相关附件的布置形式和布置原则°本标准适应于本公司生产的混合动力、纯电动等所有新能源车型.2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不“少的。

凡是注日期的引用文件，仪所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其量新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

Q/OC JT108-2008整车二维数模装配间隙设计3术语和定义Q/OC TU08—2008界定的术语和定义适用于本标?（L4布置形式4-1分类电机及控制器布置可简单分为前丘、后置，控制器一般布置在电机正上方。

4.2纯电动汽车本公司研发的纯电动汽车的电机布置一段为前置，其布置形式如下二a）纯电动汽车电机前过，电机与减速器同轴布:a,与整车ZX平面垂直，如图1所示：b）貌电动汽车控制器前置.为了接线方便和缩近堆束长度，控制群布置在电机接战盒位置的正上•方与整车ZX平面垂直，如图2所示工图1前置电机布置形式I图2前亘控翻器布克形式］<3混合动力汽车混合动力汽车的电机布置M以前置也可以后置，其布置形式如下，El）混合动力汽车电机前置,电机与发动机同轴布置与整车ZX平面垂直，如图3所示：b）混合动力汽车控制楼而置，为了接线方便和筋短缓束长度，同时要避让发动机及其附件J控制器布置在电机上方与整车ZX平面垂直,如图4所示Fc）混合动力汽车电机及控制器后置，为了实现四强功能,发动机前置，电驱动桥后:B・电机及控制器后置，电机与旗速器同轴布丘修整车ZX平面垂直.图3前五电机布适形式n图4前置控制赤布置形式II图5后置电机布置形式对于电机、控制器及其附件的布置，底保证工作川配J井能灌足整车布置的需要和整车性能的发挥；应保证机舱与发动机、变速器,底盘之间布置和设计的合理也电机及控制器的通风散热.诏音隔热良好，与其他零部件最小间隙合理、拆卸方便F同时还要保证安装T艺性、有足热的刚度和强度.一般从以下几个方面进行布置考出r动、除占间隙要求工装配工艺性要求；雄脩方便性等要求：。

整车控制系统电动汽车动力系统各零部件的工作都是由整车控制器统一协调。

对纯电动汽车而言，电动机驱动和制动能量回收的最大功率都受到电池放电／充电能力的制约。

对混合燃料电池轿车和燃料电池大巴而言，由于其具有两个或两个以上的动力源，增加了系统设计和控制的灵活性，使汽车可以在多种模式下工作适应不同工况下的需求，获得比传统汽车更好的燃料电池性能，降低了有害物的排放，减小对环境的污染和危害，从而达到环保和节能的双重标准。

首先要针对给定的车辆和参数的条件，选择合适的动力系统构型，完成动力系统的参数匹配和优化。

在此基础上，建立整车控制系统来协调汽车工作模式的切换和多个动力源／能量源之间的功率／能量流的在线优化控制。

整车控制系统由整车控制器、通信系统、零部件控制器以及驾驶员操纵系统构成，其主要功能是根据驾驶员的操作和当前的整车和零部件工作状况，在保证安全和动力性的前提下，选择尽可能优化的工作模式和能量分配比例，以达到最佳的燃料经济性和排放指标。

(1)整车控制系统及功能分析1)控制对象：电动汽车驱动系统包括几种不同的能量和储能元件（燃料电池，内燃机或其他热机，动力电池和／或超级电容），在实际工作过程中包括了化学能、电能和机械能之间的转化。

电动汽车动力系统能流图如图5—6所示。

2)整车控制系统结构：电动汽车动力系统的部件都有自己的控制器，为分布式分层控制提供了基础。

分布式分层控制可以实现控制系统的拓扑分离和功能分离。

拓扑分离使得物理结构上各个子系统控制系统分布在不同位置上，从而减少了电磁干扰，功能分离使得各个子部件完成相对独立的功能，从而可以减少子部件的相互影响并提高了容错能力。

