纯电动汽车整车控制系统工作过程

纯电动汽车行驶过程中，整车控制器根据检测到的车辆状态信息（上电指示灯状态）、驾驶员操纵传感器信号和各种开关量信号，进行分析处理得出结论，进行电池管理控制、电机控制、空调控制、电动助力转向控制、制动控制、车辆的故障诊断和处理以及低压电气系统的工作控制。在汽车的正常行驶中，若车辆减速制动或下坡滑行时，还可以实现再生能量回收，如图4-21所示。整车控制系统的工作原理是通过低压电气系统、高压管理系统、车载网络系统等三个系统的工作过程来实现的。

图4-21　整车控制系统运行图

（一）低压电气系统

纯电动汽车的低压系统主要是对整车低压电气系统的工作进行控制，其作用是控制整车低压电气系统的配电，并为整车控制器、电机控制器和电动辅助装置供电，监控这些系统的运行状态和故障处理。纯电动汽车的低压电气系统主要由低压电源、DC-DC转换器、低压电气系统（车身电器、底盘电器）等组成，其可以实现低压配电控制、车况检测以及低压电气系统的工作控制等，具体工作过程如下：

1.低压配电控制

车辆行驶过程中，12V的蓄电池给车上低压电器灯光、雨刮、电动辅助装置等电气系统供电的同时，也给整车控制器、电机控制器、空调控制器、高压电气设备的控制电路提供工作电压。

2.车辆实时检测和显示

整车控制系统对车辆的状态进行实时监测，并且将各个子系统的状态信息发送给车载网络系统进行传输，最终传输到仪表，通过仪表将检测到的车辆运行状态信息和故障诊断信息显示出来。

3.低压电气系统工作控制

纯电动汽车的低压系统根据车辆状态信息和工作需求信号控制相应电气控制系统的工作状态，常见的有底盘的电控动力转向系统和电动真空助力系统的工作控制。这样，可以使辅助电气系统按照驾驶员的操作意图完成相应的工作，给车内驾乘人员提供安全、舒适的环境。

（二）高压管理系统

纯电动汽车的高压管理系统的作用是进行动力电池电源的输出及分配，实现对各支路用电器的保护及切断，同时还可以控制汽车在减速制动或下坡滑行时的能量回收。高压管理系统主要由整车控制器、高压配电装置、电机控制器、电池管理器、高压互锁、漏电传感器、驾驶员操纵传感器等组成，可以实现控制模式的判定、上下电控制、高压互锁控制、漏电保护控制、整车能量管理、充电控制、故障诊断与处理，具体工作过程如下：

1.控制模式的判定

纯电动汽车在汽车运行过程中，整车控制器根据采集的钥匙信号、充电信号、加速/制动踏板位置信号等来判断当前需要的工作模式。若当前为运行模式，则根据当前的参数和前段时间工作时的记忆参数，计算出合理的输出转矩和显示数据，从而保证汽车正常行驶。

2.上下电流程控制

纯电动车的点火钥匙有“OFF”“ACC”“ON”三个状态。整车控制器根据驾驶员对行车钥匙开关的控制，进行动力电池的高压接触器开关控制，以完成高压设备的电源通断和预充电控制。上下电流程处理：协调各相关部件的上电与下电流程，包括电机控制器、电池管理系统等部件的供电，预充电继电器、主继电器的吸合和断开时间等。

