电子电气架构 --- 整车控制系统

我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：

所有人的看法和评价都是暂时的，只有自己的经历是伴随一生的，几乎所有的担忧和畏惧，都是来源于自己的想象，只有你真的去做了，才会发现有多快乐。人就应该满脑子都是前途，不再在意别人的看法不再害怕别人讨厌自己，不再畏手畏脚忧心忡忡也不会在睡前反回忆白天的行为，是否让对方产生误解用你那精神内耗的态度去搞学习搞事业搞钱，然后用躺平和摆烂的态度对待人际关系，烦恼能消失一大半。
无人问津也好,技不如人也罢,你都要试着安静下来,去做自己该做的事.而不是让内心的烦躁、焦虑、毁掉你本就不多的热情和定力。

时间不知不觉中，快要来到深秋。国庆假期结束，又开始新的忙碌。成年人的我也不知道去哪里渡自己的灵魂，独自敲击一些文字算是对这段时间做一个记录。

一、整车控制系统概述

电动汽车是由多个子系统构成的一个复杂系统，主要包括电池、电机等动力系统，以及其它附件如空调、助力转向等，各子系统几乎都通过自己的控制单元来完成各自功能和目标。电动汽车上的电子设备越来越多，控制系统也越来越复杂。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，电动汽车需要一个整车控制系统来管理车辆的各个部件。整车控制器可以保证车辆安全可靠行驶，提高控制系统间数据传输效率具有重要意义。该系统可实现电机驱动控制、温度控制、能量管理控制等功能，主要由传感器输入与开关系统、系统驱动输出、控制单元输出系统等子系统组成。

随着电动汽车上电子设备的增多，控制系统也变得越来越复杂。为了满足整车在动力性、经济性、安全性和舒适性方面的目标，必须实现智能化的人车交互和各系统间的协作优化。因此，整车控制系统应运而生，它负责管理和协调车辆的各个部件，确保车辆能够安全可靠地行驶。

-> 电机驱动控制：根据驾驶员的输入和车辆状态，精确控制电机的输出扭矩和转速，实现车辆的平稳加速和减速。

-> 温度控制：通过监测和调节电池、电机等关键部件的温度，确保它们在适宜的工作范围内运行，延长使用寿命并提高性能。

-> 能量管理控制：优化电池的能量分配和使用，提高能源利用效率，延长续航里程。

二、实现功能

整车控制器通过采集加速踏板信号、制动踏板信号和挡位开关信号等驾驶信息，同时接收CAN总线上电机控制器和电池管理系统发出的数据，并结合整车控制策略对这些信息进行分析和判断，提取驾驶员的驾驶意图和车辆运行状态信息，通过运算分析后做出决策，合理分配动能，控制车辆充电、加减速、能量回收及故障检测等工作，使车辆运行在最佳状态。

信息采集：

驾驶信息：整车控制器通过采集加速踏板信号、制动踏板信号和挡位开关信号等，实时获取驾驶员的驾驶意图。

车辆状态信息：同时，整车控制器还接收来自CAN总线（Controller Area Network）的电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS）的数据，这些数据包括电机状态、电池电量、电池温度等关键车辆状态信息。

分析与判断：

整车控制器结合预设的整车控制策略，对采集到的驾驶信息和车辆状态信息进行实时分析和判断。这些策略可能包括动力分配策略、能量回收策略、故障诊断策略等。

决策与执行：

根据分析和判断的结果，整车控制器提取出驾驶员的驾驶意图和车辆当前的实际运行状态，并通过运算分析后做出决策。

决策结果将转化为具体的控制指令，通过CAN总线或其他通信方式发送给电机控制器、电池管理系统、空调控制器等执行机构，以控制车辆的充电、加减速、能量回收及故障检测等工作。

优化运行：

整车控制器的目标是使车辆运行在最佳状态，这包括最大化能源利用效率、最小化排放（对于电动汽车而言，主要是热管理）、提高驾驶舒适性和安全性等。

整车控制器的关键作用

安全控制：通过实时监测和诊断车辆状态，及时发现并处理潜在的安全隐患，确保车辆安全。

性能优化：根据驾驶条件和驾驶员需求，动态调整动力分配和能量回收策略，提高车辆性能和能源利用效率。

舒适控制：通过调节车内环境（如温度、湿度、噪音等），提高驾驶和乘坐的舒适性。

故障诊断与保护：对车辆各系统进行故障诊断和预警，并在必要时采取保护措施，防止故障扩大或引发更严重的问题。

整车控制系统主要由整车控制器统一协调管理，各控制器之间通过CAN网络进行信息交互，共同实现整车的功能控制。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。

