李鵬偉 馮婧 馮曉?shī)? 王新潔 袁月

摘 要：本文主要研究了非乘用純電動(dòng)汽車(chē)電源控制器的硬件設(shè)計(jì)，目的是采用電源控制器實(shí)現(xiàn)整車(chē)電源控制及相關(guān)電控單元的協(xié)調(diào)控制，主要功能有動(dòng)力電池供電控制、駕駛?cè)艘鈭D判斷處理、與其他控制器通信、故障處理及響應(yīng)等。可靠的電源控制器可以解決非乘用純電動(dòng)汽車(chē)線束復(fù)雜、可靠性差、故障率高等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；電源控制器；硬件

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0128-03

Hardware Design of Power Controller for Non Multiplicative

Pure Electric Vehicle

LI Pengwei FENG Jing FENG Xiaoshan WANG Xinjie YUAN Yue

（Xi'an Automotive Technology Vocational College，Xi'an shaanxi 710000）

Abstract： This paper mainly studied the hardware design by use of non pure electric vehicle power controller. The purpose was to coordinate control using power controller realize vehicle power control and related electronic control unit， the main function of the power battery power supply control， driver intention judgment processing， and other control communication and fault handling and response etc. The hardware design of the power controller also includes the design of electromagnetic interference and the function test. A reliable power controller can solve the problems of complex， poor reliability and high failure rate of non multiplicative pure electric vehicle.

Keywords： electric vehicle；power controller；hardware

隨著全球汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，石油供求矛盾加劇，全球氣候變暖日益明顯。在此背景下，以節(jié)能減排為重要目標(biāo)的新能源汽車(chē)技術(shù)不斷取得突破。純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等類型多樣，非乘用純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展市場(chǎng)廣闊。隨著“三電”技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)控制器、電池管理器、DC-DC等電氣設(shè)備通常需要由整車(chē)控制器或整車(chē)控制單元（VCU）對(duì)各控制單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[1]。純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制是系統(tǒng)以VCU為核心部件，電池、電機(jī)及充電系統(tǒng)為外圍輔助系統(tǒng)的一套完整的電控系統(tǒng)[2]。非乘用純電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用廣泛，普遍應(yīng)用于警用巡邏車(chē)、旅游觀光車(chē)、老年代步車(chē)等。非乘用純電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，很多車(chē)輛沒(méi)有整車(chē)控制器，因此線束較為復(fù)雜，可靠性低，故障率高。本文研究的電動(dòng)汽車(chē)電源控制器采用意法半導(dǎo)體公司出品的32位ARM微控制器控制，能實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制器的基本功能，使車(chē)輛線束減少，可靠性提高，降低整車(chē)故障率和裝機(jī)成本。

1 電源控制器的主要功能

本文設(shè)計(jì)的電源控制器是非乘用純電動(dòng)汽車(chē)的指揮中心，主要功能為：通過(guò)采集、分析和處理各種傳感器的模擬信號(hào)及各種開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)來(lái)判斷駕駛?cè)说囊鈭D，向執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)，與車(chē)輛其他控制單元通信以協(xié)調(diào)各部分有序工作，存儲(chǔ)各系統(tǒng)的故障信息等。現(xiàn)在對(duì)以下功能進(jìn)行具體分析。

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

市場(chǎng)中現(xiàn)有的非乘用純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制方案較為簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由單加速踏板位置的傳感器將信號(hào)送至電機(jī)控制器來(lái)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向是由單刀雙擲開(kāi)關(guān)信號(hào)送至電機(jī)控制器控制或由直流接觸器轉(zhuǎn)換電極控制。對(duì)于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)，通常由電機(jī)控制器代替整車(chē)控制器實(shí)現(xiàn)控制功能[3]。本文設(shè)計(jì)的電源控制器先采集雙加速踏板位置傳感器和制動(dòng)踏板位置傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再將控制信號(hào)送至電機(jī)控制器，以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備安全性和可靠性。

1.2 通信功能

電源控制器設(shè)計(jì)有兩路CAN網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動(dòng)電路。CAN網(wǎng)絡(luò)通信速度可以靈活配置，主要可以和電機(jī)控制器、電池管理單元等控制單元通信，由電源控制器協(xié)調(diào)控制。

1.3 低壓電源系統(tǒng)控制

當(dāng)電源控制器通過(guò)接觸器控制電路接通驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源后，DC-DC的輸出端應(yīng)該輸出14V的直流電，給整車(chē)提供輔助電源。電源控制器監(jiān)測(cè)到該電壓值后即可接通DC-DC的輸出通路。

