新能源汽車的大腦——VCU核心功能介紹（下）

上篇介紹了VCU系統(tǒng)功能概覽，也從車輛驅(qū)動控制方面介紹了“模式管理”，“扭矩管理”和“四驅(qū)控制”等幾塊主要系統(tǒng)功能。本文將繼續(xù)從“電力系統(tǒng)”，“熱管理”和“低溫駕駛性改善策略”等方面，介紹VCU中提高車輛運(yùn)行的安全性和舒適性的幾塊功能。

VCU軟件核心功能介紹（下）

支持 Reset后可自動恢復(fù)行駛狀態(tài)的電管理功能

如上文中提到VCU協(xié)調(diào)的部件很多，其中很多是高壓電力部件。因此VCU主要的工作之一是負(fù)責(zé)高低/壓電力系統(tǒng)的控制。包括：高壓上/下電協(xié)調(diào)、高壓功率分配和限制、高壓部件信息處理（包含D/R擋切換時的電機(jī)四象限映射），以及部件的診斷和保護(hù)功能。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很大程度的決定了整車的運(yùn)行狀況。

對于電子控制器來說，在整個生命周期內(nèi)很難避免完全不發(fā)生復(fù)位，比如VCU自身內(nèi)部導(dǎo)致的硬件復(fù)位、軟件復(fù)位，以及外部干擾導(dǎo)致的復(fù)位等。雖然復(fù)位時間很短（比如軟件復(fù)位，發(fā)生復(fù)位到恢復(fù)通訊大概不到0.2s），但如果在有些場景（如高速行駛時）復(fù)位后不能盡快自動恢復(fù)之前的狀態(tài)，則車輛會失去動力，進(jìn)而可能會給駕駛員帶來非常大的安全隱患。

特別是對于整車控制器VCU，很多動力相關(guān)的部件都受其控制。并且在正常情況下，如果要進(jìn)入行車就緒狀態(tài)，一般需要至少兩個不同的操作（如踩剎車、按啟動按鈕、換擋等）；而一旦在高速工況下出現(xiàn)了控制器復(fù)位，很多復(fù)位前儲存的信號會被初始化，此時如果仍需要駕駛員兩個連續(xù)不同操作，則可能出現(xiàn)非期望的減速，甚至造成追尾事故。

為此，聯(lián)合電子開發(fā)了一種新能源整車控制器軟件復(fù)位后動力自動恢復(fù)的控制功能（圖1），該功能通過識別到控制器發(fā)生了軟件復(fù)位，然后根據(jù)復(fù)位后車輛的狀態(tài)，決定是否需要恢復(fù)車輛復(fù)位前的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在盡可能保證安全的前提下，自動恢復(fù)到復(fù)位前的狀態(tài)。

圖1 VCU 復(fù)位后自動恢復(fù)可行駛狀態(tài)

上述方案經(jīng)過實(shí)車測試，在VCU發(fā)生復(fù)位后約0.11s后恢復(fù)通訊，該功能可以在0.19s內(nèi)自動恢復(fù)高壓狀態(tài)，0.25s后自動恢復(fù)整車驅(qū)動就緒狀態(tài)，0.38s后自動恢復(fù)D擋并完成整個恢復(fù)過程。不需要駕駛員任何操作，整車恢復(fù)正常行駛狀態(tài)且沒有發(fā)生長時間動力丟失的現(xiàn)象（圖2）。

圖2 VCU 復(fù)位后自動恢復(fù)可行駛狀態(tài)實(shí)測效果

支持多種協(xié)議的VCU充電主控功能

充電控制功能負(fù)責(zé)識別不同模式的充電需求，根據(jù)不同的模式選擇對應(yīng)充電控制過程。與供電設(shè)備（EVSE）、動力電池BMS等充電相關(guān)部件協(xié)調(diào)交互，實(shí)現(xiàn)充電使能條件判斷，充電過程監(jiān)控，充電結(jié)束條件判斷等功能。開發(fā)的軟件不僅能實(shí)現(xiàn)支持國標(biāo)交流/直流充電協(xié)議，也能滿足歐洲和北美的聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）以及日本CHAdeMO充電協(xié)議（圖3）。為了解決充電設(shè)備的兼容性和充電時長難以滿足電動車車主的需求，軟件也實(shí)現(xiàn)了超級充電標(biāo)準(zhǔn)的充電控制功能。

