《新能源汽车技术》项目4

新能源汽车技术

授课教师：xxx授课时间：xxx绪论项目一纯电动汽车的概述项目二动力蓄电池及管理技术项目三驱动电机及控制技术项目四整车控制及轻量化技术项目五纯电动汽车其他关键技术项目六混合动力电动汽车项目七燃料电池电动汽车全课导航项目一纯电动汽车的概述项目四

整车控制及轻量化技术整车控制技术是实现汽车电动化、智能化、网联化的关键技术之一。整车控制系统通常以VCU为核心，通过CAN总线与各子系统进行通信，对采集、接收到的数据进行处理，并按预先设定的控制策略对各子系统和相关执行部件进行控制，从而实现调节整车动力输出、优化动力性能、提升能量利用效率等功能。轻量化的目的：降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性能，实现节能减排和增程增效。轻量化是整个汽车产业的重要发展方向，对于纯电动汽车来说，轻量化技术的应用可以提升整车的动力和操控性能，增加车辆的续驶里程。

本项目主要介绍整车控制系统的基本结构和基本功能，轻量化技术的发展及汽车轻量化的实现途径。项目导读学习目标（1）了解整车控制策略。（2）掌握整车控制系统的基本结构和基本功能。（3）了解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）能够正确认识整车控制系统的基本结构。（2）能够分析整车控制系统的基本功能。（3）能够分析轻量化技术在纯电动汽车中的应用情况。（1）培养知难而进、勇于探索的创新精神。（2）树立科技成才、技能报国的人生理想。知识目标技能目标素质目标项目导航任务4.1认识整车控制系统任务4.2分析轻量化技术的应用任务4.1

认识整车控制系统任务引入

纯电动汽车上搭载了大量的电力电子设备，它们都需要由相应的电控系统进行控制，而各系统之间则需要相互协作、优化匹配，这就需要整车控制系统来对纯电动汽车进行整车控制。整车控制系统可以根据驾驶员的操作判断驾驶员的驾驶意图，在满足整车动力性、舒适性、安全性、经济性的前提下，控制车辆实现各种行驶功能。

VCU是整车控制系统的核心部件。我国VCU行业起步较晚，并且整车控制器技术门槛较高，这就造成国内VCU市场长期被外国品牌占据。但是，近年来我国新能源汽车产业发展迅速，相关配套零部件自主制造能力不断增强。目前，国内各整车控制器厂商已逐步实现国产产品的替代。

任务要求:学生从整车控制策略、基本结构及基本功能等方面认识整车控制系统。任务引入表1知识与技能要求任务内容认识整车控制系统学习程度识记理解应用学习任务整车控制策略●整车控制系统的基本结构●整车控制系统的基本功能●实训任务认识整车控制系统的基本结构●分析整车控制系统的基本功能●自我勉励任务工单——认识整车控制系统1．任务描述

学生以3～5人为一组，选出组长并进行任务分工。各小组根据实际情况，在实训车辆或整车实训平台上认识整车控制系统的基本结构，分析整车控制系统的基本功能。序号名称型号与规格单位数量备注2．工具和器材准备

各小组查阅资料，熟悉实训车辆所用整车控制系统的结构特点和相关技术参数，并进行工作规划，将实训所需的工具和器材填入表2中。表2任务工单3．制订方案（1）各小组针对工作规划展开讨论，制订实施方案。（2）指导教师对各小组的实施方案给出评价。（3）各小组根据指导教师的评价对实施方案进行调整。（4）调整合格后的实施方案即最终实施方案。4．工作实施

各小组按照最终实施方案，系统地认识实训车辆所用整车控制系统，并将实施内容及完成情况填入表3中。班级组号日期姓名学号指导教师实施内容完成情况任务总结表3相关知识4.1.1整车控制策略4.1.2整车控制系统的基本结构4.1.3整车控制系统的基本功能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：第一层：VCU，负责整体控制，协调各控制单元的工作及信息处理；第二层：其他控制单元作为，包括MCU、BMS、车载充电机、DC/DC变换器、仪表控制单元、空调控制单元、转向控制单元、制动控制单元等。

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整车控制策略如图1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信号、制动踏板位置信号、挡位开关信号等，接收CAN总线上的MCU信号和BMS信号，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的行驶状态，最后利用CAN总线发出指令，控制各控制单元的工作。图14.1.2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，以及挂接在总线上的MCU、BMS、车载充电机及其他控制单元组成，如图2所示。图21．驾驶员驾驶意图解析4.1.3整车控制系统的基本功能整车控制系统可根据加速踏板和制动踏板的位置信息等，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矩和转速，并将相应的控制指令发送至MCU，通过调节MCU的功率来调整驱动电机的转矩和转速。点击播放微课视频2．整车状态监测与显示4.1.3整车控制系统的基本功能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，动力蓄电池的剩余电量、续驶里程、电压、电流，以及各系统的故障信息等。3．整车工作模式管理4.1.3整车控制系统的基本功能整车控制系统根据各种状态信息（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3所示。图3（1）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。自检失败，车辆将进入故障模式，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；自检通过，车辆将等待启动信号，以进入启动模式。3．整车工作模式管理4.1.3整车控制系统的基本功能（2）整车控制系统将在上电后唤醒CAN总线上的其他节点（即各控制单元），使其开始工作，进入启动模式。

