新能源汽车VCU电控开发——能量回收模块

一、概述

VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器）能量回收功能是新能源汽车（如纯电动汽车和混合动力汽车）中非常重要的一个环节。它主要是在车辆减速或制动过程中，将车辆的部分动能转化为电能，并存储在电池中，从而提高车辆的能量利用效率。能量回收的本质是根据整车状态计算出能量回收扭矩(TER，TorqueEnergyRecovery并进行输出，可分为能量回收使能(EnergyRecycleEnable)、能量回收扭矩请求(EnergyRecycleTorqueRequest)和能量回收扭矩限制(EnergyRecycleTorqueLimit)三个子模块。

能量回收使能模块是指 VCU 根据整车上电状态、车速、挡位、电池 SOC 值、ABS 状态、加速踏板状态和刹车状态等来判断是否进行能量回收;能量回收扭矩请求模块是指 VCU确定进行能量回收后，根据能量回收等级、能量回收模式、当前车速和挡位计算出的能量回收扭矩值;能量回收扭矩限制模块主要从 DCDC 和电池所允许的最大充电功率、电机特性两个方面对能量回收扭矩进行限制。

二、术语及缩写

英文缩写	英文全称	中文名称
VCU	Vehicle Control Unit	整车控制器
BMS	Battery Management System	电池管理系统
MCU	Motor Control Unit	电机控制单元
ESC	Electronic Stability Program	电子稳定系统
GSM	Electronic Gear Select Module	电子换挡器
OBC	On-Board Charger	车载充电机
BCM	Body Control Management	车身控制系统
OBD	On-Board Diagnostics	车载诊断系统
DCDC	Direct Current Direct Current	直流-直流转换器
T-BOX	Telematics BOX	远程信息处理器
EPS	Electric Power Steering	电动助力转向

三、功能要求

VCU 能量回收功能规范的功能要求通常包括以下几个方面：能量回收策略制定与执行、能量回收效率优化、系统协同与安全保障

1）能量回收策略制定与执行

滑行能量回收：当驾驶员松开加速踏板，车辆进入滑行状态时，VCU 应能根据车速、电池 SOC（State of Charge，荷电状态）等条件判断是否开启能量回收。例如，在较高车速下（如大于 30km/h），如果电池 SOC 低于设定阈值（如 80%），则开启一定强度的滑行能量回收。回收强度可以根据车辆的设计和驾驶模式的不同而有所变化，一般可以通过调整电机的发电扭矩来实现不同程度的能量回收。

制动能量回收：在车辆制动过程中，VCU 需要协调制动系统和驱动电机，实现制动能量回收。它要区分机械制动和电制动的比例，这通常通过制动踏板传感器来获取制动意图。例如，在轻踩制动踏板时，优先使用电制动进行能量回收；当制动踏板行程较大，需要更大的制动力时，机械制动和电制动同时工作，并且随着制动强度的增加，机械制动的比例逐渐增大，电制动的比例相应减小，以保证车辆的制动安全。

2）能量回收效率优化

VCU 应确保能量回收系统具有较高的回收效率。这涉及到电机的发电效率、传动系统的能量传递效率以及电池的充电效率等多个环节。例如，电机在发电过程中会有能量损耗，一般高效的电机发电效率能达到 80% - 90% 左右。VCU 需要通过优化控制策略，如调整电机的转速 - 扭矩工作点，使电机工作在高效发电区域，从而提高整体的能量回收效率。同时，传动系统的设计也很关键，低摩擦的传动部件有助于减少能量损失。

3）系统协同与安全保障

与动力系统协调：VCU 要与驱动电机紧密配合。在能量回收过程中，驱动电机从驱动状态切换到发电状态，VCU 需要准确控制电机的扭矩反转时间和大小。例如，在从加速状态突然转换到滑行能量回收状态时，VCU 要确保电机扭矩的平稳过渡，避免车辆出现顿挫感。同时，对于混合动力汽车，还需要协调发动机和电机之间的工作模式，当发动机工作时，也要考虑如何合理地利用电机进行能量回收。

与电池管理系统协调：能量回收的电能要存储到电池中，VCU 需要和电池管理系统（BMS）通信。BMS 负责监控电池的状态，如电池温度、SOC 等。VCU 在进行能量回收时，要根据 BMS 提供的信息，判断电池是否能够接收回收的电能。例如，如果电池温度过高（如超过 45℃）或者 SOC 已经接近满电状态（如大于 95%），VCU 应该减少或停止能量回收，以保护电池的安全和寿命。

四、系统组成

硬线信号

总线信号

部件功能说明

序号	部件名称	部件功能描述
1	VCU	接收档位信号，加速踏板行程信号，制动踏板开关信号，制动踏板位置信号与 BMS 反馈的高压电池系统状态，计算最大回馈扭矩，并通过总线发送至ABS/ESC
2	BMS	通过CAN 总线向VCU 反馈高压电池系统电压，SOC，最大充电电流等参数
3	MCU	执行VCU 请求扭矩，发送当前电机状态
4	GSM	发送换挡杆位置信息
5	ICU	接收VCU 发送电机功率信号并进行指示
6	ABS/ESC	根据VCU 反馈的系统回收能力参数，执行制动扭矩分配，计算电机回馈扭矩并发送至总线
7	IHU	驾驶员能量回收开关请求