（1）上电顺序。

①低压上电：

a.当点火钥匙由“OFF”→“ACC”时，VCU低压上电。

b.当点火钥匙由“ACC”→“ON”时，BMS（电池管理系统）、MCU（电机控制器）低压上电。

②高压上电：

点火钥匙在“ON”挡位，BMS、MCU当前状态正常，且在之前一次上下电过程中整车无严重故障。

a.BMS、MCU初始化完成，VCU确认正常。

b.闭合电池继电器。

c.闭合主继电器。

d.MCU高压上电。

e.如挡位在“N”挡，仪表显示“Ready”灯点亮。

上电注意事项：点火开关旋至“Start”挡，松开后回到“ON”挡；挡位处于“N”挡上电，踩下制动踏板。

上电异常情况及处理：

a.充电指示灯亮——关好充电门板，重新上电。

b.动力电池故障灯亮——重新上电后，如仍亮，表明电池有故障。

c.动力电池绝缘电阻低——检查动力电池的高压线连接情况。

d.挡位显示状态闪烁——挡位换到“N”挡。

e.系统故障灯亮且无以上情况——需先检查蓄电池电量，VCU、MCU、BMS低压供电情况，用诊断仪读取当前故障码。

（2）下电顺序。

纯电动车下电只需将点火钥匙转到“OFF”挡，即可实现高压、低压电的正常下电。

①点火钥匙到“OFF”挡，主继电器断开、MCU低压下电。

②辅助系统停止工作，包括DC-DC、水泵、空调、暖风。

③BMS断开电池继电器。

④VCU下电。

3.高压互锁控制

高压互锁在纯电动汽车使用过程中采用低压信号来检查电动汽车上所有与高压母线相连的高压回路连接的完整性和可靠性。高压互锁可以监测到高压回路相关的高压线束插接器自动松脱或者接触不良迹象，并在高压断电之前给整车控制器提供报警信息，预留整车系统采取应对措施的时间，避免人为误操作给断点周围的人员和设备造成伤害。

4.漏电保护控制

漏电传感器在漏电保护控制中起核心作用，漏电传感器通过将一端和负极相连，一端与车身连接，检测电流与电压值，一旦发现有超出限制的电流和电压，则发出报警，并切断控制模块，确保用电安全。例如，比亚迪E5型车，动力蓄电池系统泄漏电流量要求不超过2mA，整车绝缘电阻值需大于100kΩ/1000V。

5.整车能量管理

整车能量管理在电动汽车管理系统中占有重要的地位，提高整车能量利用率可以提高一次充电的续驶里程，维护整车的安全性。在纯电动车的能量管理系统中，最主要的内容是动力电池的管理和整车的能量流动控制。能量管理策略的目标是使能量能够得到有效而合理的利用，同时兼顾电池的安全性能要求。

汽车运行过程中整车管理控制器根据行车速度、驾驶人制动意图、动力电池组的荷电状态，进行综合判断，若达到相应的条件，整车控制器即会向电机控制器发出控制指令和电池管理器发出指令，使驱动电机工作和动力电池处在相应的工作状态。例如，若能达到回收后制动能量的条件，整车控制器即会向电机控制器发出控制指令使驱动电机工作在发电状态，将制动能量转变成电能存储到动力蓄电池中。即在减速制动过程中，减速和制动时的回馈能量会为电池充电。

纯电动汽车的动力全部来自动力电池的放电。能量管理的原理如图4-22所示，在车辆启动时，电池放电，为电机及其他元件提供电量。在车辆以正常车速行驶时，由电机驱动，这时电机工作于负荷相对较高的高效区。如果电池的SOC较低，车辆进行报警和提示，保证车辆的安全，在减速和制动时，电机又可把部分动能转换为电能存储于电池中。

图4-22　电池能量管理示意(www.xing528.com)

6.充电过程控制

纯电动汽车进入充电状态，整车高压负接触器和充电机高压正接触器吸合，充电高压回路接通开始对动力电池充电。此时DC-DC工作，输出低压直流电给低压蓄电池充电。在充电状态时，整车控制器接收到充电信号，钥匙开关转到任何挡位，车辆其他系统均不能得到高压，保证车辆处于锁止状态，不能行驶；它还根据电池状态信息限制充电功率，保护电池。在充电过程中，若BMS检测到过充信号，则发出信号告知充电机停止工作，并且延时3s后，整车控制器切断充电机高压正接触器和整车高压负接触器，从而切断充电高压回路。

7.故障诊断与处理

整车控制器连续监视动力系统，进行故障诊断，并及时进行相应安全保护处理。根据传感器的输入及其他通过CAN总线得到的电机、电池、踏板等的信息，对各种故障进行判断、等级分类、报警显示，并存储故障码，供维修时查看。

整车控制器将电动汽车的故障分为4级：

（1）一级致命故障，需紧急断开高压电。

（2）二级严重故障，电机0转矩输出，动力电池限流20A输出。

（3）三级一般故障，跛行降低功率限速15～20km/h。

（4）四级轻微故障，停止能量回收，仪表进行故障显示，行驶不受影响。

（三）车载网络系统

随着汽车技术飞速的发展，以及电子技术和控制技术在汽车上的大量应用，汽车上采用的电子控制模块越来越多，由原来的几块发展到现在的几十块，传统的数据传输方式已不能满足现代汽车多模块间数据传输的要求。为了满足现在汽车控制任务越来越多、控制内容越来越精确、控制速度越来越快的要求，新型汽车的控制系统中采用了一种新型的数据传输网络，即通过总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，形成的符合传输安全、响应快和运行可靠的信息通信系统，也就是车载网络系统，这种车载网络系统一般是由多种类型的数据总线组合而成的。在纯电动汽车中一般用于驱动及传动系统、车身系统、安全系统及多媒体信息通信系统。