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的驾驶操作。（3）如图4所示，当车辆由静止状态开始起步时，驱动电机的转矩以某一个可标定的启动转矩（Tst）为目标值。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，并对驱动电机的转矩进行平滑处理，从而实现平稳起步。图43．整车工作模式管理4.1.3整车控制系统的基本功能（4）在行驶模式下，整车控制系统主要根据加速踏板的位置及车辆行驶状态，实时控制驱动电机的转矩，从而实现按驾驶员驾驶意图控制车辆运行的目的。行驶模式的控制方式主要分为恒转矩控制和恒功率控制两种，如图5所示。（5）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的位置信息，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。图53．整车工作模式管理4.1.3整车控制系统的基本功能（6）再生模式是在特定工况下控制驱动电机给动力蓄电池充电，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6所示。（7）停车模式是整车运行过程中无故障出现，驾驶者正常关闭启动开关（ON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电，然后控制各附件设备关闭，完成自动下电过程。图63．整车工作模式管理4.1.3整车控制系统的基本功能控制模块执行设备输入设备三级故障为轻微故障不影响车辆正常行使二级故障为一般故障车辆进入跛行模式，限制驱动电机的功率。一级故障为严重故障车辆进入紧急停止工作状态。（8）整车故障故障来源:3．整车工作模式管理4.1.3整车控制系统的基本功能（9）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，并启动充电电路为动力蓄电池充电。

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，并用组合仪表显示充电状态、剩余电量等信息。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。（10）将启动开关置于OFF挡，车辆将启动下电模式。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信号来控制BMS断开高压继电器；同时根据驱动电机系统的温度来确认冷却系统是否要延迟下电，从而直接或延迟关闭冷却系统，完成下电。4.1.3整车控制系统的基本功能4．整车驱动控制整车驱动控制主要是控制驱动电机输出的驱动转矩，以保证车辆的动力性。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，计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，通过MCU的功率调节，得到驾驶员预期的车速。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的管理和整车能量传递的控制。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，反而通过驱动电机产生再生电能为动力蓄电池充电，这将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。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、故障等级划分、报警显示、故障码存储等，并采取相应的应急处理措施。课堂小结任务4.2

分析轻量化技术的应用相关知识我国当下汽车零部件行业的发展趋势有四大方向：模块化、智能化、轻量化和环保化。在轻量化方面，我国有众多在转型之中不断升级的汽车零部件企业，市场的需求亦保持旺盛。

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。轻量化技术的广泛应用不仅降低了纯电动汽车的能耗，还影响到未来汽车的设计理念，是汽车技术发展的主要推力。

任务要求:学生从轻量化技术的发展背景、汽车轻量化的实现途径、轻量化技术的发展前景等方面认识轻量化技术，并分析轻量化技术在纯电动汽车上的应用情况。任务引入表4知识与技能要求任务内容分析轻量化技术的应用学习程度识记理解应用学习任务轻量化技术的发展背景●汽车轻量化的实现途径●轻量化技术的发展前景●实训任务分析轻量化技术在纯电动汽车上的应用情况●自我勉励任务工单——分析轻量化技术的应用1．任务描述

学生以3～5人为一组，选出组长并进行任务分工。各小组根据实际情况，收集、整理相关技术资料，分析轻量化技术在实训车辆上的应用情况。序号名称内容描述单位数量备注2．数据资料准备各小组查阅资料，熟悉实训车辆的结构特点和技术参数，并进行工作规划，将实训所需的各项数据资料填入表5中。表5任务工单3．制订方案（1）各小组针对工作规划展开讨论，制订实施方案。（2）指导教师对各小组的实施方案给出评价。（3）各小组根据指导教师的评价对实施方案进行调整。（4）调整合格后的实施方案即最终实施方案。4．工作实施

各小组按照最终实施方案，系统地分析轻量化技术在实训车辆上的应用情况，并将实施内容及完成情况填入表6中。班级组号日期姓名学号指导教师实施内容完成情况任务总结表6相关知识4.2.1轻量化技术的发展背景4.2.2汽车轻量化的实现途径4.2.3轻量化技术的发展前景4.2.1轻量化技术的发展背景汽车轻量化是指在满足车辆使用要求、安全性和成本控制的条件下，将结构的轻量化设计与轻量化材料、轻量化工艺集成应用，最终实现整车减重。纯电动汽车由于加入了“三电系统”，其整备质量相较于同类型的传统燃油汽车明显增加，这严重影响了车辆的动力性、被动安全性、续驶里程、零部件动载荷和疲劳寿命等。

研究表明，纯电动汽车的整备质量降低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。4.2.1轻量化技术的发展背景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，推动先进材料和工艺技术的进步《节能与新能源汽车技术路线图2.0》确定了9个汽车技术重点发展方向：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。4.2.2汽车轻量化的实现途径结构材料工艺技术结构的轻量化设计是前提。

结构的轻量化设计是最容易实施也是成本最低的一种汽车轻量化手段。车身、底盘、动力蓄电池系统、电机驱动系统等的结构设计都可以大量运用轻量化技术。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。轻量化材料的应用是手段。

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。从技术路径来看，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。先进的成形技术、连接技术等工艺技术是保障。

先进的成形技术和连接技术可以在减小车辆整备质量的同时保证整车结构的安全性。

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。点击播放微课视频4.2.3轻量化技术的发展前景《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，攻关纯电动汽车底盘一体化设计、多能源动力系统集成技术，提升产业基础能力，提升基础关键技术、先进基础工艺、基础核心零部件、关键基础材料等的研