新能源汽车为什么需要VCU整车控制器？

传统燃油车的控制器主要包括发动机ECU、变速箱TCU、防抱死ABS、车身控制器BCM、无钥匙系统PEPS和仪表IPC等。

电动车主要是在动力系统上用动力电池和电机替代了燃油车的发动机和变速箱系统，因此相应增加了电源管理系统BMS和电机控制器MCU。

新能源汽车除了MCU和BMS，实际上还增加了很多高低压部件，比如DCDC、OBC、PTC、EBS；还有更智能化的控制器，比如智能座舱IVI、热管理TMS、车联网TBOX和集成制动IPB等等。

新能源汽车为什么要增加一个VCU整车控制器呢？

车上的控制器增加后，整个电控系统的耦合复杂度增加，尤其是混合动力汽车，还要协调兼顾原来的燃油发动机系统与新能源的电机系统的运行。比如发动机管理系统ECU和电机控制器MCU出现冲突时，到底是由谁来决策更好呢？

此外，新能源车辆对驱动能力和整车的能耗要求更高，需要对各个模块之间的复杂关系做统筹管理。

因此新能源车必须要有1个中心的“大脑”,能够按整车的目标，统一协调、管理和控制各个控制器，使车辆能够合理分配动力、提高运行效率、降低能耗排放、增强故障预警和处理能力，这个大脑就是VCU。

这就像游击队和正规军一样，游击队人数少，行动敏捷，目标任务明确，各个小组间只需要经过简单的协商和分工合作就可以达到效率最高，往往可以以少胜多，出奇制胜。

但是当人数达到一定规模时，它的复杂程度就会成倍提高，兵种的分类、武器弹药的分配、后勤保障的机制、各部门之间的协作等都会提出更高的要求，这时候就必须要有一个总的指挥中心来统一管理和协调。

VCU的功能会随着整车系统的变化而变化。按功能类别可以划分为车辆系统、传动系统、电力系统、热管理系统、诊断、通讯、安全监控等。

其中主要的功能包括扭矩控制管理、整车的能量管理、充电管理和热管理、故障诊断及处理、车辆状态监控。

VCU系统功能分类

1 扭矩管理

车辆最重要的指标就是驱动能力和制动能力，通俗的说就是加速性能和刹车性能，而加速和刹车都是通过电机或发动机的扭矩输出控制的。

扭矩管理就是需要通过油门踏板或制动踏板的控制（深度，踩下速率等）解析，判断驾驶员的需求扭矩大小，结合整车运行模式，协调各驱动部件(发动机、发电机、前驱动电机、后驱动电机)及时、准确的响应扭矩需求，达到不同的加减速效果。

扭矩控制原理框图

扭矩管理在纯电、混动，四驱/两驱等不同车型中有不同的策略。

我们以四驱为例，四驱与两驱的区别就是前后轴都有驱动电机，都可以驱动，四驱的扭矩控制管理就是进行前后轴扭矩分配，最终输出至前、后驱动电机。

在分配前后轴扭矩时需要考虑三个方面：经济性，动力性和操纵稳定性。

四驱扭矩分配

经济性分配的考虑是当前需求的扭矩下找到整体效率最优点，实现双电机、三电机及四电机的效率最优分配，降低能耗，节省能量，从而增加电池的续航里程，使用场景通常是在道路中基本匀速行驶时。

动力性分配中的负载分配功能可以通过识别当前路面坡度及车辆加减速情况，建立前后轴载荷模型计算前后轴扭矩的最佳分配比，在载荷转移时通过前后轴扭矩自动分配充分利用地面最大附着力，减少车轮滑转提高车辆加速能力。

四驱加速负载转移分配控制效果

动力性分配尤其要考虑车轮陷入泥坑中打滑时的场景，动力分配的基本原理是在车辆单轴处于滑转状态时主动调整前后轴扭矩分配向未滑转轴转移，降低动力损失，在识别到前后轴交替滑转时，动态控制前后轴扭矩分配，充分利用路面附着系数，提高车辆在低速时的脱困能力。

四驱加速防滑控制效果

稳定性分配就是要保证车辆转向时的稳定性，车辆中的ESP就是用于车身电子稳定系统，但是ESP频繁启动也会造成驾驶的不适感。

VCU通过转向状态监测与转向扭矩控制，可以在ESP介入前通过前后轴扭矩分配实时调整车辆运动姿态，及时抑制车辆转向不足(US)和转向过度(OS)的失稳状况发生，在加速转向工况降低ESP的介入频次，减少制动冲击与横摆感，提高驾驶员的驾驶感受。

 OS及US工况下的稳定性控制

驱动扭矩在具体计算时还要考虑车辆的驾驶模式，在不同的驾驶模式下通过加速踏板的开度及车速，先计算出车辆的基础驱动扭矩，基础扭矩可以对应ECO经济模式，如果是Normal正常模式再增加一定的补偿驱动值，如果是Sport动力模式，就需要增加更大的补偿值。