电动汽车分层结构控制系统如图5-7所示。

最底层是执行层，由部件控制器和一些执行单元组成，其任务是正确执行中间层发送的指令，这些指令通过CAN总线进行交互，并且有一定的自适应和极限保护功能；中间层是协调层，也就是整车控制器(VMS)，它的主要任务一方面根据驾驶员的各种操作和汽车当前的状态解释驾驶员的意图，另一方面根据执行层的当前状态，做出最优的协调控制；最高层是组织层，由驾驶员或者制动驾驶仪来实现车辆控制的闭环。

目录1 整车控制器控制功能和原理 (1)2 纯电动客车总成分布式网络架构 (1)3 整车控制器开发流程 (3)3.1 整车及控制策略仿真 (4)3.2 整车软硬件开发 (5)3.2.1 整车控制器的硬件开发 (6)3.2.2 整车控制器的软件开发 (10)3.3 整车控制器的硬件在环测试 (12)3.4 整车控制器标定 (15)3.4.1 整车控制器的标定系统 (15)1整车控制器控制功能和原理纯电动客车是由多个子系统构成的系统，主要包括储能、驱动等动力系统，以及其它附件如空调等。

各子系统几乎都通过自己的控制单元（ECU）来完成各自功能和目标。

为了满足整车动力性、经济性、安全性和舒适性的目标，一方面必须具有智能化的人车交互接口，另一方面，各系统还必须彼此协作，优化匹配。

因此，纯电动必须需要一个整车控制器来管理系统中的各个部件。

纯电动车辆以整车控制器为主节点的、基于高速CAN总线的分布式动力系统控制网络，通过该网络，整车控制器可以对纯电动车辆动力链的各个环节进行管理、协调和监控，提高整车能量利用效率，确保车辆安全性和可靠性。

整车控制器的功能如下：1)车辆驾驶：采集司机的驾驶需求，管理车辆动力。

2)网络管理：监控通信网络，信息调度，信息汇总，网关。

3)仪表的辅助驱动。

4)故障诊断处理：诊断传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相应的故障处理，实时显示故障。

5)在线配置和维护：通过车载标准CAN端口，进行控制参数修改，匹配标定，功能配置，监控，基于标准接口的调试能力等。

6)能量管理：通过对纯电动客车载耗能系统（如空调、电动泵等）的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。

7)功率分配：通过综合车辆信息、电池的SOC、温度、电压、电流和电机的温度等信息计算电机功率分配，进行有效的能量管理，以保证车辆能量效率达到最优。

8)坡道驻车辅助控制9)坡道起步时防溜车控制2纯电动客车动力总成分布式网络架构纯电动客车是由多个子系统构成的复杂系统。

纯电动汽车整车控制器的构成、原理、功能说明整车控制器是电动汽车正常行驶的控制中枢，是整车控制系统的核心部件，是纯电动汽车的正常行驶、再生制动能量回收、故障诊断处理和车辆状态监视等功能的主要控制部件。

整车控制器包括硬件和软件两大组成部分，它的核心软件和程序一般由生产厂商研发，而汽车零部件供应商能够提供整车控制器硬件和底层驱动程序。

现阶段国外对纯电动汽车整车控制器的研究主要集中在以轮毂电机驱动的纯电动汽车。

对于只有一个电机的纯电动汽车通常不配备整车控制器，而是利用电机控制器进行整车控制。

国外很多大企业都能够提供成熟的整车控制器方案，如大陆、博世、德尔福等。

1整车控制器组成与原理纯电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制和分布式控制两种方案。

集中式控制系统的基本思想是整车控制器独自完成对输入信号的采集，并根据控制策略对数据进行分析和处理，然后直接对各执行机构发出控制指令，驱动纯电动汽车的正常行驶。

集中式控制系统的优点是处理集中、响应快和成本低；缺点是电路复杂，并且不易散热。

分布式控制系统的基本思想是整车控制器采集一些驾驶员信号，同时通过CAN总线与电机控制器和电池管理系统通信，电机控制器和电池管理系统分别将各自采集的整车信号通过CAN总线传递给整车控制器。

