純電動(dòng)汽車整車控制器硬件設(shè)計(jì)*

馬宇坤 郭艷萍 翟世歡 周能輝

（天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司）

純電動(dòng)汽車是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，各子系統(tǒng)幾乎都通過其控制單元（ECU）來完成各自功能和目標(biāo)。為了滿足整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性的目標(biāo)，各系統(tǒng)還必須彼此協(xié)作，優(yōu)化匹配。因此，必須要有一個(gè)整車控制器來管理協(xié)調(diào)電動(dòng)汽車中的各個(gè)部件。整車控制器通過采集駕駛員的操作信息與汽車狀態(tài)，進(jìn)行分析與運(yùn)算，通過CAN總線對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行管理和調(diào)度，并針對(duì)車型的不同配置，進(jìn)行相應(yīng)的能量管理，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)控制、能量?jī)?yōu)化控制、制動(dòng)回饋控制和網(wǎng)絡(luò)管理等[1]。

1 功能需求

電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

文中整車控制器的硬件設(shè)計(jì)基于ISO26262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以達(dá)到安全性和可靠性要求[2]。電動(dòng)汽車的整車通信網(wǎng)絡(luò)是以整車控制器為主節(jié)點(diǎn)，基于CAN或FlexRay總線的分布式動(dòng)力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)，整車控制器可以對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，提高整車能量利用效率，確保汽車安全性和可靠性。整車控制器的主要功能如下。

1）控制策略的實(shí)現(xiàn)：執(zhí)行整車控制策略，完成對(duì)電動(dòng)汽車的運(yùn)行控制；

2）網(wǎng)絡(luò)管理：監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息調(diào)度，負(fù)責(zé)信息匯總，對(duì)外部監(jiān)控設(shè)備起到網(wǎng)關(guān)的作用；

3）故障診斷處理：診斷控制器內(nèi)部電路、模塊及軟件、傳感器、執(zhí)行器和系統(tǒng)其他部件故障并進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，按照標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)故障碼；

4）在線配置和維護(hù)：通過車載標(biāo)準(zhǔn)CCP協(xié)議，進(jìn)行控制參數(shù)修改、匹配標(biāo)定、功能配置、監(jiān)控及基于標(biāo)準(zhǔn)接口的調(diào)試等。

2 硬件架構(gòu)

整車控制器的整體硬件框圖，如圖2所示。

從功能上可以把整車控制器分為5個(gè)模塊。

1）微控制器模塊：本設(shè)計(jì)的主控制芯片選用TC1782，是整車控制器的控制核心，包括主控制芯片（微控制器）及其外圍電路，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算及處理，也是控制方法實(shí)現(xiàn)的載體；

2）電源模塊：為各輸入和輸出模塊提供電源，并對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控，與微控制器相連；

3）信號(hào)處理模塊：用于模擬和數(shù)字量輸入信號(hào)的調(diào)理，包括模擬量信號(hào)處理和數(shù)字量信號(hào)處理，其一端與傳感器或開關(guān)相連，另一端與微控制器相接；

4）功率驅(qū)動(dòng)模塊：用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)繼電器或系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，包括低端驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)兩部分，與微控制器通過I/O相連，另一端與被控繼電器（低端驅(qū)動(dòng)）或指示燈（PWM驅(qū)動(dòng)）相接，微處理器可通過SPI總線進(jìn)行故障診斷；

5）通訊模塊：整車控制器與其他設(shè)備相連的接口，包括兩路CAN總線、一路FlexRay總線、一路LIN總線及一路RS232總線，其中CAN總線是整車控制器最重要的對(duì)外通訊接口。

3 各功能模塊電路設(shè)計(jì)

3.1 微控制器模塊

微控制器模塊是滿足TC1782能夠正常工作的最小系統(tǒng)，即微控制器及其外圍電路。外圍電路包括晶振和JTAG等滿足微控制器仿真與編程等基本工作必須的基礎(chǔ)電路。

3.2 電源模塊

電源模塊是ECU的核心模塊，它直接關(guān)系到整個(gè)ECU的正常工作情況。汽車內(nèi)部電控單元眾多，彼此一起構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的電子環(huán)境。電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)的電源環(huán)境對(duì)電控單元來說非?？量獭Ｒ?2V電源系統(tǒng)為例，其必須能在6～16V的電壓范圍內(nèi)正常工作，而且還要應(yīng)對(duì)汽車?yán)鋯?dòng)、感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓干擾、大負(fù)載開啟時(shí)的電壓跌落及電源反接等電源線的傳導(dǎo)干擾，以及外界環(huán)境帶來的電磁輻射等干擾。為了保證系統(tǒng)的可靠性，電源模塊的設(shè)計(jì)必須滿足相應(yīng)的指標(biāo)。

電源模塊還應(yīng)該提供電源為外部傳感器供電，以保證當(dāng)外部傳感器電源短路時(shí)控制系統(tǒng)還能正常工作，保證系統(tǒng)的安全可靠。因此在整車控制器的電源模塊設(shè)計(jì)中，選擇了DC/DC控制芯片TLE7368作為電源控制芯片，其應(yīng)用電路原理圖，如圖3所示。

