项目二 纯电动汽车上下电操作
项目描述
整车控制系统统一协调电动汽车动力系统各部件的工作，其功能相当于纯电动汽车的大脑，是整车控制策略的最终运行载体；是实现汽车动力系统协同工作的关键部件；是纯电动汽车正常行驶、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。由此可见，整车控制系统在新能源汽车动力系统中具有重要的意义。
本项目主要介绍新能源汽车整车控制系统的组成、功能、对车辆性能的影响以及原理。
目标要求
1）了解整车控制系统功能。
2）掌握整车控制系统的原理。
3）能通过维修手册查找无钥匙进入系统故障原因，使用检测工具进行故障排除。
4）能够完成低压无法上电的故障诊断及排除。
知识准备
一、新能源汽车整车控制系统的组成
整车控制系统是新能源汽车正常运行的控制中枢，它主要由整车控制器、电机控制器（有的车辆称为PDU）、电池管理系统、CAN-USB等组成，如图2-1所示。
图2-1 新能源汽车整车控制系统示意图
（一）整车控制器
整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）如图2-2所示，它是整个汽车的核心控制部件，通过采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号并做出相应判断后控制下层控制器的动作。具体来讲，VCU通过采集驾驶员驾驶信号和车辆状态，通过CAN总线对网络信息进行管理、调度、分析和运算，进行相应的能量管理，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动能量回馈控制、高压上下电控制、充电过程控制、实时监测车辆状态和故障诊断与处理等功能。
图2-2 整车控制器
（二）电机控制器
电机控制器（Motor Control Unit, MCU）如图2-3所示，有的车辆称为PDU。它有两个功能：一是响应并反馈VCU根据驾驶员意图发出的各种指令，实时调整驱动电机输出，以实现控制驱动电机的转速、转向、转矩和通断；二是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。
图2-3 电机控制器
（三）电池管理系统
电池管理系统（Battery Management System, BMS）如图2-4所示，它是电动汽车的“动力源”，主要为整车提供持续、稳定的能量。作为整车的动力来源，电池管理系统的综合性能将直接影响整车的续驶里程及动力性能。对于纯电动汽车来讲，动力电池系统主要用于接收和存储由外置充电装置和能量回收装置提供的电能，并通过高压控制盒连接动力电池组件，为驱动电机、空调、DC/DC变换器等用电设备提供电能。
图2-4 电池管理系统
（四）OBD针脚端口定义
OBD是英文简写，中文含义是“车载诊断系统”。当系统出现故障时，故障指示灯点亮，同时OBD系统将故障信息存入储存器，可以通过诊断仪读取系统故障码和数据流，根据故障码和数据流进行诊断，确定故障部位。OBD诊断接口位置及形状如图2-5所示。
图2-5 OBD诊断接口位置及形状
OBD针脚接口定义说明如图2-6所示。
图2-6 OBD针脚接口定义说明
二、整车控制系统分类、功能及影响
（一）整车控制系统分类
电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制系统和分布式控制系统。这两种系统都是由整车控制器、电池管理系统和电机控制器等部件组成，其区别在于两者的布置方式不同。
1.集中式控制系统
集中式控制系统的基本原理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，并且不容易散热。
2.分布式控制系统
分布式控制系统的基本原理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。
（二）整车控制系统功能
整车控制系统的主要功能是根据驾驶员的操作和当前整车及零部件工作状况，在保证安全性、经济性和动力性的前提下，提供最优化的工作模式和能量分配比例。
1.动力系统控制
整车控制器接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向相关部件控制器（如电机控制器、电池管理系统、发动机控制器等）发送控制指令，从而准确可靠地执行驾驶员意图，对车辆进行上下电管理并控制其正常行驶。
2.电池管理系统控制
电池管理系统是连接动力电池和新能源汽车的重要纽带，是保护和管理高压电池包的核心部件。它主要用于监测动力电池组的荷电状态、工作状态和单体电池间的均衡。
3.通信功能
整车控制器与电机控制器、电池管理系统、防抱死制动系统（Anti-lock Braking System, ABS）、电动助力转向系统、仪表等控制器进行可靠通信，通过控制局域网络（CAN）总线进行数据的采集输入及控制指令的输出。另外，整车控制器经常位于整车平台CAN网络和动力系统CAN网络中，整车控制器也起到网关作用，这两个网络的信息可以通过整车控制器实现数据信息的相互传递。
4.车辆状态监测
实车运行中，任何部件都可能出现差错，从而导致器件损坏甚至危及车辆安全。整车控制系统要接收各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的动力系统状况信息，这是保证汽车行驶安全的必备条件。
5.整车自诊断功能