三、整车网络控制系统

由整车控制器、电机控制器、动力电池管理系统、车身控制管理系统，信息显示系统和通讯系统等组成。各子系统之间的信息传递通过网络通讯系统实现。

整车控制器和各个控制器直接CAN网络连接：

高速CAN通讯：整车控制器和电池控制器通讯、整车控制器和电机控制器通讯、整车控制器和车载充电机通讯、整车控制器和DC/DC转换器通讯、整车控制器和电动空调压缩机模块通讯、整车控制器和车身控制器通讯、整车控制器和EBS/ESP通讯、整车控制器和电动转向控制器通讯、整车控制器和安全气囊控制器通讯；

中速CAN通讯：整车控制器和组合仪表模块通讯、整车控制器和空调控制模块通讯、整车控制器和导航控制通讯、整车控制器和中控显示通讯等；

整车网络控制系统是现代汽车，尤其是电动汽车和智能网联汽车的核心技术之一。它通过将车辆的各个控制单元（ECU）通过通信网络连接起来，实现车辆内部信息的实时共享和协同控制。整车网络控制系统利用先进的通信技术和控制策略，将车辆的发动机控制单元、电机控制单元、电池管理单元、车身控制单元等多个ECU集成到一个统一的网络中。这个网络通过高速、可靠的通信协议（如CAN总线、LIN总线、FlexRay等）实现各ECU之间的信息交换和协同工作。

主要功能

-> 实时监测与诊断：

整车网络控制系统能够实时监测车辆的各项参数，如发动机功率、车速、油耗、电池电量、电机温度等，确保车辆的正常运行。通过故障诊断功能，系统能够及时发现并定位车辆故障，提高维修效率和安全性。

-> 协同控制：

系统能够根据驾驶员的输入（如加速踏板、制动踏板、挡位选择等）和车辆状态信息，通过复杂的控制算法和策略，实现各系统之间.。例如，在加速过程中，系统能够合理分配动力给电机和电池，以实现最佳的加速性能和能源利用效率。

-> 远程监控与控制：

整车网络控制系统支持远程监控功能，能够通过互联网或移动通信网络实时获取车辆状态信息，为车主和维修人员提供便利。远程控制功能允许车主在远离车辆的情况下对车辆进行启动、锁门、调节空调等操作。

-> 能量管理：

系统能够优化车辆的能量分配和使用，提高能源利用效率，延长续航里程。在制动过程中，系统能够回收制动能量并将其转化为电能存储在电池中，以供后续使用。

-> 舒适性与安全性：

整车网络控制系统通过调节车内环境（如温度、湿度、噪音等）和提高车辆的安全性（如ABS防抱死系统、ESP车身稳定系统等）来提升驾驶和乘坐的舒适性。

整车控制器主要功能包括:整车上下电、控制模式判断及行驶控制、整车网络化管理、制动能量回馈控制、整车能量管理和优化、故障诊断和处理、车辆状态监测和显示等。

整车上下电功能

整车控制系统根据钥匙门位置进行上下电控制，实现控制系统初始化、自检、充电状态判断等功能。整车控制器由低压蓄电池供电，其上电下电状态由仪表板上的低压开关进行控制。整车模式分为外接充电模式、非充电模式和紧急停机模式。系统充电状态和非充电状态由充电连接线进行判断，充电线已连接为充电状态，否则为非充电状态，紧急停机模式为整车处于最高故障等级进行下电处理。

低压上下电:VCU可以通过检测点火开关信号、充电唤醒信号或CAN信号等被唤醒，发送报文或硬线唤醒其他节点进行低压上下电操作。

高压上下电:整车控制器采集点火开关状态、整车故障状态、电池与电机控制器反馈、整车主正主负继电器反馈预充继电器反馈等信号，对动力电池主正主负、预充继电器进行控制，完成高压上下电操作。

上电控制策略:

初始化:VCU上电后进行基本配置和自检，完成后进入下一个过程

唤醒BMS:VCU控制唤醒BMS，等待与BMS的通讯，通讯连接且电池允许上电后进入下一个判断过程;若BMS报故障，则终止上电过程，整车进入BMS故障模式。

唤醒MCU:VCU发布命令唤醒MCU，等待与CAN通信连接，通信正常连接后，接收MCU上报的故障状态，若MCU允许上电，则完成高压电上电前的准备过程，进入高压电上电控制;

实时监控驾驶员的钥匙请求，当keyon==0后，进入低压电的下电流程。

下电控制策略:

降负载阶段:将DC/DC和气泵disable，同时驱动电机扭矩降低，当驱动电机转速小于某个值后，进入高压电下电流程;

