《新能源汽车概论》项目4

新能源汽车概论签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。项目四整车控制系统及汽车轻量化技术

VCU是纯电动汽车的“大脑”，它通过通信和控制线路构成了整车的“神经网络”——整车控制系统，可用于整车信息的采集、处理和传递，实现对整车动力性、经济性、安全性、舒适性等性能的综合控制，从而使车辆拥有良好的操作性和可靠性。

相比于传统燃油汽车，纯电动汽车普遍偏重，纯电动汽车要在市场上替代部分传统燃油汽车，就要在承载能力和续驶里程上更有优势，因此必须在轻量化方面取得突破。项目导读达成目标技能目标素质目标知识目标（1）掌握整车控制策略。（2）掌握整车控制系统的组成和基本功能。（3）了解汽车轻量化技术的发展背景。（4）掌握汽车轻量化的实现途径。（5）了解轻量化技术的发展前景。（1）能够识别整车控制系统的各组成部分。（2）能够分析汽车轻量化技术的应用情况。（1）培养知难而进、勇于探索的创新精神。（2）培育崇尚技艺、求实创新的职业品质。（3）树立科技成才、技能报国的人生理想。认识整车控制系统4.1整车控制系统及汽车轻量化技术项目4整车控制系统作为纯电动汽车的中央控制单元，是整车电气系统的核心。可以说，整车控制系统性能的好坏直接决定了纯电动汽车的整车性能。

本任务要求学生从整车控制策略、整车控制系统的基本结构和基本功能等方面认识整车控制系统，知识与技能要求如表所示。任务导入纯电动汽车需要根据驾驶员的意图，在满足整车动力性、舒适性、安全性、经济性的前提下实现各种行驶功能。因此，纯电动汽车必须具有智能化的人车交互平台，各系统之间也要相互协作、优化匹配，这些任务都是由整车控制系统完成的。知识与技能要求

想一想

为保证车辆的动力性、平顺性和其他基本性能，整车控制系统应根据驾驶员的驾驶意图选择合适的整车控制策略。针对纯电动汽车的特性及车辆的行驶工况，整车控制策略应能保证能量在驱动电机、动力蓄电池之间被合理而有效地分配，使整车效率达到最高，以降低车辆的能量消耗，提高车辆的续驶里程，从而使车辆具有良好的经济性及平稳的驾驶性能。

任务4.1认识整车控制系统4.1.1整车控制策略

具体而言，整车控制系统应实时监控车辆行驶工况、动力蓄电池SOC等的状态信息，根据整车控制策略向各控制单元发出各种控制指令，合理分配动力蓄电池的电能，调节驱动电机的输出转矩，同时限定动力蓄电池SOC的范围和驱动电机的工作区域，确保动力蓄电池和驱动电机能够长时间保持高效的运行状态。若出现异常，整车控制系统可根据预先设定的控制策略，选择相应的工作模式。最终，整车控制系统与各控制单元组成一个实时通信的闭环控制网络。如此，整车控制系统既能使驾驶员的驾驶意图得到充分满足，又能对车辆的运行状态进行控制，使车辆的安全性和舒适性都得到保证。

任务4.1认识整车控制系统4.1.1整车控制策略

整车控制系统通常采用分层控制架构：

VCU为第一层，负责总体控制，协调各控制单元的工作及信息处理；

其他控制单元为第二层，包括MCU、BMS、车载充电机、DC/DC变换器、仪表控制器、空调控制器、转向控制器、制动控制器等。VCU及各控制单元的输入信号由相应的传感器负责采集。