4.1能量回收功能

4.11滑行能量回收

接口信号

1）输入量

信号名称	通讯矩阵信号名称	信号描述	信号类型
VeCANR_b_RgnSwtch	IHU_Regen_Switch	能量回收开关	CAN 信号
VeCANR_b_RgnSwtchVld	IHU_Regen_Switch_Valid	能量回收控制开关有效性信号	CAN 信号
VeSGCR_b_AccnPedSt	---	加速踏板开度	内部信号
VeSGCR_pct_BrkPed	---	制动踏板开度	内部信号
VeSGCR_b_BrkPedSt	---	制动踏板状态	内部信号
VeGRMR_st_GrPstnOut	VCU_ActualGearPosition	实际档位状态	CAN 信号
VeSGCR_v_VehSpd	---	车速	内部信号
VeCRUR_st_CruzMode	---	定速巡航模式	内部信号
VeTQRR_b_ACCTqCtrlActv	---	ACC 功能激活	内部信号
VeTQRR_b_PASTqCtrlActv	---	自动泊车功能激活	内部信号
VeCANR_trq_MtrMinAvlTq	MCU_MinAvlTq	电机最小可用扭矩	CAN 信号
VeCANR_Pwr_BatMaxChrgInstns	BMS_AllowedMaxPeakFBPower	电池峰值回收功率	CAN 信号

2）输出量

信号名称	信号描述	信号类型
VeTQRR_trq_CstTqReq	滑行需求扭矩	内部信号

3）标定量

信号名称	信号描述	初始值（时间单位默认10ms）
KeTQRR_Pwr_RgnAllwThres	回收允许电池功率阀值	20KW
KeTQRR_trq_RgnAllwThres	回收允许电机扭矩阀值	80Nm
KeTQRR_v_CstRgnEntSpd	滑行回收进入车速	8Km/h
KeTQRR_v_CstRgnExtSpd	滑行回收退出车速	7Km/h
KaTQRR_v_CstTqX	滑行扭矩 X 轴（车速）	---
KaTQRR_trq_CstTqMap	Nrm 模式滑行扭矩 Map	---
Nrm	值
KaTQRR_trq_CstTqMapEco	Eco 模式滑行扭矩 Map值	---
KaTQRR_trq_CstTqMapSpt	Spt 模式滑行扭矩 Map值	---
KeTQRR_trq_CstBscTq	滑行基础扭矩	0Nm
KaTQRR_fac_CstNom	Nml 模式滑行回收系数	1
KaTQRR_fac_CstEco	Eco 模式滑行回收系数	1
KaTQRR_fac_CstSpt	Spt 模式滑行回收系数	1
KeTQRR_Pct_RgnBtSOCTres	能量回收的电池包 SOC阀值	98%

滑行扭矩控制

滑行能量回收扭矩根据车速查表获得，在不同车辆模式下，需查不同的 Map以保障不同的动力性和经济性需求。为保证驾驶平顺性，低车速时回收扭矩较小，随车速增大回收扭矩逐渐增大，车速达到一定值后，滑行能量回收扭矩不再增大（滑行能量回收 Map 中体现）。

4.12制动能量回收

接口信号

1）输入量：

信号名称	通讯矩阵信号名称	信号描述	信号类型
VeCANR_b_RgnSwtch	IHU_Regen_Switch	能量回收开关	CAN 信号
VeSGCR_pct_BrkPed	---	制动踏板开度	内部变量
VeSGCR_b_BrkPedSt	---	制动踏板状态	内部信号
VeGRMR_st_GrPstnOut	---	档位信号	内部信号
VeSGCR_v_VehSpd	---	车速	内部信号
VeCANR_trq_MtrMinAvlTq	MCU_MinAvlTq	电机最小可用扭矩	CAN 信号
VeCANR_Pwr_BatMaxChrgInstns	BMS_AllowedMaxPeakFBPower	电池峰值回收功率	CAN 信号
VeCANR_b_RBSActv	ABS_RegenBrakeCtrlStatus	RBS 功能激活	CAN 信号
VeCANR_trq_MtrTq	MCU_MotorPresentTorque	电机扭矩	CAN 信号

2）输出量：

信号名称	通讯矩阵信号名称	信号描述	信号类型
LeTQRR_trq_BrkTqReq	--	制动需求扭矩	内部信号

VeTQDR_trq_MtrRgnTqMax

VCU_MotorOutputMinTqReq

电机回收可用扭矩

CAN 信号

3）标定量：

信号名称	信号描述	初始值（时间单位默认10ms）
KeTQRR_Pwr_RgnAllwThres	制动允许功率阀值	20KW
KeTQRR_trq_RgnAllwThres	制动允许扭矩阀值	80Nm
KeTQRR_v_BrkEntSpd	制动回收进入车速	7Km/h
KeTQRR_v_BrkExtSpd	制动回收退出车速	1Km/h
KeTQRR_Pct_RgnInBtSOCTres	能量回收允许的电池包SOC 阀值	98%
KeTQRR_Pct_RgnExBtSOCTres	能量回收退出的电池包SOC 阀值	99%

4.2matlab搭建模型

根据功能规范我们在Simulink中搭建模型

能量回收触发条件模型：

能量回收限制模块模型：

能量回收计算模块模型：

来源：新能源汽车电控开发与测试