2  模式与能量管理

2.1 模式管理

车辆除了上面提到的驾驶模式，还有运行模式，运行模式主要是混动车型使用，包括纯电运行、串联增程、并联驱动三种运行模式。

驾驶模式和运行模式的最终目的都是为了节约能量、合理分配动力，但是驾驶模式是驾驶员主动设置的模式，而运行模式是车辆自动设置的模式。

纯电模式就是车辆只用电能驱动，串联模式就是把发动机、发电机和动力电池串联在一起，在动力电池电量不足的情况下，给电池发电，提供额外的电能，延长车辆的行驶里程，所以这个模式又称为增程模式。

并联模式就是发动机和动力电池并行工作，发动机驱动一个轴，动力电池驱动另外一个轴，由于发动机可以直接驱动车轮，所以又叫直驱模式。

混动运行模式和能量流

车辆在不同场景下，到底是用油适合还是用电适合呢？

VCU会先计算出燃油或电量消耗的等效值，按照等效值最小来决定运行模式，比如在中低速时通过增程器发动机发电，使发动机始终工作在高效区并为动力系统提供动力源；

在高速时会让发动机和电机共同驱动车辆行驶，满足动力性和经济性需求。

混动模式原理框图

当车辆运行工况发生变化，车辆运行模式需要切换时，VCU通过协调发动机、增程器、驱动电机和离合器之间的转速和扭矩配合，在不影响驾驶需求扭矩前提下实现快速平稳的模式切换控制过程。

在实际处理过程中，VCU内部还可以分为初始化模式，高压保持模式，充电模式，行驶模式，补电模式，故障模式等，VCU通过合理且明确的状态转移的条件，实现各状态之间的切换。

2.2 能量管理

模式管理实际上也是一种能量管理，VCU在整车能量有限时，会对输出功率进行限制，比如监测到电池电量低时，就要对电机的输出功率进行限制，同时也会对空调等大功率器件进行限制。

VCU还可以实现对其它控制器或部件的控制管理，例如，空调功能的管理，DCDC需求管理，水泵，仪表，真空泵倒车灯，制动灯的管控，将整车需求与各部件的管理统一考虑，实现能量的最优化计算和分配。

3. 热管理

热管理控制功能可以协调来自于电池、电机、发动机和驾驶舱等的加热或制冷需求，结合整车模式来决策和切换热管理控制模式，及时的响应各种来源的热管理需求。

比如电池温度过低时，可以利用发动机的余热给电池加热；

驾驶舱内温度低，而电机温度高时，又可以利用电机的余热给驾驶舱加热。

这样在满足了热需求的同时还达到了节能的效果。通过热量管理可以实现能耗、电池性能、驾驶舱舒适性最优。

3.1 低温充电

在低温环境下，电池的导电率下降，电能的传递受到影响，导致充电效率低下。低温充电容易使得电池的容量和使用寿命下降，在极端情况下，低温充电可能会导致电池内部物质的析出，引发短路甚至是火灾等安全事件。

为了提升低温环境下车辆上电后快速达到电池合适的运行状态，VCU可以结合驾驶员的出行时间、电池状态、充电状态以及整车能量状态对电池进行预热，在驾驶员用车时使电池性能达到最优状态。

充电预热控制可以实现用户在低温插枪充电时，根据电池的预热请求，控制电池处于预热模式。在充电机输出能力范围内，由充电机输出功率通过电池加热器（PTC）对电池加热。

充电预热模式下，电池的主继电器要处于断开状态，能确保电池不会有电流输入或输出。当电池被加热到合适温度后，再控制电池退出预热模式进入正常的充电模式。

低温预热原理框图

在电池温度很低时电池的充放电功率受限，行车过程中会经常用到电池的功率极限值，电机功率受限时，各个电机之间还会相互影响，当整个系统在功率极限值附近运行时，会非常容易导致电池过充或过放发生，车辆会产生抖动。

此时系统需要进行快速调节以把电池功率调整到正常范围内，但这又会导致驾驶性能变差。因此如何在低温环境下同时兼顾功率极限值保护和可接受的驾驶性是个难点。

可以对长时间工作的限值与短时间工作的限制分别设定，比如用长时扭矩限值对驾驶员驱动需求进行限制，用短时扭矩限值对ESP干涉、发动机启动预留等扭矩需求进行限制，保证满足驾驶需求的同时，不会出现电池过充过放的情况。

4. 故障监测

新能源汽车的动力和高压部件比传统车多很多，车辆可能发生的故障类型和数量以及故障发生后的处理方式也很多。

VCU在做好高压上下电管理的同时，会对整车所有驱动部件可能发生的故障进行梳理，针对不同场景下发生故障的严重性，设定不同等级的故障响应方式。在确保车辆安全的前提下，尽可能做到驾驶体验的友好性。

通常整车一级故障时，通过声光报警提醒。整车二级故障时，就需要限制功率运行。而整车三级故障时，就需要停止运行。

例如，在电机过温时，如果判断为二级故障，可以降低行车功率，先保证车辆部分基本功能，再基于整车角度，对故障进行适应性处理。

从整车角度上可以考虑做出限速、跛行、降功率、关高压附件、紧急关闭等多种处理方法。

5. 小结

整车控制器VCU就像汽车的大脑，负责协调各个ECU模块间的耦合功能，主要的功能包括扭矩控制管、整车的能量管理、充电管理和热管理、故障诊断及处理、车辆状态监控等。

随着汽车电动化、智能化的快速发展，整车控制器VCU未来发展将是高度集成及安全可靠，同时兼顾舒适与节能。