4.1.1整车控制策略任务4.1认识整车控制系统

如图所示为整车控制系统的控制策略。VCU与各控制单元之间通过CAN总线进行信息交互，协同工作，实现整车控制功能。整车控制系统利用传感器采集加速踏板位置、制动踏板位置、挡位开关等信息，接收MCU、BMS等通过CAN总线传输的数据信息，对接收到的数据信息进行分析判断，由此获取驾驶员的驾驶意图和车辆行驶状态，最后利用CAN总线发出指令，控制各控制单元的工作。4.1.1整车控制策略整车控制系统的控制策略任务4.1认识整车控制系统4.1.2整车控制系统的基本结构整车控制系统一般由各种传感器、VCU、CAN总线，以及挂接在CAN总线上的MCU、BMS、车载充电机及其他控制单元组成。VCU是整车控制系统的核心，下面主要介绍其基本结构，如图所示。VCU的基本结构任务4.1认识整车控制系统整车控制系统的基本结构4.1.2整车控制系统的基本结构电源模块：可为微处理器及各输入、输出模块提供隔离电源，并对电源电压进行监控，其一端与低压蓄电池相连，另一端与微控制器相连。微控制器：用于接收各输入模块传输的数据并对其进行运算，根据运算结果向相应的输出模块发送控制指令。任务4.1认识整车控制系统4.1.2整车控制系统的基本结构模拟量调节模块：分为模拟量输入模块和模拟量输出模块两部分，可采集0～5V模拟信号，并可输出模拟信号，其一端与多个传感器相连，另一端与微控制器相连。开关量调节模块：用于对输入的开关量进行电平转换和整形，其一端与多个开关量传感器相连，另一端与微控制器相连。任务4.1认识整车控制系统4.1.2整车控制系统的基本结构继电器驱动模块：用于驱动多个继电器，其一端通过光电隔离装置与微控制器相连，另一端与多个继电器相连。高速CAN总线接口模块：用于提供高速CAN总线接口，其一端通过光电隔离装置与微控制器相连，另一端与高速CAN总线相连。低速CAN总线接口模块：用于向仪表控制器提供车辆状态参数和相关故障信息，其一端通过光电隔离装置与微控制器相连，另一端与仪表控制器相连。任务4.1认识整车控制系统

整车控制系统的基本功能包括驾驶员驾驶意图解析、整车状态监测与显示、整车工作模式管理、整车驱动控制、整车能量优化管理、整车通信网络管理、制动能量回收控制、故障诊断和处理、电动化辅助系统管理、远程控制等。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统

1.驾驶员驾驶意图解析整车控制系统可根据加速踏板、制动踏板的位置信号，解析驾驶员的驾驶意图（如加速、减速、制动等）。具体来说，整车控制系统通过位置传感器将驾驶员对加速踏板和制动踏板的踩踏程度转换为电信号，根据相关计算规则进行分析计算，得出车辆所需的驱动电机转速和输出转矩，并将相应的控制指令发送至MCU，通过调节MCU的输出功率来调整驱动电机的转速和输出转矩。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统对于纯电动汽车，驾驶员最简单的驾驶意图是通过控制加速踏板的开度得到期望的驱动电机输出功率。对此，整车控制系统通常以加速踏板的开度平衡曲线为基准，解析驾驶员的驾驶意图。当车辆在平直道路上匀速行驶时，车辆的运动状态点应落在加速踏板的开度平衡曲线上，如图所示。4.1.3整车控制系统的基本功能加速踏板的开度平衡曲线任务4.1认识整车控制系统

2．整车状态监测与显示

整车控制系统可通过相关传感器和CAN总线对车辆的状态进行实时监测，并将车辆的状态信息和故障诊断信息发送至车载信息显示系统，通过组合仪表显示出来。

组合仪表的显示内容包括车速，行驶里程，驱动电机的转速、温度，动力蓄电池的SOC、续驶里程、电压、电流，以及各系统的故障信息等。

4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统

3．整车工作模式管理

整车控制系统可根据各种状态信息（如启动开关信号、充电信号、加速/制动踏板位置信号、当前车速、车辆故障信息等）来判断车辆所需的工作模式，如图所示。车辆常用的工作模式如下。4.1.3整车控制系统的基本功能整车工作模式管理示意图任务4.1认识整车控制系统1）自检模式

如果在下电状态下将车辆的启动开关置于ON挡，则启动自检模式，闭合主继电器，同时整车控制系统上电并进行自检。如果自检失败则进入故障模式，对于较严重的故障，为保证安全，整车控制系统将断开主继电器，进入下电模式；如果自检通过则等待启动信号，以进入启动模式。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统2）启动模式

整车控制系统在上电后将唤醒CAN网络上的其他节点（即各控制单元）开始工作。当整车所有设备都正常启动后，系统进入READY状态，指示驾驶员可以进行正常进行驾驶操作。

具体来讲，如果将车辆的启动开关置于START挡，挡位置于P挡，同时车辆自检通过，没有禁止启动的故障信息，则车辆启动高压上电程序，同时整车控制系统向MCU、DC/DC变换器及空调控制器发送高压上电请求指令；MCU、DC/DC变换器及空调控制器开始高压自检，若没有检测到高压故障，则将信息反馈给整车控制系统，准许高压上电，整车控制系统通过对高压预充电装置及主继电器的控制，实现高压上电；高压上电结束后，组合仪表上对应的READY指示灯点亮，启动模式完成。任务4.1整车控制及轻量化技术4.1.3整车控制系统的基本功能3）起步模式