1.车载网络系统的作用

车载网络系统将可以在实现数据信息的共享的同时，按照不同的协议和拓扑结构将不同系统的信息进行通信与控制，既减少了线束，又可以更好地控制和协调汽车的各个系统，在汽车动力性、经济性达到最佳的情况下，提高了乘坐的舒适度和操作的方便性。

2.车载网络系统的类型

车载网络系统按照不同的分类标准分为不同的类型，这里主要介绍常见的几种分类。

（1）按实现的控制功能分类。

纯电动汽车根据其工作特性和实现的控制功能分为启动网、动力网、电池子网和空调子网等。这些车载的网络系统大多采用高速CAN或者中速CAN。

（2）按数据传输方式分类。

车载网络系统内的数据总线按照数据传输方式不同，常用的数据总线分为CAN总线、LIN总线、MOST总线、车载蓝牙系统、FlexRay、VAN系统、LAN系统7种类型。

3.典型车载网络系统（CAN总线）

CAN总线又称为汽车总线，其全称为“控制器局域网（Controller Area Network）”，是一种现场总线，是为了解决现代汽车中众多控制与仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它可以使用双绞线来传输信号，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线可很好地解决传统布线方法存在的连线数量惊人且故障隐患大的问题。如今几乎每一辆在欧洲生产的新轿车都至少装配一个CAN总线网。而且，总线也广泛应用到火车、轮船等其他交通工具中。

（1）CAN数据总线组成。

CAN数据总线由一个控制器，一个收发器，两个数据传输终端以及两条数据传输线组成，除了数据传输线以外，其他元件都置于控制单元内部，控制单元功能不变。纯电动汽车控制总线CAN组成及原理详见本项目二维码资源。

①CAN控制器。

CAN控制器接收控制单元中的微处理器传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往收发器。同样，CAN控制器也接收由CAN收发器传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往控制单元中的微处理器。

②收发器。

它将CAN控制器传来的数据转化为电信号将其送入数据传输线。它也为CAN控制器接收和转发数据。

③数据传输终端。

它是一个电阻器可以防止数据在线端被反射。当数据在线端以回声的形式返回时，会影响数据的传输。

④数据总线。

它是双向的，对数据进行传输，两条线分别被称为CAN高线和CAN低线。数据传输线为了防止外界电磁波的干扰和向外辐射，总线采用两条线缠绕在一起，如图4-23所示。

图4-23　数据传输线

这两条线的电位相反，如果一条是5V，另一条就是0V，始终保持电压总和为5V，通过这种办法，CAN数据总线得到了保护而免受外界的电磁场干扰，同时CAN数据总线的向外辐射也保特中性，即无辐射。

（2）CAN控制总线工作原理。

CAN数据总线的数据传输原理在很大程度上类似电话会议的方式。用户1控制单元1向网络中“说出”数据，而其他用户“收听”到这些数据。一些控制单元认为这些数据对它有用，它就接收并且应用这些数据，而其他控制单元也许不会理会这些数据，故数据总线里的数据并没有指定的接收者，而是被所有的控制单元接收及计算，如图4-24所示。

图4-24　CAN总线中数据的具体传输过程

CAN数据总线是车载网络系统关键技术之一，数据总线CAN意味着将各个控制单元之间网络化并可进行数据交流，利用CAN数据总线将各个控制单元连接起来，形成了车载网络系统。

4.纯电动汽车车载网络系统架构

纯电动汽车根据不同的电气特性，整个车辆的网络系统有驱动及传动系统、车身系统、安全系统和多媒体信息通信系统，驱动及传动系统和安全系统为通信效率要求较高的实时性应用，车身系统为多路通信应用，多媒体信息中则为多媒体及信息娱乐应用，所以纯电动汽车信息通信多采用CAN总线进行。

纯电动汽车的车载网络系统在传统汽车的车载网络系统的基础上增加了新能源和快充通信系统，所以纯电动汽车车载网络系统主要由用于车身、安全系统及多媒体系统的信息传输的原车通信网、用于动力电池、驱动电机的信息通信的新能源网和用于快充通信的快充网组成，如图4-25所示。

图4-25　纯电动汽车车载网络系统总成

5.车载网络系统特点

车载网络系统特点如下：

（1）布线简单、设计简化、节约铜材、降低成本。

（2）可靠性提高，可维护性大为提高。

（3）实现信息共享，提高汽车性能。

（4）满足现代汽车电子设备种类功能越来越多的要求。

总之，使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。