混合動(dòng)力公交車整車控制器設(shè)計(jì)與硬件仿真

張 建，江 昊，王修滿，張 輝

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

混合動(dòng)力公交車整車控制器設(shè)計(jì)與硬件仿真

張 建，江 昊，王修滿，張 輝

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

根據(jù)MCU的特點(diǎn)、原理及電磁兼容性設(shè)計(jì)方法，研制了一款并聯(lián)式混合動(dòng)力公交車的整車控制器（HCU），并利用硬件在環(huán)仿真測(cè)試對(duì)硬件系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該HCU性能穩(wěn)定、工作可靠、能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)整車控制功能。

混合動(dòng)力公交車；整車控制器；MC9S12XD512；電磁兼容性

混合動(dòng)力公交車整車控制器（HCU）作為中央控制單元，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。通過(guò)采集點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、加速踏板、制動(dòng)踏板、AMT手柄、車速、電池SOC等信號(hào)，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)間的功率/扭矩分配，完成整車的能量管理的基本功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)和車上其它電子控制單元的數(shù)據(jù)通訊，控制車輛高效、安全運(yùn)行。因此，HCU的優(yōu)劣直接影響整車可靠性和其他性能。作為電控單元(ECU）的核心微控制器（MCU），其功能日趨復(fù)雜化，嵌入式、高精度的高速M(fèi)CU開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。因此，利用高性能的MCU和新的技術(shù)開(kāi)發(fā)HCU非常必要。

1 并聯(lián)式HEV動(dòng)力總成

并聯(lián)式HEV的動(dòng)力源有2個(gè)（圖1）：發(fā)動(dòng)機(jī)、超級(jí)電容和電動(dòng)機(jī)，兩者通過(guò)耦合器連接起來(lái)。根據(jù)公交車行駛工況，動(dòng)力總成有3種工作模式：發(fā)動(dòng)機(jī)模式、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式及混合驅(qū)動(dòng)模式。3種模式的實(shí)時(shí)交換，以獲得最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和最小尾氣排放［1］。

2 整車控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整車控制器設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

硬件設(shè)計(jì)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)HCU的控制功能；要考慮硬件的工程化特點(diǎn)，在汽車實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下，保證HCU可靠、穩(wěn)定的工作［2］；系統(tǒng)要具有實(shí)時(shí)可調(diào)試性，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，可以及時(shí)更改；要兼顧系統(tǒng)的通用性和標(biāo)準(zhǔn)化，使得不同HCU系統(tǒng)能相互兼容。HCU具體特點(diǎn)分析如下：

1）功能性 HCU接受來(lái)自駕駛員的信號(hào)，并向各控制單元發(fā)送指令，使得汽車能按預(yù)期行使；通過(guò)CAN總線，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容、電機(jī)控制器以及其他ECU信號(hào)共享和控制信號(hào)的總線傳送方式；同時(shí)，HCU具有監(jiān)視和故障診斷功能。

2）工程性 在整車控制器的設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)芯片溫度范圍是商業(yè)級(jí)（0～70℃），少數(shù)芯片選用工業(yè)級(jí)（-40～85℃）；采取電磁兼容性設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；采用增加部分電路數(shù)量的冗余設(shè)計(jì)方法，在系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，保證其能正常運(yùn)行。

3）可調(diào)試性 預(yù)置BDM調(diào)試接口和重要信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)。

4）通用性 電路功能模塊化，具有標(biāo)準(zhǔn)連接器接口，支持CAN2.0B通信協(xié)議。

2.2 MCU的選型及特點(diǎn)簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)整車控制器時(shí)，MCU的選型是最重要的一步，本文選用freescale公司的16位HCS12X系列的單片機(jī)MC9S12XD512作為整車控制器的MCU。HCS12X采用增強(qiáng)型內(nèi)核和增強(qiáng)型外圍設(shè)備，并且具備完全的CAN功能，改進(jìn)了中斷處理功能,同時(shí)增加了一個(gè)平行處理的XGATE模塊。

MC9S12XD512主要特點(diǎn)概述如下：

1）具有增強(qiáng)型的CPU，提高了總線速度（最高可達(dá)40 MHz，HCS12只能達(dá)到25 MHz）。

2）XGATE模塊是一個(gè)智能模的、可編程的直接存儲(chǔ)器存取模塊，可以進(jìn)行中斷處理及通訊和數(shù)據(jù)預(yù)處理，并為其他任務(wù)釋放一部分CPU空間，從而提高了性能［3］。