1.4 故障處理及報(bào)警

電池管理單元或絕緣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到驅(qū)動(dòng)電池系統(tǒng)存在故障或整車(chē)絕緣存在故障時(shí)，會(huì)通過(guò)專用的通道向電源控制器發(fā)送故障信號(hào)，由電源控制器根據(jù)安全控制策略做出安全保護(hù)響應(yīng)，包括但不限于斷開(kāi)接觸器控制電路信號(hào)。

1.5 其他驅(qū)動(dòng)與控制

電源控制器設(shè)計(jì)了其他驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，通過(guò)其他待控電氣設(shè)備的控制開(kāi)關(guān)，將開(kāi)關(guān)信號(hào)送至電源控制器，由電源控制器判斷后用于控制相應(yīng)電氣設(shè)備的工作，如大燈、雨刮器等。

2 電源控制器的硬件設(shè)計(jì)

電源控制器的硬件框架如圖1所示。其硬件電路組成與乘用汽車(chē)整車(chē)控制器基本類似，主要包括：微控制器、存儲(chǔ)電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、電源電路、外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路和通信驅(qū)動(dòng)電路等。

2.1 微控制器

本文設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體公司出品的32位ARM微控制器控制，型號(hào)為STM32F429VIT6，內(nèi)核為32位Cortex-M4 CPU，主頻高達(dá)180MHz，3個(gè)12位的ADC，共有24通道，2個(gè)12位的DAC，I/O口功能豐富，支持多種通信協(xié)議，比較適合本文的設(shè)計(jì)。從圖1可知，微控制器處理模擬信號(hào)主要通過(guò)其內(nèi)部自帶的ADC，處理數(shù)字信號(hào)主要通過(guò)I/O口的普通信號(hào)輸入功能，控制報(bào)警、水泵、風(fēng)扇、接觸器及其他電氣設(shè)備主要通過(guò)I/O口的普通信號(hào)輸出功能，與CAN網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)專用引腳連接。

2.2 存儲(chǔ)器

考慮到需要存儲(chǔ)的內(nèi)容不多，微控制器內(nèi)部的存儲(chǔ)空間足夠存放軟件代碼，只需要存儲(chǔ)少量的數(shù)據(jù)即可，因此本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為AT24C512的存儲(chǔ)芯片。AT24C512是ATMEL公司生產(chǎn)的64KB串行電可擦的可編程存儲(chǔ)器，采用8引腳封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大和電路搭接方便等特點(diǎn)，在測(cè)控系統(tǒng)中被大量運(yùn)用。

2.3 開(kāi)關(guān)量輸入電路

汽車(chē)上的開(kāi)關(guān)信號(hào)主要是12V電位，開(kāi)關(guān)量輸入電路需要將12V的電壓降壓后送至微控制器。因此，該電路采用電阻分壓的方式。

2.4 模擬量輸入電路

冷卻液溫度傳感器采用12V供電，DC-DC的輸出電壓在14V左右，因此，信號(hào)會(huì)高于微控制器ADC模塊的最大輸入電壓，模擬量輸入電路也采用電阻分壓的方式降低采集電壓。對(duì)于加速踏板位置的傳感器和制動(dòng)踏板位置的傳感器，電源控制器直接為其提供5V電壓，模擬量輸入電路下拉后直通微控制器。

2.5 電源電路

整車(chē)控制器在實(shí)際工作中會(huì)出現(xiàn)供電過(guò)低或者過(guò)高的情況，使整車(chē)控制器在欠壓過(guò)壓情況下運(yùn)行[4]。電源電路采用BD9781型穩(wěn)壓芯片，該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器具有寬輸入電壓范圍（7～35V或7～48V）和溫度范圍（-40°～+125°C或-40～+95℃）。其輸出電壓可通過(guò)外圍電路設(shè)計(jì)改變，適應(yīng)性好。電源電路完全按照數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)，外圍器件的參數(shù)根據(jù)需要可通過(guò)技術(shù)手冊(cè)內(nèi)的計(jì)算公式來(lái)確定。用該芯片有效實(shí)現(xiàn)了12V的穩(wěn)壓電源，但部分電路需要5V電源和3.3V電源，因此，在電源電路后端采用LM2940S芯片提供5V電源，用AMS1117-3.3芯片提供3.3V電源，每個(gè)芯片的前后端設(shè)計(jì)電容濾波即可。