如图所示，当车辆由静止状态开始起步时，驱动电机的输出转矩以某一个可标定的启动转矩（Tst）为目标值，使车速在v<v1时以固定斜率线性上升，以克服车辆的静摩擦力；当车速v>v2时，整车控制系统通过控制驱动电机的输出功率，将车速控制在一个合理的速度范围内，并对驱动电机的输出转矩进行平滑处理，从而实现平稳起步。4.1.3整车控制系统的基本功能起步模式示意图任务4.1认识整车控制系统4）行驶模式

行驶模式主要根据加速踏板的位置及车辆的行驶状态，实时控制驱动电机的输出转矩，实现按驾驶员的驾驶意图控制车辆运行的目的。行驶模式的控制方式分为恒转矩控制和恒功率控制两种，如图所示。4.1.3整车控制系统的基本功能行驶模式示意图任务4.1认识整车控制系统当驱动电机的输出功率没有达到期望功率时，整车控制系统采用恒转矩控制。当驱动电机的输出功率达到期望功率后，整车控制系统采用恒功率控制，此时的输出转矩

，随转速n的增大而减小。整车控制系统可采集驾驶员的控制指令（如挡位信号、加速踏板位置信号、车辆运行模式等）和车辆状态信息，根据驾驶员的不同需要，可以使车辆实现蠕行、前进、后退、巡航等行驶功能。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统5）制动模式

当车辆处于制动状态时，整车控制系统通过采集车辆的状态信息及制动踏板位置信号，推算车辆所需的制动力矩，并通过制动控制器实现制动力矩的调节。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统6）再生模式再生模式是在特定工况下控制驱动电机对动力蓄电池充电，实现制动能量回收。再生模式根据制动踏板状态的不同分为滑行再生和制动再生两种情况，如图所示。

滑行再生和制动再生均采取恒转矩发电，滑行再生转矩为T1，制动再生转矩为T2。当车速v大于v1但小于v2时，驱动电机的再生转矩按比例逐渐减小；当车速v小于v1时停止再生发电。驱动电机的再生转矩取决于当前车速及驱动电机的发电能力。4.1.3整车控制系统的基本功能再生模式示意图任务4.1认识整车控制系统4.1.3整车控制系统的基本功能与传统燃油汽车相比，纯电动汽车可以在滑行制动过程中实现能量回收。此时，驱动电机将由电动机模式转换为发电机模式对动力蓄电池充电任务4.1认识整车控制系统7）停车模式

停车模式是整车运行过程中无故障出现，驾驶员正常关闭启动开关（OFF挡）时所采用的模式。在此模式中，整车控制系统控制驱动电机系统和动力蓄电池系统下高压电，然后控制各附件设备关闭，完成整车下电过程。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统8）故障模式

整车故障主要来自VCU、BMS、MCU、空调控制器等控制模块，驱动电机、车载充电机、DC/DC变换器、电动压缩机等执行设备，或者加速踏板位置传感器等输入设备。整车故障一般分为三级，通常定义一级故障为严重故障，二级故障为一般故障，三级故障为轻微故障。其中，三级故障不影响车辆正常行使；当出现二级故障时，车辆进入跛行模式，限制驱动电机的输出功率；当出现一级故障时，整车进入紧急停止工作状态。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统9）充电模式

充电时，插上充电枪，充电系统开始工作，整车控制系统被唤醒并上电。在检测到充电连接信号后，整车控制系统监控车辆当前状态，若允许充电则启动BMS，并启动充电电路对动力蓄电池充电。在充电过程中，整车控制系统持续监测BMS及充电系统的状态信息，并通过组合仪表显示充电状态、SOC等信息。若出现充电故障，整车控制系统会及时切断主继电器，以中断充电过程，防止发生危险事故。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统10）下电模式

