1 組成

結構組成

VCU，結構上，由金屬殼體和一組PCB線(xiàn)路板組成。

硬件組成

功能上由主控芯片及其周邊的時(shí)鐘電路、復位電路、預留接口電路和電源模塊組成最小系統。

在最小系統以外，一般還配備數字信號處理電路，模擬信號處理電路，頻率信號處理電路，通訊接口電路（包括CAN通訊接口和RS232通訊接口）

2 各電氣與VCU之間是怎樣工作的

一些用于監測車(chē)體自身狀態(tài)的信號或者車(chē)載部件中比較重要的開(kāi)關(guān)信號、模擬信號和頻率信號，由傳感器直接傳遞給VCU，而不通過(guò)CAN總線(xiàn)。

電動(dòng)汽車(chē)上的其他具有獨立系統的電氣，一般通過(guò)共用CAN總線(xiàn)的方式進(jìn)行信息傳遞。

2.1 直接傳遞的信號們

這里所說(shuō)的開(kāi)關(guān)信號包括：鑰匙信號，檔位信號，充電開(kāi)關(guān)，制動(dòng)信號等；

模擬信號一般有：加速踏板信號，制動(dòng)踏板信號，電池電壓信號等；

頻率信號，比如車(chē)速傳感器的電磁信號。

輸出的開(kāi)關(guān)量，動(dòng)力電池供電回路上的接觸器和預充繼電器，在一些車(chē)型上，由VCU負責控制。

2.2 通過(guò)CAN交互的電氣單元

CAN總線(xiàn)上的通訊參與者地位不分主從，隨時(shí)隨地向總線(xiàn)發(fā)動(dòng)信息。信息之間的先后順序由發(fā)出信息者的優(yōu)先級確定。優(yōu)先級在通訊協(xié)議中已經(jīng)做出規定，每條信息里都有發(fā)信者的地址編碼；

通訊中的信息編碼，都有相應的通訊協(xié)議予以明確規定。誰(shuí)發(fā)出什么樣的代碼提供哪些類(lèi)型的信息，主要依據是供需雙方的約定。比如下面表格中的電氣單元地址編碼，就是來(lái)自一份整車(chē)廠(chǎng)與VCU供應商的技術(shù)協(xié)議。

CAN故障記錄，是維修調試人員最好的小幫手。下圖是通訊協(xié)議中對故障代碼的規定，常見(jiàn)的故障類(lèi)型都位列其中，只要對照協(xié)議表格，大家都可以讀懂故障記錄了。

比較例外的是充換電相關(guān)的系統，由于通用性的強烈需求，通訊協(xié)議需要統一，有國家標準予以統一編碼（下文列舉了相關(guān)國標）。

2.2.1 VCU與動(dòng)力電池系統

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的唯一來(lái)源。VCU與電池管理系統（BMS）通過(guò)整車(chē)CAN總線(xiàn)進(jìn)行信息交互。

動(dòng)力電池包實(shí)時(shí)監測并上報給VCU參數包括：總電流，總電壓，最高單體電壓，最低單體電壓，最高溫度，電池包荷電狀態(tài)SOC（State of Charge），某些系統還監測電池包健康狀態(tài)SOH（State of Health）。

VCU發(fā)送給電池包的命令包括充電，放電和開(kāi)關(guān)指令。

充電，在最初的充電連接信號確認后，整車(chē)處于禁止行車(chē)狀態(tài)，VCU交出控制權。整個(gè)充電過(guò)程由電池管理系統（BMS）和充電機共同完成，直至充電完成或者充電中斷，車(chē)輛控制權重新回到VCU手中。

放電，VCU根據駕駛員意圖，推算出車(chē)輛的功率需求，換算成電流需求，發(fā)送給BMS。BMS根據自身SOC，溫度和系統設計閾值，確定提供的電流值。

當熱管理系統需要使用電池包以外的資源時(shí)，需要電池包與VCU協(xié)調處理讓管理過(guò)程，比如壓縮機系統，冷卻液循環(huán)系統等的開(kāi)啟關(guān)閉。如果熱管理過(guò)程只涉及電池包內部電氣，比如開(kāi)啟內置的PTC、加熱膜加熱，或者開(kāi)啟風(fēng)扇降溫，則信息只在電池包內部處理即可，不需要與VCU溝通。

開(kāi)關(guān)指令，在充放電開(kāi)始之前，VCU控制整車(chē)強電系統是否上電，通過(guò)控制電池包的主回路接觸器實(shí)現。在車(chē)輛運行過(guò)程中，遇到突發(fā)狀況，VCU酌情判斷是否閉合或者斷開(kāi)主回路接觸器。

2.2.2 VCU與電機及其控制器

VCU向電機控制器發(fā)送的指令，包含三個(gè)部分的描述，電機使能信息、電機模式信息（再生制動(dòng)，正向驅動(dòng)，反向驅動(dòng)）以及相應模式下的電機轉矩；