2.6 外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路

電源控制器還可以驅(qū)動(dòng)其他外部設(shè)備，如電機(jī)、直流接觸器和燈光等。在外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路部分，主要采用BTS611L1雙通道高端電源開(kāi)關(guān)，其可作為兩路設(shè)備的電源開(kāi)關(guān)，可通過(guò)微控制器I/O口的輸出功能直接控制。電源控制器內(nèi)部采用TLE5205-5芯片驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)。具體電路接法可參考相關(guān)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2.7 通信驅(qū)動(dòng)電路

CAN網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代汽車(chē)控制單元間通信的主流協(xié)議。筆者設(shè)計(jì)了兩路CAN網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動(dòng)電路，選用非?？煽康腡JA1050芯片作為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制器，該功能由微控制器自身實(shí)現(xiàn)。兩路CAN網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)電路可分配為一路帶終端電阻，一路不帶終端電阻。

3 電磁兼容與可靠性設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾很強(qiáng)，會(huì)對(duì)控制器造成較大影響，從而導(dǎo)致程序“跑飛”，車(chē)輛失控。電磁干擾的三要素是：干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接收器。整車(chē)控制器運(yùn)行的環(huán)境惡劣，因此PCB設(shè)計(jì)也成為整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)的一個(gè)非常重要的部分[5]。最基本的干擾抑制技術(shù)是屏蔽、濾波和接地[1]。因此，在設(shè)計(jì)電源控制器時(shí)應(yīng)從這三個(gè)方面入手，如合理排布各個(gè)元器件的位置，合理設(shè)計(jì)各元器件之間走線的長(zhǎng)短、位置和線徑，模擬的和數(shù)字的分開(kāi)布設(shè)，全板上下對(duì)地鋪銅，帶散熱片的SMD貼裝位開(kāi)通風(fēng)洞，主要芯片電源分別設(shè)計(jì)電源濾波電路，殼體采用全封閉金屬殼等。電路電磁兼容性不可忽視，詳細(xì)設(shè)計(jì)方法可以參閱電路設(shè)計(jì)相關(guān)書(shū)籍和資料。

良好的電磁兼容性可以提高電源控制器的工作可靠性。加速踏板位置傳感器和制動(dòng)踏板位置傳感器采用雙路采集方式，即兩個(gè)傳感器，這種冗余設(shè)計(jì)的思想貫穿了車(chē)輛電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的諸多方面，是提高系統(tǒng)可靠性的主要方法。

4 硬件測(cè)試

全面的測(cè)試是保證電源控制器質(zhì)量的必要手段?？刂破鞯臏y(cè)試包括單元電路測(cè)試和系統(tǒng)集成測(cè)試。單元測(cè)試主要針對(duì)控制器上不同功能模塊的功能進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)信號(hào)的完整性、各單元電路的總體耐壓能力及對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力等。系統(tǒng)集成測(cè)試是在各單元電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行的整機(jī)測(cè)試，以驗(yàn)證整機(jī)功能的正確性、信號(hào)完整性等。詳細(xì)的測(cè)試方法可以根據(jù)實(shí)際電路的設(shè)計(jì)查閱國(guó)標(biāo)及相應(yīng)的技術(shù)資料。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款非乘用純電動(dòng)汽車(chē)電源控制器，相對(duì)于乘用汽車(chē)的整車(chē)控制器，該電源控制器適應(yīng)性好、成本低，可以提高非乘用純電動(dòng)汽車(chē)的控制可靠性，大大降低了故障率和維修難度。不足之處是故障處理功能不完善。后期研究中，應(yīng)加強(qiáng)故障處理電路的設(shè)計(jì)，使整車(chē)電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可以通過(guò)簡(jiǎn)易的方式找出車(chē)輛的故障點(diǎn)，便于維護(hù)和維修。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱軍.新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)控制原理及應(yīng)用[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]翟世歡，辛明華，于蘭.純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制策略[J].汽車(chē)工程師，2014（12）：26-29.

[3]張翔.純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器進(jìn)展[J].汽車(chē)電器，2011（2）：1-5.

[4]鄧杰，茍小義，宋春華，等.純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器測(cè)試系統(tǒng)綜述[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2017（18）：105-108.

[5]游運(yùn)旺.純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器硬件電路開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2017（2）：51-53.