背景知识

一 整车控制系统的组成与功能

1.什么是控制系统？

控制系统一般包含传感器、控制器和执行元件。

传感器采集信息并转换成电信号发给控制器，控制器根据传感器的信息进行运算、处理和决策，并向执行元件发出控制指令以完成某项控制功能，如图1-1所示。

当系统中有两个控制系统并且需要相互通信时，可以通过CAN总线将两个控制系统连接起来，如图1-2所示。

当系统有多个控制器且控制器需要通信时，多个控制系统可以连接在总线上实现控制系统之间的信息通信，如图1-3所示。

纯电动汽车与传统汽车控制系统的主要区别：

1）传统汽车的控制系统是对等的，没有主次之分。

2）纯电动汽车的控制系统一般有一个主控制器，主控制器除了完成自身的控制功能以外，还肩负着整个控制系统的管理和协调功能。

整车控制器采用分层控制方式：整车控制器作为第一层，其他各控制器为第二层，各控制器之间通过CAN网络进行信息交互，实施整车的功能控制，如图1-4所示。

2.纯电动汽车整车控制系统的组成

纯电动汽车的整车控制系统通常包含低压电器控制系统、高压电器系统和整车网络化控制系统三部分，如图1-5所示。

低压电器控制系统主要由辅助蓄电池和若干低压电设备组成。低压电器控制系统采用直流12V或24V电源，一方面为灯光、刮水器等车辆常规低压电器供电，另一方面为整车控制器、高压电器设备的控制电路和辅助部件供电。

传统燃油汽车与纯电动汽车的低压电器控制系统主要区别：燃油汽车的辅助蓄电池由发电机来充电（发电机由发动机驱动），而纯电动汽车的辅助蓄电池由动力电池通过DC/DC变换器来充电。

高压电器系统主要由动力电池、驱动电机和功率变换器等大功率、高压的电器设备组成，根据车辆行驶的功率要求，完成从动力电池到驱动电机的能量转换与输送过程。

整车网络化控制系统主要包括整车控制器（VCU）、电机控制器、电池管理系统（BMS）、车身管理控制系统（含BCM）、信息显示系统和通信系统等。整车控制器是整车控制系统的核心，承担了数据交换与管理、故障诊断、安全监控、驾驶员意图解析等功能。各子系统之间的信息传递通过网络通信系统实现，目前常用的通信协议是CAN协议。该协议具有较好的可靠性、实时性和灵活性。

整车控制系统必须具有可靠、容错、电磁兼容性好和环境适应性强等优点，才能保障整车的安全、可靠运行。

3.整车控制器的功能

整车控制器的主要功能包括整车控制模式判断和驱动控制、整车能量优化管理、整车通信网络管理、制动能量回馈控制、故障诊断和处理、车辆状态监测和显示等，整车控制器功能如图1-6所示。

（1）整车控制模式判断和驱动控制

整车控制器通过各种状态信息（启动钥匙、充电信号、加速/制动踏板位置、当前车速和整车是否有故障信息等）来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参数及状态，算出当前车辆的转矩能力，按当前车辆需要的转矩，计算出合理的最终实际输出的转矩。例如，当驾驶员踩下加速踏板时，整车控制器向电机控制单元发送电机输出转矩信号，电机控制系统控制电机按照驾驶员的意图输出转矩。

（2）整车能量优化管理

纯电动汽车有很多用电设备，包括电机和空调设备等。整车控制器可以对能量进行合理优化来提高纯电动汽车的续驶里程。例如当动力电池组电量较低时，整车控制器发送控制指令关闭部分起辅助作用的电器设备，将电能优先保证车辆的安全行驶。

（3）整车通信网络管理

在整车的网络管理中，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、信息优先权的动态分配以及网络故障的诊断与处理等功能。通过CAN线协调电池管理系统、电机控制器、空调系统等模块相互通信，如图1-7所示。

（4）制动能量回馈控制

电动汽车的电机可以工作在再生制动状态，对制动能量进行回收利用是电动汽车和传统能源汽车的重要区别。

整车控制器根据行驶速度、驾驶员制动意图和动力电池组状态（如电池荷电状态SOC值）进行综合判断后，对制动能量回馈进行控制。如果达到回收制动能量的条件，整车控制器向电机控制单元发送控制指令，使电机工作在发电状态，将部分制动能量储存在动力电池组中，提高车辆能量利用效率。

（5）故障诊断和处理

故障诊断和处理功能通过连续监视整车电控系统，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他通过CAN总线通信得到的电机、电池、充电机等的信息，对各种故障进行判断、等级分类、报警显示，存储故障码以供维修时查看；故障指示灯指示出故障类型和部分故障码；对于不太严重的故障，能做到“跛行回家”。

（6）车辆状态监测和显示

整车控制器应该对车辆的状态进行实时检测，并且将各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，检测车辆状态以及动力系统和相关电器附件相关各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断信息通过数字仪表显示出来。显示内容包括：车速、里程、电机的转速、温度、电池的电量、电压、电流、故障信息等。

4.整车控制系统的故障分级与警示

整车控制系统根据电机、电池、EPS（电动助力转向系统）、DC/DC、整车CAN网络及整车控制器等出现的故障进行综合判断，确定故障的等级并进行相应的控制处理。故障分为四级，见表1-1。

当整车控制器对自身及各系统进行检测过程中发现故障问题时，会点亮仪表中相应的指示灯，如图1-8所示，以异常闪烁或常亮的方式进行警示，具体见表1-2。