整车控制器根据整车信息，并结合控制策略对数据进行分析和处理，电机控制器和电池管理系统收到控制指令后，根据电机和电池当前的状态信息，控制电机运转和电池放电。

分布式控制系统的优点是模块化和复杂度低；缺点是成本相对较高。

典型分布式整车控制系统示意图如下图所示，整车控制系统的顶层是整车控制器，整车控制器通过CAN总线接收电机控制器和电池管理系统的信息，并对电机控制器、电池管理系统和车载信息显示系统发送控制指令。

电机控制器和电池管理系统分别负责驱动电机和动力电池组的监控与管理，车载信息显示系统用于显示车辆当前的状态信息等。

典型分布式整车控制系统示意图下图为某公司开发的纯电动汽车整车控制器组成原理图。

电动汽车整车控制器（VCU）技术及开发流程深度剖析焉知焉知·焉能不知整车控制器（VCU）作为电动汽车上全部电⽓的运⾏平台，它的性能优劣，直接影响其他电⽓性能的发挥，是整车性能好坏的决定性因素之⼀。

1、组成1.1结构组成VCU，结构上，由⾦属壳体和⼀组PCB线路板组成。

1.2硬件组成功能上由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。

在最⼩系统以外，⼀般还配备数字信号处理电路，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）。

2、各电⽓与VCU之间是怎样⼯作的⼀些⽤于监测车体⾃⾝状态的信号或者车载部件中⽐较重要的开关信号、模拟信号和频率信号，由传感器直接传递给VCU，⽽不通过CAN总线。

电动汽车上的其他具有独⽴系统的电⽓，⼀般通过共⽤CAN总线的⽅式进⾏信息传递。

2.1直接传递的信号们开关信号：钥匙信号，档位信号，充电开关，制动信号等；模拟信号：加速踏板信号，制动踏板信号，电池电压信号等；频率信号，⽐如车速传感器的电磁信号。

输出的开关量，动⼒电池供电回路上的接触器和预充继电器，在⼀些车型上，由VCU负责控制。

2.2通过CAN交互的电⽓单元CAN总线上的通讯参与者地位不分主从，随时随地向总线发动信息。

信息之间的先后顺序由发出信息者的优先级确定。

优先级在通讯协议中已经做出规定，每条信息⾥都有发信者的地址编码；通讯中的信息编码，都有相应的通讯协议予以明确规定。

谁发出什么样的代码提供哪些类型的信息，主要依据是供需双⽅的约定。

2.2.1 VCU与动⼒电池系统动⼒电池是纯电动汽车动⼒的唯⼀来源。

VCU与电池管理系统（BMS）通过整车CAN总线进⾏信息交互。

动⼒电池包实时监测并上报给VCU参数包括：总电流，总电压，最⾼单体电压，最低单体电压，最⾼温度，电池包荷电状态SOC，某些系统还监测电池包健康状态SOH。

VCU发送给电池包的命令包括充电，放电和开关指令：充电，在最初的充电连接信号确认后，整车处于禁⽌⾏车状态，VCU交出控制权。

纯电动汽车整车控制器（VCU）详细介绍⼀、国外产品介绍：（1）丰⽥公司整车控制器丰⽥公司整车控制器的原理图如下图所⽰。

该车是后轮驱动，左后轮和右后轮分别由2个轮毂电机驱动。

其整车控制器接收驾驶员的操作信号和汽车的运动传感器信号，其中驾驶员的操作信号包括加速踏板信号、制动踏板信号、换档位置信号和转向⾓度信号，汽车的运动传感器信号包括横摆⾓速度信号、纵向加速信号、横向加速信号和4个车轮的转速信号。