圖3 充電控制軟件架構(gòu)

剩余充電時間是指電動車開始充電到充電結(jié)束所花費(fèi)的時間，充電時間隨著車輛電量增多逐漸減小。剩余充電時間估算功能要求車輛在充電開始階段就能準(zhǔn)確預(yù)測整個充電過程所花費(fèi)的時間，但電動車充電過程中，充電時間受電芯特性、充電策略、樁輸出能力、整車熱管理和SOX估算精度等多個因素的影響，因此，高精度的剩余充電時間估算一直是行業(yè)難題。

聯(lián)合電子采用的是一種基于充電工況動態(tài)修正的自適應(yīng)剩余充電時間估算算法，該算法將充電過程分為低電壓預(yù)充電，恒流充電和恒壓充電三個階段，算法根據(jù)每一階段的充電特征，分別估算各階段充電時間，然后累加求和得出總時間。在恒流充電階段，可以根據(jù)客戶需求配置基于電芯電壓或SOC階梯式充電策略的充電時間估算。

在充電過程中，算法通過增加充電樁輸出能力修正因子來預(yù)測未來充電樁最大輸出電流。對于高低溫工況，除了在充電開始前計算電池預(yù)熱、預(yù)冷時間外，充電時間算法在充電過程中也會基于電池?zé)崮Ｐ秃碗姵匕鼰峁芾聿呗裕A(yù)測未來電池溫度，進(jìn)而確定電池未來的充電電流。對于充電末端，由于SOC精度造成充電時間偏差，算法增加基于單體電壓的充電時間倒計時算法以提高末端充電時間估算精度（圖4）。

圖4 直流充電剩余時間計算實(shí)測效果

支持充電預(yù)熱的中低溫回路熱管理控制

熱管理控制功能可以協(xié)調(diào)來自于電池、電機(jī)、發(fā)動機(jī)和駕駛艙等的加熱或冷卻需求（圖5），結(jié)合整車模式來決策和切換熱管理控制模式，進(jìn)而控制各子系統(tǒng)準(zhǔn)確的響應(yīng)各種來源的熱管理需求。開發(fā)的軟件可以適用于純電和混動項(xiàng)目中的多種熱管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 VCU熱管理需求來源

為了提升低溫環(huán)境下車輛上電后快速達(dá)到電池合適的運(yùn)行狀態(tài)，開發(fā)的電池遠(yuǎn)程預(yù)熱功能可以結(jié)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(jìn)行預(yù)熱，在駕駛員用車時使電池性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。方案引入了一次喚醒計算預(yù)熱時間和二次喚醒執(zhí)行預(yù)熱的概念，并且在駕駛艙有預(yù)調(diào)節(jié)需求時，引入特定的電管理和能量協(xié)調(diào)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能耗、電池性能、駕駛艙舒適性最優(yōu)。

充電預(yù)熱控制可以實(shí)現(xiàn)用戶在低溫插槍充電時，根據(jù)電池的預(yù)熱請求，控制電池處于預(yù)熱模式。在充電機(jī)輸出能力范圍內(nèi)，由充電機(jī)輸出功率通過電池加熱器（PTC）對電池加熱。因?yàn)樵诔潆婎A(yù)熱模式下，電池的主繼電器在斷開狀態(tài)，能確保電池不會有電流輸入或輸出，確保不會對低溫條件下的電池造成損壞。當(dāng)電池被加熱到合適溫度后，再控制電池退出預(yù)熱模式進(jìn)入正常的充電模式。方案實(shí)現(xiàn)了在低溫下給電池充電有效保護(hù)電池的同時，縮短充電時間，給用戶帶來更好的充電體驗(yàn)（圖6）。