整车控制系统对整车系统故障进行实时判断，动态检测系统信息，并记录历史故障。它在检测出故障后做出相应处理，在保证整车安全的条件下，使各部件在正常范围内工作，以满足驾驶意图。
（三）整车控制系统对车辆性能的影响
1.动力性和经济性
整车控制器决定发动机和电机转矩的输出，并直接关系到汽车动力性能。燃料电池轿车和大客车有两个或两个以上的能量来源，在汽车实际行驶过程中，整车控制器实时控制能量源之间的能量分配，从而实现整车能量的优化，获得较高的经济性。
2.安全性
除了传统汽车的安全性问题（如制动和操纵稳定性）之外，新能源汽车还增加了高压电安全和燃料电池等新的安全隐患，如动力电池等能量储存单元和动力总线、电动汽车电机及其控制器等强电环节、燃料电池轿车和大客车上的储氢瓶等。整车控制器必须从整车的角度及时检测各个部件的工作状态，并对可能出现的危险进行及时处理，以保证驾乘人员和车辆的安全。
3.驾驶舒适性及整车的协调控制
采用整车控制器管理汽车上的各部件工作，可以整合汽车上各项功能，如自动巡航、ABS、自动换档等，实现信息共享和全局控制，改善驾驶舒适性。整车控制器根据驾驶员操作信号进行驾驶意图解释，根据各个部件和整车工作的状态进行整车安全管理和能量分配决策，通过CAN总线向整车其他电子单元发送指令，并通过硬件资源驱动整车安全操作和仪表显示。
三、整车控制系统的原理
新能源电动汽车常用的是分布式控制系统，因此我们主要介绍典型分布式整车控制系统（图2-7）及其工作原理。分布式整车控制系统包含三个层次：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，即整车控制器，它的主要任务包含两个方面，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，由驾驶员或者自动驾驶仪来实现车辆的闭环控制。
图2-7 典型分布式整车控制系统示意图
因此，总体来讲，分布式整车控制系统的工作原理是整车控制器采集加速踏板信号、制动踏板信号和档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，最后通过CAN总线发出指令来控制各部件控制器的工作，保证车辆的正常行驶。
四、整车控制低压上电与唤醒
（一）整车供、断电过程概述
整车供、断电包括：低压供电与断电、唤醒与取消唤醒、高压供电（上电）与断电（下电）。其中控制功能涉及整车所有控制单元。这些控制单元包括：整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）、DC/AC变换器、动力电池管理系统（BMS）、空调系统、DC/DC变换器、终端监控模块以及组合仪表等。整车供、断电由整车控制器进行协调。低压上电后，要进行信息交互和故障检测，在整个控制过程中必须做到逻辑严谨、过程合理以及故障检测有效。
（二）低压供电及唤醒原理
电动汽车/混合动力汽车各控制器的协调工作、高压上电或有效放电以及充配电等，都需要由低压蓄电池供电，为了保障供电安全，整车控制器必须在确保整车主要高、低压部件正常的情况下，才可以使车辆激活放电和充配电功能。这些功能需要先唤醒整车控制器，整车控制器被唤醒之后再将各子系统唤醒。通常整车供电与唤醒分为：BATT供电、点火开关唤醒、快/慢充唤醒以及远程唤醒。
1. BATT供电、点火开关唤醒
BATT长供电连接图如图2-8所示。由蓄电池直接供电给整车控制器（VCU）、组合仪表（ICM）、数据采集终端（RMS）、DC/DC变换器以及动力电池管理器。
图2-8 BATT长供电连接图
电磁线圈提供12V电源，通过继电器内部的电磁线圈输出与地接通，线圈产生磁场，触点闭合，继电器开始为整车控制器（VCU）、组合仪表（ICM）、终端监控模块（RMS）提供开关唤醒电源（DC 12V）。VCU、ICM和RMS有了工作唤醒电源后进行自检，VCU自检完毕后，通过内部电路输出电压分别唤醒BMS与DC/DC变换器模块。BMS与DC/DC变换器模块被唤醒后开始工作。非充电模式下各控制器唤醒原理如图2-9所示。
图2-9 非充电模式下各控制器唤醒原理
2.快/慢充唤醒
交流慢充控制器唤醒原理连接图如图2-10所示。在交流慢充系统中，外部交流供电设备与车辆端交流慢充口完全连接后，车载充电机被唤醒，车载充电机控制的交流继电器工作，分别向整车控制器和终端监控模块（RMS）输送12V唤醒电压，VCU和RMS开始工作。VCU被唤醒后，进行自检，自检完毕后，输送唤醒电压，分别唤醒组合仪表（ICM）、DC/DC变换器模块和BMS。BMS被唤醒后与RMS进行通信，采集动力电池的重要参数。
图2-10 交流慢充控制器唤醒原理连接图
快充模式下各控制器唤醒连接电路图如图2-11所示。在快充模式下，直流充电桩与直流充电口建立连接关系后，充电桩通过A+ 发出唤醒信号给整车控制器和数据采集终端（RMS）。整车控制器被唤醒后，再向BMS、DC/DC变换器以及ICM仪表发出唤醒信号。
图2-11 快充模式下各控制器唤醒连接电路图
3.远程唤醒
在远程模式下，控制器唤醒有远程唤醒、远程App唤醒和整车控制器唤醒。如图2-12所示，远程App唤醒信号输送给数据采集终端（RMS），RMS被唤醒后，将唤醒信号输送至整车控制器（VCU），整车控制器送出唤醒信号后，开始唤醒仪表ICM、DC/DC变换器模块和BMS。在远程慢充模式下，车载充电机通过BMS向总线发送报文进行唤醒。
图2-12 远程模式下各控制器唤醒原理连接图
典型工作任务