整车控制器将这些信号经过控制策略计算，通过左右2组电机控制器和逆变器分别驱动左后轮和右后轮。

（2）⽇⽴公司整车控制器⽇⽴公司纯电动汽车整车控制器的原理图如下图所⽰。

图中电动汽车是四轮驱动结构，其中前轮由低速永磁同步电机通过差速器驱动，后轮由⾼速感应电机通过差速器驱动。

整车控制器的控制策略是在不同的⼯况下使⽤不同的电机驱动电动汽车，或者按照⼀定的扭矩分配⽐例，联合使⽤2台电机驱动电动汽车，使系统动⼒传动效率最⼤。

当电动汽车起步或爬坡时，由低速、⼤扭矩永磁同步电机驱动前轮。

当电动汽车⾼速⾏驶时，由⾼速感应电机驱动后轮。

（3）⽇产公司整车控制器⽇产聆风LEAF是5门5座纯电动轿车，搭载锂离⼦电池，续驶⾥程是160km。

采⽤200V家⽤交流电，⼤约需要8h可以将电池充满；快速充电需要10min，可提供其⾏驶50km的⽤电量。

⽇产聆风LEAF的整车控制器原理图如下图所⽰，它接收来⾃组合仪表的车速传感器和加速踏板位置传感器的电⼦信号，通过⼦控制器控制直流电压变换器DC／DC、车灯、除霜系统、空调、电机、发电机、动⼒电池、太阳能电池、再⽣制动系统。

（4）英飞凌新能源汽车VCU & HCU解决⽅案该控制器可兼容12V及24V两种供电环境，可⽤于新能源乘⽤车、商⽤车电控系统，作为整车控制器或混合动⼒控制器。

该控制器对新能源汽车动⼒链的各个环节进⾏管理、协调和监控，以提⾼整车能量利⽤效率，确保安全性和可靠性。

该整车控制器采集司机驾驶信号，通过CAN总线获得电机和电池系统的相关信息，进⾏分析和运算，通过CAN总线给出电机控制和电池管理指令，实现整车驱动控制、能量优化控制和制动回馈控制。

电动汽车用电机及控制器布置规范1范禺本标准规定了电劫汽车用电机及揑制器C以下时称电机及拄制器）及茹村关附件的布宣瞪式和布宜本标准适.应于本公司主产的混合动力、纯电动等所有新能源车型“2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用足必不町少的.凡足注日期的引用文件，便所注日期的版本适用于本文件。

凡足不注日期的引用文fh英阜新版本（包括所有的修改单）适用于本丈件。

Q/OC1T108-2008整车二维数模•装配间隙设计3术语和定义Q.OC1T108—2008界定的术语和定义适用于本标孤4布養形式4-1分类电机及控制器布負町简单分为前氐后民揑制器一般布罢在电机疋上方。

4.2纯电动汽车本公司研妊的纯电动汽车的电机布宣一般为丽宣，苴布置形或如下：a）纯电动汽车电机niK,电机与减連辭同轴AB,与整车ZX平而垂去，如图1所示：b）纯电动汽车揑制器前置*为了按线方便和縮垣血束长度，揑制器布置在电机按线盒位贾的正上方与整车ZX平而垂直，如图2所示.图1前置电机布萱形式I图2前査控屈器布直形式I4.3混合动力汽车馄令动力汽车的电机布爲町以前爲也训以后民英布置形式如下，E1）混含动力冼车电机前•置・电机与发动机同軸布置与整车竝平面垂宜，如图3所示：W握合动力汽丰控制器丽置，対了接线方便和術短缓束长度，同时墜进让发动机及苴附件J控制需布置在电机上方与整车ZX平面垂宜.如图4所示「C）混合动力汽车电机及绘制器后巴为了实现四驱功能，发动机E V3,电驱动桥后置.电机及径•制歸后食，电机与减連黑同轴布置与整年ZX平面垂宜.2图3前査电机布直形式FT ZX甲面I I控制器图4繭養控制器布置形式TI图5后重电机布査形式5布壬要求对于电机.控制髀及It附件的布置，应保吐T作町能J并能嵩足整车布置的需墓和整车性能的发挥;虑保证机船与发动机、变逋器.底盘之间布蜀和设计的合理性，电机及揑制器的通凤散热.隔音殊热良好，与直他零部件灵小间隙合理、拆卸方便，同时还亞保证安装工艺性、有圮谚的刚度和强度.一般从以下几个方面进行布置考.L別a）动、静握间隙要求「b）装囱工艺性要求；c）雉條方便性咎要求*d）安全碰攒夏求：e）热力学布置要求：F）NVH性能要求|g）各系统性腌要求"6布査原則6.1前養电机及控制器6-11纯电动汽车6.1.1.1纯电动汽车电机及控制器一般布置在汽车丽枪，空何相对比较宽裕，相关何隙要求见表。