如果启动开关位于OFF挡，则启动下电模式。整车控制系统根据驱动电机系统、空调系统等高压系统的准许下高压电的信号，来断开主继电器；同时根据驱动电机系统的温度来确定冷却系统是否要延迟下电，从而直接或延迟关闭冷却系统，完成整车下电。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统4．整车驱动控制整车驱动控制主要控制驱动电机的输出转矩，并确定车辆的性能。整车驱动控制的主要目的是基于制动踏板位置信号、加速踏板位置信号、挡位信号等和当前的车辆运行状态，核算出当前车辆的转矩输出能力和最终实际输出的合理转矩，并通过MCU的功率调节，得到驾驶员预期的车速。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统5．整车能量优化管理整车能量优化管理最主要的工作是对动力蓄电池电量进行管理和整车能量流动进行控制。整车能量优化管理的目标是使能量得到合理有效的利用，同时也应保证动力蓄电池、驱动电机等设备的安全。在正常运行期间，动力蓄电池的电能通过MCU输送给驱动电机，使驱动电机运行。车辆在减速、制动期间不需要动力蓄电池供电，并通过驱动电机产生再生电能对动力蓄电池充电，从而有效提升车辆的续驶里程。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统5．整车能量优化管理

整车控制系统可通过控制相关设备来对车辆的能量进行优化管理，从而提高车辆的续驶里程。例如，当动力蓄电池电量较低时，整车控制系统会发送控制指令，关闭部分辅助设备（如音响、空调等），将电能优先供给车辆行驶使用并保证车辆的安全。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统6．整车通信网络管理

整车控制系统可对整车通信网络进行管理，并通过CAN总线协调BMS、驱动电机系统、空调系统、转向系统、制动系统、冷却系统之间的通信，具体包括信息的组织与传输、网络状态的监控、网络节点的管理、信息优先权的动态分配、网络故障诊断与处理等。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统7．制动能量回收控制

整车控制系统可对车辆的行驶速度、驾驶员的制动意图和动力蓄电池的状态进行综合判断，并控制驱动电机回收制动能量。制动能量回收的具体过程为：当车辆达到制动能量回收的条件时，整车控制系统向MCU发送指令，使驱动电机在发电机模式下工作，将部分制动能量转换成电能储存在动力蓄电池中。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统8．故障诊断和处理

整车控制系统可实时监控整车电控系统，根据传感器的输入信息及CAN总线的通信信息，对各种故障进行诊断、等级划分、报警显示、故障码存储等，并采取相应的应急处理措施。9．电动化辅助系统管理

电动化辅助系统包括空调系统、电动助力转向系统、动力蓄电池加热系统等。整车控制系统将根据动力蓄电池的状态，对电动化辅助系统进行管理。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统10．远程控制

整车控制系统能实现车辆的远程控制，包括远程信息查询、远程充电控制、远程空调控制等。

例如，人们可以通过应用程序实时查询整车状态，如动力蓄电池SOC、续驶里程、空调状态、动力蓄电池温度等；人们可以在离车较远的情况下，提前打开车内空调，调节车内温度。另外，汽车厂商也可以通过远程控制功能收集车辆的故障信息，实现远程协助，并为后续开发工作提供数据支持。4.1.3整车控制系统的基本功能任务4.1认识整车控制系统整车控制策略课堂总结整车控制系统的基本结构任务4.1认识整车控制系统整车控制系统的基本功能课后作业（1）简述整车控制系统的基本结构。（2）纯电动汽车常用的工作模式有哪些？任务4.1整车控制及轻量化技术分析汽车轻量化技术4.2整车控制及轻量化技术项目4仅能降低纯电动汽车的能耗，还会影响到未来汽车的设计理念，是汽车技术发展的主要推力。

本任务要求学生从汽车轻量化技术的发展背景、汽车轻量化的实现途径、汽车轻量化技术的发展前景等方面认识汽车轻量化技术，分析汽车轻量化技术的应用情况，知识与技能要求如表所示。任务导入续驶里程有限是纯电动汽车推广和发展的较大障碍，而纯电动汽车自身的整备质量是影响其续驶里程的重要因素。为了降低动力蓄电池的投入成本，延长续驶里程，纯电动汽车轻量化势在必行。汽车轻量化技术的应用不知识与技能要求想一想

汽车轻量化是指在满足车辆使用要求、安全性和经济性的条件下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用，为整车减重。

对于传统燃油汽车，可通过采用汽车轻量化技术减小车辆整备质量，以此来降低油耗，达到节能减排的目的。纯电动汽车由于加入了动力蓄电池、驱动电机、电控“三电系统”，其整备质量相较于同类的传统燃油汽车明显增加，这严重影响了车辆的动力性、安全性、续驶里程、零部件动载荷和疲劳寿命等。研究表明，纯电动汽车整备质量降低10%，可增加续驶里程5%～10%，或者在保持续驶里程不变的情况下节约15%～20%的动力蓄电池生产成本，同时还能降低20%的日常损耗成本。因此，汽车轻量化技术同样适用于纯电动汽车。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.1汽车轻量化技术的发展背景

