【EVH1000原创】新能源汽车软件开发：VCU/MCU/BMS高压上下电协同控制

EVH1000

当下新能源汽车如火如荼的进行着，很多即将走出学校的学友、还有很多奋战在传统汽车岗位上的工友们，应该都想从事新能源汽车开发技术，今天来给大家讲讲新能源汽车核心的一项，也是最基础的的一项控制技术---高压系统上下电协同控制，涉及VCU、BMS、MCU三大核心控制器的协同工作。

我这里基于前人的一些不足，把VCU、BMS和MCU看成一个系统，综合起来和各位学友和工友进行系统层面的探讨，相信你掌握了本篇文章的核心内容后，对三电的电控会有一个比较清晰的认识和掌握。

新能源核心的技术相信各位工友已经不陌生了，新能源是动力范畴，核心其实是三电技术：电池、电机、电控。

电池主要是材料，电机主要是工艺，电控的核心是控制策略。本人从2015年大学毕业后一直从事电控策略开发和应用，但是主要是发动机电控，这些年也逐渐转型到了新能源电控上来，比起传统动力，当下的新能源动力的特点就是存在高压电系统（引擎盖打开那些橙色的电线，千万不要去摸，万一绝缘不好的话会电死人），比起传统车的12V，现在的新能源汽车普遍要达到350V以上，甚至有800V。

当然不是说电压越高越好，但是对于我们搞控制的来说，多少伏电压电压，你熄火后一方面要把电池从高压回路中断开，另一方面要把高压回路中残留的电荷释放掉。

- 全体员工大合照 -

开始整体之前，我们先介绍一下两个架构，一是高压系统架构，二是电子电器架构。

首先看一下高压系统架构，整个高压回路，挂在上面的大三电有两个，也就是电池和电机；此外还有DC/DC（把高压350V转换成12V，给小电瓶充电，给控制器供电），OBC（也就是慢充，把外接220V交流电转换成350V给电池充电）还有PTC加热器（低温时加热电池水回路，加热驾驶舱）。

有几个重要的继电器（用低压控制高压回路是否闭合的开关）要说一下，一个是主正（主正继电器），还有一个是主负（主负继电器），这俩闭合的时候是正常工作状态，形成了回路“正常”；同时我们可以看到有一个预充继电器，预充回路上有个电阻，这个电阻减少充电电流，目的是什么呢，就是我们汽车按下启动钥匙后，不能直接把前面提到的回路"正常"直接导通，否则会产生剧烈的电火花，你如果不理解可以把你的小电瓶负极拔了再突然接上，会有电火花产生，这对整个回路的元器件都是不利的。

因此上电的时候，我们先要进入“预充”回路，也就是让预充继电器+主负闭合，这样的话电流缓缓增加，在电机控制器（逆变器）那个里边有个电容，也成为母线支撑电容/DC-link(缓冲电路关键元器件，防止振铃现象)，把这个电容的电压通过预充打上来之后呢，再闭合主正，打开预充继电器，就不会有电火花产生了。

因此也就是上电的关键步骤，预充。

再看一下电子电器架构，VCU、MCU、BMS三个挂在动力CAN上的控制器。

新能源所在的控制领域属于动力域，接受的两个关键信号就是油门和刹车，目的输出扭矩，形式是能力转换。

VCU，MCU，BMS通过CAN通讯进行交互，当下三者分别由整车厂、电驱供应商、电池供应商进行开发，但是根据未来的趋势，VCU大有收回很多功能之势（比如MCU的状态管理、热保护、转速控制等等；BMS的主正、主负，预充继电器的控制等等），MCU和BMS可能会编程智能装置，越来越简单。

首先必须明确的一点，所有的控制器上电最开始的就是KL15或者网络管理报文，这是低压唤醒控制器的必然操作，是控制器工作的源头。

第一步 上低压：KL15一般是通过点火开关进行唤醒，而网络管理报文一般是通过车钥匙解锁触发，目的是快速唤醒车辆让用户能够快速开车，不然的话响应慢驾驶员肯定会抱怨。

第二步 自检：低压唤醒以后，VCU、BMS和MCU开始自检，也就是监察电路完整性和自己是否存在故障，此处VCU要特别注意是否有高压互锁（HVIL）故障，这是对于新能源汽车非常重要的装置，只有没有高压互锁故障情况下，才能证明高压接插件被插好了，车辆才能安全上高压。

第三步 预充：这时候VCU可以命令BMS和MCU进行预充，具体的过程只有BMS控制的主负和预充继电器闭合，MCU其实那边是被动接受的，逆变器的电容逐渐被充电，充到一定阈值时，VCU要进行下一步处理了。（原理图见上面第一张红色的图）

第四步 高压准备：上完高压后，这时候BMS就是控制主正和主负闭合，预充继电器断开，这时候BMS已经进行入了正常工作模式了。但是这时候VCU会让MCU处于待机状态，VCU要进行整车合理性的检查，比如确保不在D档，没有车速，是否插了充电抢等等，假设这些都是OK的，你踩油门也没法走，通常你要点一下刹车才可以的，这些都是VCU为了保护车辆做的一些措施。

第五步 扭矩模式：在上述步骤都完成后，VCU命令MCU进入扭矩模式，这时候你踩下油门，VCU会根据踏板开度和车速计算一个你的请求扭矩，把这个扭矩发送给MCU，MCU根据矢量调制算法发波，然后电机就可以旋转起来啦！

同样的，我们也必须明确一点，下电的触发动作就是驾驶员关闭点火开关，也就是KL15变为OFF。驾驶员，才是上下电的万物之源，也许这和我们的生命的意义一样，系统本身的意义，是在系统之外的。

而下电的目的，其实就是为了把高压和低压都关闭掉，这样可以节约能源。

第一步 下电判断：首先接到下电命令后，VCU要把扭矩降为0，即使踩油门，车也不能加速了。然后呢，还有等车速比较低的时候才能继续走下去，为什么呢，因为汽车这种东西，在路上会发生各种不确定的变换，我们专业术语叫“change of mind”，如果车速较高，用户需要突然再上电，那么已经把高压卸了的车就比较危险了，因此要等一等车速降下来。

第二步 关闭用电器：这时候VCU要把PTC加热器、DCDC变压器、空调压缩机都关闭，然后命令MCU进入待机模式。

第三步 高压下电：然后让BMS进入下电模式，这时候BMS会把主正和主负继电器都断开，之后呢MCU就可以进入放电模式，控制主动放电电路把逆变器电容的电荷通过电阻消耗掉，变成热能，但是这时候MCU要注意，如果长时间放不掉，说明BMS继电器发生了黏连，这时候MCU可用会使用一些间歇性放电的措施来进行放电。

第四步 低压下电：这时候VCU判断MCU的电容电压已经下降到某一个值，就会发送低压下电的命令给MCU和BMS，MCU和BMS要在这段时间内进行电压下电操作，主要就是要进行一些数据的保存，写入NVRAM。

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