纯电动汽车整车控制器的组成原理及国内外研究现状分析

am928 · 发表于 2025-3-3 13:49:32

更是车辆状态监视等功能的主要控制部件。

整车控制器由硬件和软件两部分组成。其核心软件和程序通常由生产厂商进行研发。汽车零部件供应商可以提供整车控制器的硬件和底层驱动程序。现阶段，国外在纯电动汽车整车控制器方面的研究主要集中在以轮毂电机驱动的纯电动汽车上。对于只有一个电机的纯电动汽车，通常不会配备整车控制器，而是利用电机控制器来进行整车控制。很多国外的大企业都具备提供成熟整车控制器方案的能力，像大陆、博世、德尔福等。

整车控制器组成与原理

纯电动汽车的整车控制系统主要有两种方案，分别是集中式控制和分布式控制。

整车控制器独自完成对输入信号的采集，这是集中式控制系统的基本思想之一。它会根据控制策略对数据进行分析和处理，之后直接向各执行机构发出控制指令，从而驱动纯电动汽车正常行驶。集中式控制系统的优点在于处理集中，响应速度快，成本也较低；其缺点是电路较为复杂，并且不容易散热。

整车控制器会采集一些驾驶员信号。同时，整车控制器会通过 CAN 总线与电机控制器和电池管理系统进行通信。电机控制器会将其采集的整车信号通过 CAN 总线传递给整车控制器。电池管理系统也会将其采集的整车信号通过 CAN 总线传递给整车控制器。整车控制器依据整车信息，同时结合控制策略来对数据展开分析与处理。电机控制器以及电池管理系统在接收到控制指令之后，会依据电机和电池当下的状态信息，对电机的运转进行控制以及让电池进行放电。分布式控制系统的优点在于具备模块化的特点，并且复杂度较低；其缺点则是成本相对而言比较高。

典型分布式整车控制系统的示意图如下所示。整车控制系统的顶层为整车控制器。整车控制器通过 CAN 总线来接收电机控制器的信息，同时也接收电池管理系统的信息。并且，整车控制器会对电机控制器发送控制指令，对电池管理系统发送控制指令，还会对车载信息显示系统发送控制指令。车载信息显示系统用于显示车辆当前的状态信息等。

典型分布式整车控制系统示意图

某公司开发的是纯电动汽车，其整车控制器组成原理图如下。整车控制器的硬件电路包含多个模块，其中有微控制器，还有开关量调理、模拟量调理、继电器驱动、高速 CAN 总线接口以及电源等。

某公司开发的纯电动汽车整车控制器组成原理图

（1）微控制器模块

微控制器模块是整车控制器的核心部分。对于纯电动汽车整车控制器的功能以及其运行所处的外界环境，需要综合进行考虑。微控制器模块应当具备高速的数据处理能力，还应当拥有丰富的硬件接口，同时要具有低成本的特点，并且可靠性要高。

（2）开关量调理模块

开关量调理模块的作用是进行开关输入量的电平转换和整型。它的一端与多个开关量传感器相连接，另一端则与微控制器相连接。

（3）模拟量调理模块

模拟量调理模块的作用是采集加速踏板的模拟信号，同时也采集制动踏板的模拟信号，并且将这些采集到的模拟信号输送给微控制器。

（4）继电器驱动模块

继电器驱动模块的作用是驱动多个继电器。它的一端与微控制器相连，连接方式是通过光电隔离器。它的另一端与多个继电器相接。

（5）高速CAN总线接口模块

高速 CAN 总线接口模块的作用是提供高速 CAN 总线接口。它的一端与微控制器相连，连接方式是通过光电隔离器；它的另一端与系统高速 CAN 总线相接。

（6）电源模块

电源模块会给微处理器提供隔离电源，也会给各输入、输出模块提供隔离电源。同时，它还会对蓄电池电压进行监控，并且与微控制器相连接。

实现制动能量回收控制。整车控制器具备综合仪表接口功能，能够显示整车状态信息；它还具备完善的故障诊断和处理功能；同时具有整车网关及网络管理功能。

整车控制器基本功能

整车控制器通过 CAN 总线发出指令来控制各部件控制器的工作，以保证车辆的正常行驶。整车控制器应该具备以下基本功能。

（1）对汽车行驶控制的功能

电动汽车的驱动电机需按照驾驶员的意愿输出驱动或制动转矩。驾驶员踩下加速踏板时，驱动电机要输出一定的驱动功率；驾驶员踩下制动踏板时，驱动电机要输出一定的再生制动功率。踏板的开度越大，驱动电机的输出功率就越大。整车控制器需要对驾驶员操作进行合理的解释；它要接收整车各个子系统反馈回来的信息，然后给驾驶员提供决策方面的反馈；还要向整车的各个子系统发送控制指令，以此来让车辆能够正常行驶。