電機控制器向VCU上報電機和控制器的各種參數及故障報警信息，主要參數包括電機轉速，電機轉矩，電機電壓和電流。

2.2.3 VCU與充電系統

充電系統包括車(chē)載充電機，非車(chē)載充電機，廣義上還包含換電系統。充換電系統（這里的“充”主要是指非車(chē)載充電機），出于最大通用性的考量，需要一套統一的通訊協(xié)議。下列國標都是目前的最新版本。

GBT 27930-2015 電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協(xié)議

GB∕T 32895-2016 電動(dòng)汽車(chē)快換電池箱通信協(xié)議

GBT 32896-2016 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力倉總成通信協(xié)議

標準統一規定了充電流程，包括具體的通訊編碼，通訊語(yǔ)句的內容。

以充電槍與車(chē)輛上的充電接口的物理連接為開(kāi)端，整個(gè)充電過(guò)程中的信息互換都在電池管理系統和充電機之間進(jìn)行，不再通過(guò)VCU。

2.2.4 VCU與制動(dòng)系統

采用復合制動(dòng)系統的電動(dòng)汽車(chē)，需要綜合考慮液壓制動(dòng)系統，電機制動(dòng)和防抱死系統（ABS）的協(xié)調一致性，進(jìn)而需要有自己的管理系統，稱(chēng)為制動(dòng)管理系統（BCU）。BCU可以獨立于VCU之外，只通過(guò)CAN通訊，也可以把功能集成到VCU內部。

根據制動(dòng)踏板的開(kāi)度和開(kāi)度變化的速度，VCU計算出車(chē)輛的制動(dòng)需求力矩，傳遞給BCU。BCU根據車(chē)輛的具體狀態(tài)做出具體力矩分配。

車(chē)速中等的一般制動(dòng)，直接切入電機能量回饋制動(dòng)，以最大數量的回收制動(dòng)能量；

車(chē)速高，駕駛員急踩踏板，需要緊急制動(dòng)。則BCU會(huì )首先啟動(dòng)液壓制動(dòng)系統，待減速狀態(tài)穩定以后，再引入能量回饋制動(dòng)，并逐漸加大比例。

行駛在冰雪路面，BCU則會(huì )引入ABS，并將其優(yōu)先級設置為最高，以車(chē)輛正常安全行駛為要。

2.2.5 VCU與智能儀表

電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)，結合傳統車(chē)原來(lái)的布置，國標GB/T 19836-2005 對顯示內容提出了要求，如下表所示。

智能儀表，高端和低端的原理區別比較大。我們只以其中一種形式為例。

儀表系統通過(guò)CAN總線(xiàn)與VCU相連，從VCU獲取需要顯示的數據。數據傳輸進(jìn)儀表控制器以后，信號處理電路，將信息還原成各個(gè)儀表的顯示內容。

上一代的指針式儀表，需要以步進(jìn)電機為媒介，把獲得的數據轉化成驅動(dòng)表針旋轉的動(dòng)力。稍微先進(jìn)一點(diǎn)的液晶顯示器，則不需要驅動(dòng)步進(jìn)電機這個(gè)過(guò)程，直接通過(guò)信息處理，即可在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。下面是一個(gè)智能儀表硬件設計框圖，僅供獲得感性認識。

3 典型工況詳述

VCU作為車(chē)輛的核心，控制和監測著(zhù)車(chē)輛的每一個(gè)動(dòng)作。車(chē)輛的控制過(guò)程，就是針對不同的運行模式，對關(guān)切的幾個(gè)參數進(jìn)行比較。參數屬于哪個(gè)范圍，汽車(chē)就執行怎樣的運行模式。

車(chē)輛工作模式，一般的劃分法：空檔模式、正常驅動(dòng)模式、制動(dòng)模式、失效保護模式、起步模式和充電模式。

下面按照車(chē)輛的不同運行模式，粗略講述它的工作過(guò)程。

3.1起步模式

這個(gè)模式的最重要特點(diǎn)是，進(jìn)入起步模式以后，如果車(chē)輛處于水平路面，則車(chē)輛會(huì )以較小的速度開(kāi)始行使；如果車(chē)輛處于斜坡上，則車(chē)輛至少會(huì )維持住原地不動(dòng)的狀態(tài)。這是起步模式的特殊設計，該模式下，不必踩踏加速踏板，電機自動(dòng)輸出一個(gè)基礎轉矩，防止溜車(chē)。

3.2正常驅動(dòng)模式

指車(chē)輛處于正常運行狀態(tài)，包括加速，減速，倒車(chē)。這個(gè)過(guò)程中，VCU持續監測各個(gè)電氣系統電流，電壓，溫度等參數，以及車(chē)輛自身的車(chē)速，滑移率等等行車(chē)參數。識別駕駛員意圖，按照加速踏板的開(kāi)度和開(kāi)度變化率，計算電機的驅動(dòng)轉矩和電池的輸出功率。