TLE7368控制芯片通過DC/DC預(yù)變換電路輸出5.5 V電壓給外部傳感器供電，這樣大大減少了系統(tǒng)的功耗，還可以通過C836控制上電復(fù)位的時(shí)間。同時(shí)電路設(shè)計(jì)中通過鑰匙開關(guān)和充電開關(guān)信號(hào)來控制TLE7368的輸出，當(dāng)鑰匙關(guān)閉后整個(gè)系統(tǒng)處于低功耗的休眠模式，這樣能夠保證啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)對(duì)電源的影響最小。TLE7368片內(nèi)集成了兩路傳感器供電電源，并帶有電流限制，當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)，系統(tǒng)可以自診斷，保證了整個(gè)控制系統(tǒng)本身的安全性。

3.3 通訊模塊（CAN總線）

CAN總線（2.0A/B）以其極高的可靠性和穩(wěn)定性在汽車上得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中使用的TC1782帶有3個(gè)CAN通訊模塊且使用方便，故只需添加必要的外圍收發(fā)接口電路就能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)采用3.3 V系統(tǒng)，所以用TLE6250GV33作為CAN總線的收發(fā)接口，采用完善的共模及差模濾波電路設(shè)計(jì)，并利用D200進(jìn)行ESD保護(hù)。

整車控制器中有一路CAN通訊采取隔離設(shè)計(jì)，通過光耦實(shí)現(xiàn)并依靠DC/DC電源供電。整個(gè)系統(tǒng)的CAN通訊設(shè)計(jì)原理，如圖4所示。

3.4 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊是整車控制器對(duì)外的模擬量和數(shù)字量接口，是對(duì)整車實(shí)施控制的基礎(chǔ)，沒有正確與可靠的信號(hào)輸入，再?gòu)?fù)雜和有效的控制策略也不可能得到良好的控制結(jié)果，同時(shí)所有的輸入信號(hào)都有可能會(huì)引入各種的故障和干擾，為了保護(hù)控制單元，模擬量和數(shù)字量接口還必須具有故障保護(hù)和診斷功能。因此本次模擬量和數(shù)字量接口的設(shè)計(jì)指標(biāo)是：1）對(duì)地、對(duì)電源短接保護(hù)；2）開路、對(duì)地、對(duì)電源短接診斷；3）所有的傳感器都具有故障時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)；4）ESD保護(hù)；5）低通濾波。

為了使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單且可靠，整車控制器采用RC對(duì)模擬量和數(shù)字量進(jìn)行濾波。其應(yīng)用電路原理圖，如圖5所示。當(dāng)電壓超過設(shè)定值時(shí)，通過二極管進(jìn)行嵌位，從而保護(hù)TC1782不受損害。

3.5 功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)主要是繼電器的驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中整車控制器需要18路的驅(qū)動(dòng)輸出，均采用低端控制形式。

本設(shè)計(jì)使用芯片TLE8110實(shí)現(xiàn)低端驅(qū)動(dòng)功能。TLE8110具有10路輸入管腳的直接控制及與SPI組合的并行控制的功能，利用TC1782上的通用IO，能輕松實(shí)現(xiàn)整車的電磁閥和繼電器的控制功能。當(dāng)有故障時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)相應(yīng)的故障，并保持在故障寄存器中，再利用TC1782上的SPI總線能讀取每個(gè)通道的故障內(nèi)容，有利于整個(gè)控制系統(tǒng)的故障診斷，利用其reset管腳和SPI指令也能清除故障內(nèi)容和禁止所有通道的輸出，其電路原理圖，如圖6所示。

芯片TLE7244具有4路輸入管腳的直接控制及與SPI組合的并行控制的功能，在本設(shè)計(jì)中被用來實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動(dòng)功能。利用TC1782上的通用IO和SPI通信，能實(shí)現(xiàn)整車的PWM輸出和繼電器的控制功能。當(dāng)有故障時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)相應(yīng)的故障，并保持在故障寄存器中，再利用TC1782上的SPI總線能讀取每個(gè)通道的故障內(nèi)容，有利于整個(gè)控制系統(tǒng)的故障診斷，利用其reset管腳和SPI指令也能清除故障內(nèi)容和禁止所有通道的輸出，其電路原理圖，如圖7所示。

4 可靠性設(shè)計(jì)

整車控制器作為電動(dòng)汽車的大腦，必須具有高安全性，整車控制器的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠滿足ISO26262的ASIL-D的安全級(jí)別要求，雖然TC1782內(nèi)部集成有2個(gè)處理器，但由于TC1782中的CPU和PCP核是在同一個(gè)芯片中，處于相同的環(huán)境下，可能會(huì)存在相同的故障類型，因而需要第3個(gè)安全監(jiān)控芯片CIC61508來監(jiān)控TC1782的運(yùn)行情況。

TC1782監(jiān)控給安全監(jiān)控芯片的供電電源是否正確，安全監(jiān)控芯片監(jiān)控除自己的供電之外的所有電源是否正確；MCU和安全監(jiān)控芯片之間通過SPI總線進(jìn)行通信及一系列的安全監(jiān)控，包括：1）TC1782的執(zhí)行代碼測(cè)試；2）TC1782 的任務(wù)執(zhí)行情況監(jiān)控；3）TC1782計(jì)算數(shù)據(jù)的比較；4）SPI通信狀態(tài)的監(jiān)控。

當(dāng)系統(tǒng)不正常時(shí)，安全監(jiān)控芯片直接禁止整車控制器的功率輸出，同時(shí)對(duì)TC1782進(jìn)行復(fù)位操作。

5 結(jié)論

開發(fā)的該款電動(dòng)汽車整車控制器不僅滿足電動(dòng)汽車的各種功能需求，而且具有良好的安全性與可靠性。提高了整車的性能與能量的利用效率，具有廣闊的使用空間。