（2）整车的网络化管理

整车控制器是电动汽车众多控制器里的一个，它也是 CAN 总线中的一个节点。在整车网络管理方面，整车控制器充当着信息控制的中心角色，负责对信息进行组织和传输，对网络状态进行监控，对网络节点进行管理，以及对网络故障进行诊断和处理。

（3）对制动能量的回收

纯电动汽车的一个重要特征是能进行制动能量回收，它通过让电机工作在再生制动状态来达成。整车控制器会分析驾驶员制动意图等消息，以及动力电池组状态和驱动电机状态等，再结合制动能量回收控制策略。在满足制动能量回收条件时，整车控制器会向电机控制器发送电机模式指令和转矩指令，让驱动电机工作在发电模式，这样就能在不影响制动性能的情况下，将电制动回收的能量储存到动力电池组中，从而实现制动能量回收。

（4）整车能量管理和优化

纯电动汽车中，动力电池既要给驱动电机供电，又要给电动附件供电。所以，为获取最大续驶里程，整车控制器要负责整车的能量管理，以提升能量利用率。当电池的 SOC 值较低时，整车控制器会对某些电动附件发出指令，限制其输出功率，从而增加续驶里程。

（5）对车辆状态的监测和显示

整车控制器通过直接采集信号的方式获得车辆运行的实时数据，这些数据包括速度等信息；整车控制器还通过接收 CAN 总线上的数据获得车辆运行的实时数据，这些数据包括电机的工作模式等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括转矩等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括转速等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括电池的剩余电量等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括总电压等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括单体电压等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括电池温度等信息；整车控制器获得的车辆运行实时数据还包括故障等信息；然后整车控制器通过 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。整车控制器会定时检测 CAN 总线上各模块的通信情况。若发现总线上某一节点无法正常通信，就会在车载信息显示系统上显示该故障信息。同时，会对相应的紧急情况采取合理措施进行处理，以防止极端状况的发生，这样驾驶员就能直接且准确地获取车辆当前的运行状态信息。

（6）故障诊断与处理

对整车电控系统进行连续监测，以进行故障诊断。故障指示灯会指示出故障类别以及部分故障码。依据故障内容，要及时实施相应的安全保护处理。针对不太严重的故障，能够实现低速行驶至附近的维修站进行检修。

（7）外接充电管理

实现充电的连接，监控充电过程，报告充电状态，充电结束。

（8）诊断设备的在线诊断和下线检测

负责与外部诊断设备进行连接，实现诊断通信。能够实现 UDS 诊断服务，其中包含数据流的读取，也能读取和清除故障码，还可以对控制端口进行调试。

下图是纯电动汽车整车控制器的一个实例。它会采集行车以及充电过程中的控制信号，以此来判断驾驶员的意图。它能通过 CAN 总线对整车的电控设备进行管理和调度。并且针对不同的车型，会采用不同的控制策略，从而实现整车的驱动控制、能量的优化控制、制动能量的回收控制以及网络管理。整车控制器运用了微型计算机技术，它能实现良好的动态响应。整车控制器运用了智能功率驱动技术，采样精度较高。整车控制器运用了 CAN 总线技术，抗干扰能力较强且可靠性好。

纯电动汽车整车控制器实例

整车控制器设计要求

向整车控制器发送信号的传感器有加速踏板传感器，有制动踏板传感器，还有挡位开关。加速踏板传感器输出模拟信号，制动踏板传感器也输出模拟信号，挡位开关输出的是开关量信号。整车控制器向电机控制器、电池管理系统发送指令，以此间接控制驱动电机运转和动力电池充放电，并且通过控制主继电器来实现车载模块的通断电。

整车控制网络的构成以及对整车控制器输入和输出信号进行分析后，整车控制器需要满足以下这些技术要求。

设计硬件电路时，要充分思考电动汽车的行驶环境，把注重电磁兼容性放在重要位置，提升抗干扰的能力。整车控制器在软件和硬件方面都应当拥有一定的自我保护能力，从而避免极端情况的出现。

整车控制器需具备足够数量的 I/O 接口，以便能快速且准确地采集各类输入信息。它至少得有两路 A/D 转换通道，用来采集加速踏板信号和制动踏板信号。还应该拥有多个开关量输入通道，用于采集汽车挡位信号。同时，它也应当具有多个功率驱动信号输出通道，用于驱动车载继电器。

整车控制器需具备多种通信接口。其中，CAN 通信接口可用于与电机控制器、电池管理系统以及车载信息显示系统进行通信。RS232 通信接口能用于与上位机通信。并且，整车控制器还预留了一个 RS - 485/422 通信接口，利用此接口能够兼容不支持 CAN 通信的设备，像某些型号的车载触摸屏。

汽车在不同路况条件下会遭遇不同的冲击与振动，整车控制器需要具备良好的抗冲击性能，这样才能够确保汽车的可靠性与安全性。

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