高压电下电阶段:VCU监控判断满足条件之后，发送命令给BMS进行下电，同时VCU监控高压电状态，当高压电下电完成之后，进入低压下电阶段;

低压下电阶段:VCU向BMS、MCU发送下电请求，等待BMS、MCU进行数据保存，当BMS、MCU允许下电之后，对VCU进行下。

整车控制模式判断及行驶控制

整车控制器通过各种状态信息(启动钥匙、充电信号、加速踏板位置、当前车速和整车是否有故障信息等)判断当前需要的整车工作模式(充电模式和行驶模式)。

然后根据当前的参数和状态及前一段时间的参数及状态，计算出当前车辆所需的扭矩值因此，整车控制器要合理解释驾驶员操作，接收整车各子系统的反馈信息，为驾驶员提供决策反馈，对整车各子系统发送指令，以实现车辆的正常行驶。

车辆的行驶状态(加速、制动、转向)根据不同的驾驶方式后车辆就会呈现出不同的驾驶性能(如运动、舒适、经济等)。控制系统能够更大程度上满足不同驾驶员的需求，同时也可提高车辆在不同驾驶模式下的操纵性和稳定性。模式控制系统通过操纵开关下达指令，主控单元接收开关的指令后再把指令通过can网络发送给各子系统，其中主要参与响应的子系统有发动机控制系统、变速器控制系统、分动器控制系统、车辆稳定性控制系统、电动助力转向系统、人机交互系统。在不同的驾驶模式下，各子系统通过相应的响应协同工作，使车辆呈现出不同的驾驶性能。

五、整车的网络化管理

电动汽车除了整车控制器外，还有电机控制器、电池管理系统等各种子控制系统。这些控制器之间需要通信。整车控制器通过CAN通讯网络连接各分控系统，协调管理整个通讯网络。整车控制器是电动汽车众多控制器中的一个，是CAN网络总线中的一个节点。在整车网络管理中，整车控制器是信息控制的中心，负责信息的组织与传输，网络状态的监控，网络节点的管理以及网络故障的诊断与处理。

制动能量回馈控制(动能回收)

它就是在电动车制动或惯性滑行时，回收释放出的多余能量，通过发电机转化为电能，并储存到蓄电池中，以供车辆后续行驶使用。这一过程中，电动车的电机作为能量转换装置，动力电池则作为储能装置，共同协作完成能量的回收与再利用。

整车控制器根据行车速度、驾驶员制动意图、动力电池组的荷电状态进行综合判断，若达到回收制动能量的条件，整车控制器即会向电机控制器发送控制指令，使驱动电机在发电状态，将制动能量转变成电能存储到动力电池中。制动能量回收原则是不干预液压系统ABS的工作，优先级低于ABS。

整车能量管理和优化

通过对电动汽车的电机驱动系统、电池管理系统、传动系统以及其他车载能源动力系统(如空调、电动泵等)的协调和管理，可以提高整车能量利用效率，延长续驶里程。在纯电动汽车中，动力电池除了给驱动电机供电以外，还要给电动附件供电，因此，为了获得最大的续驶里程，整车控制器将负责整车的能量管理，以提高能量的利用率。在电池的SOC值比较低的时候，整车控制器将对某些电动附件发出指令，限制电动附件的输出功率，来增加续驶里程。

故障诊断与处理

实车运行中，任何部件都可能产生差错，从而导致器件损坏甚至危及车辆安全。整车控制器要能对汽车各种可能的故障进行分析处理，这是保证汽车行驶安全的必备条件。连续监视整车各控制系统，进行故障诊断，并及时进行相应的安全保护处理。根据传感器的输入及其它通过CAN总线通讯到电机、电池、充电机等信息，对各种故障进行判断、等级分类、报警显示、存储故障码等。

###车辆状态监测和显示

整车控制器通过直接采集信号和接收CAN总线上的数据的方式获得车辆运行的实时数据，包括速度、电机的工作模式、转矩、转速、电池的剩余电量、总电压、单体电压、电池温度和故障等信息，然后通过CAN总线将这些实时信息发送到车载信息显示系统进行显示。此外整车控制器定时检测CAN总线上各模块的通信，如果发现总线上某一节点不能够正常通信，则在车载信息显示系统上显示该故障信息，并对相应的紧急情况采取合理的措施进行处理，防止极端状况的发生，使得驾驶员能够直接、准确地获取车辆当前的运行状态信息。

整车控制器对车辆的状态进行实时检测并且将各个子系统的信息发送给车载信息显示系统，其过程是通过传感器和CAN总线，检测车辆状态及其各子系统状态信息，通过组合显示仪表，将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来。

显示内容包括:车速、里程、电机转速、温度、电池电量、电压、电流、故障信息等。

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