小鹏专业课 | 电动汽车VCU是如何控制空调的

小鹏专业课 | 电动汽车VCU是如何控制空调的

今天,我们讨论点新能源电动汽车在空调方面控制的一些话题。

此次我们就不主讲电动汽车的空调自身是怎么控制,而是从另外一个维度来讨论,电动汽车的整车的控制器,是如何来参与空调的控制。

有些人会好奇,整车控制器还能当空调控制器来使用?

首先,我们先看下什么是整车的控制器。整车控制器,行业里通用的叫法叫做VCU(Vehicle Control Unit),是汽车的控制大脑,也就是相当于汽油车的ECU。不过差异点是VCU管辖的范围更广,负责整车三电联合控制及低压电路的相关控制。

ECU则是专属保姆,主要控制着发动机的工作。而今电动汽车的发展,是一个饱含满满高科技的产品,而这里面,VCU发挥着它强大的控制能力,那在空调方面的控制,VCU也就承担起了部分职责。

空调控制跟VCU有什么关系?

传统汽油车上,我们看到直观的空调冷却系统,更主要是乘用舱的驾驶体验。最直观的感受是,炎炎夏日,车内开启空调那股冷风的冰爽;或是冬天瑟瑟寒风,车内开启暖风的满满暖意,当然还有除霜除雾,内在循环功能,甚至是自动空调,PM2.5空调滤清等功能,都是属于空调控制的功能范畴。

而这一类的控制,是专属空调控制器的管辖范围,行业里将该控制器称为HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning,空气调节系统 ),空调的控制逻辑是空调控制器的软实力体现。

那到了电动汽车上,空调的控制会发生什么变化呢?

大家都知道,传统汽油车,空调工作的动力源,是通过发动机带动皮带让压缩机实现转动,产生机械做功;而到了电动汽车,没有了发动机,就没有了机械的驱动,转而变成了电驱动,压缩机消耗电池包的电,采用电能做功,整个工作系统都在高压下进行。这个时候,VCU就发挥了其控制空调的部分职责,即如何控制这个高压系统,管理着空调工作的一些具体事务。电动汽车这个电动系统的架构关系,让VCU跟空调的控制产生了联系,VCU担当起了空调控制的二当家。

图1:一种VCU高压控制简图


VCU控制空调工作的哪些内容呢?

VCU控制空调启动工作的高压系统:

上面我们已经说了,电动汽车的空调工作是在高压环境下进行的,而整个高压系统是由VCU控制的。其中,最关键的是车辆的上下电流程。这个过程是不允许空调提前工作的,否则会影响电池包的预充失败。

所以,VCU这个时候对空调的高压电源进行管理。VCU对整个上下电的时序做了一定的优先级管理,如图2所示,上电过程中,VCU等待预充成功后,才给空调发送高压使能可用标志位,允许空调启动工作;

如图3所示,下电过程中,VCU给空调发送高压不可用标志位,等待空调停止工作后,同时包括其他高压附件停止工作,才会继续走下电流程,发送电池继电器切断请求,从实实现下电,避免在下电过程中,高压带载切电池继电器,对继电器完成粘连等风险。

图2:一种上电时序图
图3:一种下电时序图



VCU负责着对空调功率的管理:

上面已经提到电动汽车,空调在工作的过程中,是消耗电能的,一般在使用过程中,空调的电能来自于电池包的放电。而汽车在使用过程中,各种交叉场景使用都有,行驶中既要考虑车辆的动力性,经济性,又得考虑乘用舱的空调使用体验,特别是在电池包低电量的场景。

所以,VCU发挥着其强大的能量控制能力,对整车的高压器件使用功率进行分配。那这样的情况下,VCU就有必要根据场景使用,对空调的功率进行管理,在必要的时候,进行功率限值。在车辆放电的场景下,如果电量不足以满足当前车辆的加速功率,则会考虑同时降空调的使用功率,来补给加速时电机需要的驱动功率;如果电池包的放电功率比较低的情况下,会考虑限制空调的许用功率为0,停止空调的工作,避免电池包出现电池过放的可能。

上面说的是电池包放电的情况,如果是充电的过程中呢?

这个看车辆开发时对产品的定义需求了。有的会考虑,空调的功率必须限值在充电机的许用功率范围内,避免充电过程中电池包出现放电现象,影响充电效果;有的会优先考虑空调的体验,在充电过程中,电源已经有了,不在惧怕没电,这个时候更加注重空调的使用体验,就像手机充电时的使用,发现性能更加给力,这些都是各大主机厂各自开发的产品定义。

它清楚整车的使用环境及整车状态,像一位智者,给空调等其他高压附近做功率分配,保证车辆的工作配合有序,各种性能各有表现。


VCU负责着请求空调给电池包进行热管理的控制:

电动汽车的热管理关注点转向了电机回路的冷却以及电池包的热管理。

电机回路主要靠水冷+风冷,电池包需要冷却时,主要靠空调压缩机降温,需要加热时,主要靠PTC加热。VCU这位管家,与整车各大器件控制器时刻进行着交流,时刻知道着车辆整体时刻的冷暖需求,最后会根据整体的需求情况是否满足,来判断是否应该请求空调来给电池包进行热管理。

VCU会根据电池包的使用场景,如行车或是充电,根据电池包的温度情况,来请求空调给电池包加热或是制冷。这里面,涉及着一个复杂的热管理系统,VCU判断的边界条件,主要是考虑电芯温度,水泵是否有故障,水温传感器是否有故障,电子风扇是否有故障,回路是否有冷热冲击等条件,综合以上条件,VCU来判断是否满足条件,在给HVAC发起加热或是冷却请求的使能条件。

这个过程中,VCU还要根据电池是加热还是冷却的需求,结合HVAC的工作需求,去控制水泵工作,控制冷却回路水流量,进行冷热的热交换,同时也进行对空调压缩机或是PTC的工作功率进行限制,功率限制大致内容如以上的空调功率管理介绍。冷却的时候,VCU还需要控制电子风扇,给空调管路进行降压,保证压缩机工作不会过压。在这个热管理的环节里面,VCU既当了请求的发起者,又当了零部件工作的控制者,管理着一整套热管理工作系统。而这里面,HVAC的角色相对专一,负责压缩机工作的调速制冷,将电芯温度降至目标温度,回路不出现冷冲击;或是控制PTC的加热工作,给电池包加热,同时也保证PTC不会自身过热,回路不出现热冲击等内容。

以上是从VCU的控制角度,讨论了一些整车控制器对空调控制的逻辑功能,让大家有了新的认识,了解到VCU还有此等工作职责,对电动汽车的控制功能有更多的了解。VCU是一个强大的大脑中枢,对整车的控制体现在方方面面,后续会继续从不同的维度,功能,继续跟大家分享一些电动汽车的控制方法。

编辑于 2019-09-11