圖6 低溫交流充電預(yù)熱實(shí)測效果

低溫環(huán)境兼顧功率保護(hù)和駕駛性改善策略

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)常用到電池的功率邊界。當(dāng)整個系統(tǒng)在功率邊界附近運(yùn)行時，會非常容易導(dǎo)致電池過充或過放發(fā)生。此時系統(tǒng)會進(jìn)行快速閉環(huán)調(diào)節(jié)以把電池功率調(diào)整到正常范圍內(nèi)，但這會導(dǎo)致駕駛性變得很差。因此如何在低溫環(huán)境下同時兼顧功率邊界保護(hù)和可接受的駕駛性兩方面一直是行業(yè)的有個難題。

尤其對于多電機(jī)串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個電機(jī)實(shí)際功率都會相互影響彼此的功率邊界，是一個相互影響的多層閉環(huán)控制，某一個高壓部件功率抖動都會影響其他部件的抖動（圖7）。因此，在極低溫度時電池輸入輸出功率受限，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在多電機(jī)耦合時，更容易造成電池過充過放以及駕駛性抖動。

圖7 多電機(jī)串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)涔β蔬吔缬绊懯疽鈭D

針對多電機(jī)耦合的混動系統(tǒng)，通過大量策略優(yōu)化以及低溫駕駛性試驗(yàn)驗(yàn)證對比，軟件將電池長時功率進(jìn)行動態(tài)邊界調(diào)節(jié)，在扭矩結(jié)構(gòu)以及模式切換過程中，用電機(jī)長時扭矩邊界對駕駛員驅(qū)動需求進(jìn)行限制，用電機(jī)短時扭矩邊界對類似ESP干涉、發(fā)動機(jī)啟動預(yù)留等扭矩需求進(jìn)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。通過電池功率預(yù)測，電池限制功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，以及預(yù)測功率變化趨勢提前收窄或放寬功率限制邊界等方式。很好的解決了低溫環(huán)境下兼顧功率保護(hù)和駕駛性的效果（圖8）。

圖8 功率閉環(huán)保護(hù)功能框架

以低溫環(huán)境下起步全油門加速工況為例，通過上述軟件優(yōu)化措施，當(dāng)?shù)蜏毓r發(fā)電機(jī)實(shí)際功率波動情況下，也可以保證電池功率不過放，并且前后電機(jī)準(zhǔn)確響應(yīng)扭矩邊界限制，避免駕駛抖動的發(fā)生（圖9）。

圖9 低溫全油門加速駕駛性實(shí)測效果

故障診斷和響應(yīng)

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)量以及不同場景下(駐車、充電、行車等)的故障發(fā)生后的后處理的方式也很多。故障診斷的及時性、故障后處理的合理性對駕駛員的駕駛體驗(yàn)和車輛安全性都有很大的影響。

基于對整車所有驅(qū)動部件的700多個故障原因和影響梳理，結(jié)合整車可能的故障響應(yīng)方式，軟件針對不同場景下發(fā)生故障的嚴(yán)重性，設(shè)計了多個等級的故障響應(yīng)方式。在確保車輛安全的前提下，盡可能做到了駕駛體驗(yàn)的友好性。此外VCU作為整車OBD的主控制器,根據(jù)法規(guī)實(shí)現(xiàn)了不同部件發(fā)生故障發(fā)生后的亮燈需求協(xié)調(diào)和故障提示功能（圖10）。

圖10 故障診斷和響應(yīng)功能框架

客戶收益

VCU系統(tǒng)軟件已支持多個客戶項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)，積累了豐富的車輛運(yùn)動相關(guān)系統(tǒng)能力，有助于支持客戶充分定義、分解、驗(yàn)證相關(guān)系統(tǒng)需求。

完整且成熟的VCU平臺化軟件功能，可以滿足不同客戶化需求開發(fā)，為新項(xiàng)目開發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。強(qiáng)大的本地開發(fā)能力和靈活的開發(fā)方式，有助于客戶快速實(shí)現(xiàn)VCU客戶化功能開發(fā)驗(yàn)證和能力建設(shè)。

強(qiáng)大的本地開發(fā)能力和靈活的開發(fā)方式，快速實(shí)現(xiàn)客戶化功能需求開發(fā)驗(yàn)證和能力建設(shè)。

全面的控制器產(chǎn)品線和智能網(wǎng)聯(lián)算法，實(shí)現(xiàn)基于VCU的功能融合拓展，為客戶在電子電器架構(gòu)快速變革的時代提供更多支持。

審核編輯 ：李倩