3.3制動(dòng)模式

制動(dòng)踏板被踩下，起動(dòng)制動(dòng)模式。VCU分析制動(dòng)踏板的開(kāi)度和開(kāi)度變化率以及車(chē)速，結合車(chē)輛自身的車(chē)型參數，推算制動(dòng)力矩。指揮制動(dòng)控制器，做出最合理的制動(dòng)力矩分配方案（提供制動(dòng)力矩的主體包括液壓制動(dòng)系統和電機回收制動(dòng)），以及是否優(yōu)先啟動(dòng)ABS主導制動(dòng)過(guò)程。安全有效的實(shí)現駕駛員的制動(dòng)意圖。

3.4 失效保護模式

電動(dòng)汽車(chē)運行過(guò)程中，把系統內出現的故障定義成幾個(gè)等級。

故障等級最低的，一般只是提示駕駛員。比如電池溫度達到50°C；

故障等級最高的，會(huì )強制車(chē)輛在一個(gè)比較小的時(shí)間內停車(chē)，比如檢測出了系統絕緣故障。

而介于之間的故障，不會(huì )強制停車(chē)，但會(huì )對車(chē)輛的運行狀態(tài)進(jìn)行限制。比如電池電量SOC低于30%，限速行駛。此時(shí)的動(dòng)力電池系統，已經(jīng)無(wú)法輸出額定功率，而只能以一個(gè)較小的功率工作。

3.5 空檔模式

電機與車(chē)輛的傳動(dòng)系統之間沒(méi)有機械連接，電機處于懸空狀態(tài)，不會(huì )向外輸出任何轉矩。

3.6 充電模式

充電槍與車(chē)輛充電插座物理連接確認后，輔助電源上電，相互發(fā)送握手報文并完成絕緣檢測。

握手完成，進(jìn)行參數確認。充電機發(fā)送充電機最大輸出能力報文，BMS確認，是否可以以最大能力充電，若不可，則發(fā)送電池包的最大接受能力。

進(jìn)入正式充電階段，在此過(guò)程中，充電機和BMS實(shí)時(shí)互相發(fā)送狀態(tài)信息，BMS周期性發(fā)送需求參數。

充電結束，其判別條件根據BMS的不同設置而有所不同，一般做法，充電最后恒壓階段，電流衰減到一個(gè)設定值或者設定的倍率，即認為電池包已經(jīng)充滿(mǎn)，充電過(guò)程可以結束。

過(guò)程中，任何一方發(fā)生故障，比如過(guò)溫、過(guò)流等，充電機都會(huì )發(fā)出報警，根據故障等級的不同，有的直接終止，有的等待人為處理。

5 開(kāi)發(fā)過(guò)程

在汽車(chē)行業(yè)，V模式開(kāi)發(fā)已經(jīng)是一個(gè)公認的高效模式，VCU的開(kāi)發(fā)過(guò)程，一般也會(huì )遵循這個(gè)過(guò)程。下面是一幅通用的V模式開(kāi)發(fā)流程圖。

V模式開(kāi)發(fā)，其理念就是通過(guò)協(xié)同合作，使得軟件設計達到高效與高質(zhì)兼得的目的。模型的水平方向，強調驗證的及時(shí)性和適用性。通用的經(jīng)驗，在“V”字的最下面，比較基礎的工作，采用白盒測試，越往上，系統越復雜，傾向于向黑盒測試過(guò)度。

具體整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)程：

首先，根據提煉的需求，建立數學(xué)模型，并進(jìn)行模型仿真；

然后，將模型數據下載到快速原型中，用硬件接口替代原來(lái)模型中的邏輯接口；

下一步，利用專(zhuān)業(yè)軟件，生成C代碼，與底層程序集成后，通過(guò)接口程序下載到整車(chē)控制器硬件中，準備進(jìn)行調試。這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)功能模塊會(huì )分別進(jìn)行調試；

接下來(lái)，硬件在環(huán)仿真測試，利用模擬器模擬車(chē)輛運行環(huán)境，對VCU進(jìn)行功能測試；

最后，VCU裝車(chē)，實(shí)車(chē)測評，完成通訊協(xié)議標定。測評通過(guò)后，得到產(chǎn)品的第一個(gè)版。

6 主要廠(chǎng)家

純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器，各大汽車(chē)電子零部件巨頭是國外廠(chǎng)商主體，如德?tīng)柛�、大陸、博世集團等。

國內，稍具規模的車(chē)企，都傾向于自行研發(fā)整車(chē)控制器，像比亞迪、長(cháng)安、上汽、宇通、金龍等，都是自己配套。除此以外的主要VCU供應商還有一些電機廠(chǎng)家，如大洋電機，方正電機，匯川技術(shù)等。

整車(chē)控制器，主控芯片性能和系統集成度，是國內廠(chǎng)商提升性能的主要瓶頸。