《节能与新能源汽车技术路线图2.0》确定了我国汽车技术重点发展方向，包括节能汽车、纯电动与插电式混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车、智能网联汽车、动力蓄电池、电驱动系统、充电基础设施、轻量化、智能制造与关键装备，如图所示。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.1汽车轻量化技术的发展背景

我国汽车技术重点发展方向

作为节能汽车、纯电动与插电式混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和智能网联汽车的共性基础技术之一，汽车轻量化技术可有效实现节能减排，是提升车辆加速性、制动性、操控稳定性等诸多性能的重要保障。与此同时，汽车轻量化技术的应用将带动冶金、材料、装备等上下游产业转型升级，推动先进材料、工艺技术的进步。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.1汽车轻量化技术的发展背景

任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.1汽车轻量化技术的发展背景

在汽车轻量化技术领域，受到成形工艺与装备水平的影响，目前我国汽车用冷成形高强度钢材料（如屈服强度为1200MPa、1500Mpa的钢制品）、薄壁化铸造铝合金材料、大尺寸挤压铝合金型材、先进热塑性碳纤维复合材料等在车身、底盘上尚难以大批量应用。但随着新能源汽车市场竞争的日益激烈，汽车轻量化技术也不断取得突破，已成为延长汽车续驶里程、改善整车性能、提高产品市场竞争力的关键技术之一。

总的来说，汽车轻量化主要体现在结构、材料和工艺技术三个方面。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.2汽车轻量化的实现途径

结构的轻量化设计是前提先进的成形技术、连接技术等工艺技术是保障轻量化材料的应用是手段扫

一

扫

汽车轻量化的实现途径

1.结构的轻量化设计整车结构的轻量化是最容易实施也是成本最低的一种设计手段。车身、底盘、动力蓄电池系统、电驱动系统等的结构设计都可以大量运用汽车轻量化技术。

因此，综合考虑整车性能而进行的多目标优化，是目前结构轻量化研究的一大热点。

任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.2汽车轻量化的实现途径

1.结构的轻量化设计

例如，通过对电驱动系统、传动系统、冷却系统、空调系统、制动系统的模块化、集成化设计，可使整车结构得到优化，有效减轻动力总成、车载能源系统的质量。又如，通过结构拓扑优化，对由动力蓄电池、电池箱、BMS、车载充电机组成的车载能源系统进行合理集成和分散处理，可实现整车的减重增效。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.2汽车轻量化的实现途径

任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.2汽车轻量化的实现途径

2021年9月，在深圳市坪山区比亚迪全球总部，e平台3.0及基于此打造的全新概念车正式发布。此次发布会带来了比亚迪八合一电动力总成。八合一电动力总成集成了驱动电机、MCU、减速器、车载充电机、DC/DC变换器、高压配电盒、VCU及BMS。

为什么要做八合一？为了减重。目前新能源汽车行业普遍能够做到三合一或者四合一，仅三合一电驱动系统、三合一充配电系统，就可以实现整车减重40kg，节省空间37L。而比亚迪八合一电动力总成带来的减重和减小体积是非常明显的，减重意味着降低能耗，而减小体积能够带来乘坐空间或者动力蓄电池容量的提高。这套八合一电动力总成的综合效率超过89%。

2．轻量化材料的应用

轻量化材料的应用是汽车轻量化最基础，也是最核心的手段。从技术路径看，碳纤维复合材料、铝镁合金、先进高强度钢是目前各大汽车企业探索的主要方向。用这三种材料替代当前的主流材料低碳钢，可分别减重60%、40%、25%。其中，碳纤维复合材料由于具有密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温等优秀特性，被认为是未来汽车材料的主要发展方向。但目前国内车用碳纤维复合材料的研究刚刚起步，尚处于技术探索和积累阶段，原材料成本高、加工效率低等问题依然阻碍着碳纤维复合材料的推广应用。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.2汽车轻量化的实现途径

3．先进的成形技术和连接技术先进的成形技术保证了整车结构的安全性，目前先进的成形技术包括高强度钢热成形、内高压成形、激光拼焊和液压成形等。

先进的连接技术包括铆接、黏结、焊接等。任务4.2分析汽车轻量化技术4.2.2汽车轻量化的实现途径

《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》提出，要强化整车集成技术创新，以纯电动汽车、插电式混合动力（含增程式）电动汽车、燃料电池电动汽车为