3）512 kB的Flash、32 kB的RAM、4 kB的EEPROM。

4）2個(gè)串行通信接口 （SCI）、2個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）、8路10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、8信道的脈寬調(diào)制（PWM）、背景調(diào)試模塊（BDM）等。

2.3 整車控制器硬件電路設(shè)計(jì)

圖2描述了整車控制器總體結(jié)構(gòu)形式以及各個(gè)模塊要接收和處理的信號(hào)［4］。整車控制器是一個(gè)多功能系統(tǒng)。電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要處理多種輸入輸出信號(hào)（數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)），但是電路功能相對(duì)比較獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)HCU的功能需求，把硬件電路劃分為7個(gè)模塊：MCU最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、模擬信號(hào)采樣隔離模塊、CAN通訊模塊、SCI串行通信模塊 （SCI模塊）、SPI串行外設(shè)接口模塊（SPI模塊）、數(shù)字信號(hào)輸入/出模塊［5］。

2.3.1 電源模塊

整車控制器所需的電壓有2種：5V和±12 V。5 V是為MCU提功工作電壓以及作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓；±12 V是為其它芯片提供工作電壓。并聯(lián)式超級(jí)電容混合動(dòng)力公交車供給HCU的電壓是24 V，所以電源模塊要具有電壓轉(zhuǎn)換功能。同時(shí)，電源噪聲是電磁干擾的一種，在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)電路進(jìn)行濾波處理，提高模塊的穩(wěn)定性。

本文選用金升陽(yáng)公司的 DC-DC模塊電：VRB2405LD-15W和WRA2412YMD-6W，該模塊具有高低溫特性好、寬電壓輸入，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)隔離穩(wěn)壓，滿足設(shè)計(jì)需求。前者可以將24 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V,后者能把24 V轉(zhuǎn)換為±12 V。24 V/5 V電壓轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示，在模塊電源輸入端設(shè)置了一個(gè)穩(wěn)壓二級(jí)管，當(dāng)蓄電池電壓高于35 V時(shí)，能將其反向擊穿，起保護(hù)模塊電源的作用；C1、C2起消除差模干擾信號(hào)的作用；L1能夠衰減共模干擾信號(hào)；C1、C2和L1組成的濾波器對(duì)頻率較高的干擾信號(hào)有較大的衰減。

圖3 電源模塊24V/5V轉(zhuǎn)換原理圖

2.3.2 模擬信號(hào)采樣隔離模塊

由HCU功能性分析可知，它要采集加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)，然后傳送給MCU的A/D轉(zhuǎn)換器。MCU的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的模擬信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有較高的要求，而從加速踏板和制動(dòng)踏板采集到的信號(hào)含有干擾信號(hào)，這就要對(duì)其進(jìn)行濾波和隔離處理后，再傳送給MCU。圖4設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬信號(hào)采樣隔離模塊。該模塊選取惠普公司的HCNR201線性光耦對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行線性隔離，C1、C2起濾波作用。通過(guò)改變電位計(jì)R1的阻值，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)輸入與輸出成1：1關(guān)系。該模塊經(jīng)過(guò)實(shí)物調(diào)試，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 模擬信號(hào)采樣模塊原理圖

2.4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性設(shè)計(jì)（EMC）是指電子裝置在預(yù)定的工作環(huán)境條件下，即不受周圍電磁場(chǎng)的影響，也不影響周圍環(huán)境，不發(fā)生性能變異或誤動(dòng)作，而按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力［6］。干擾源主要有兩類：系統(tǒng)自身干擾源，如電路布局不合理或元器件質(zhì)量差，而引起的電阻熱噪聲干擾和接觸噪聲干擾等；系統(tǒng)外部干擾源，如電源噪聲、電磁波信號(hào)發(fā)射、雷電等。為了避免上述兩類干擾源對(duì)HCU產(chǎn)生干擾，在設(shè)計(jì)HCU的電磁兼容性時(shí)，采取了以下幾種抗干擾措施，來(lái)提高HCU的可靠性和耐久性。

1）選用集成度高的元器件。如在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，選用模塊電源以及加上低通濾波器進(jìn)行濾波，大大減少了故障率和受干擾的概率。

2）MCU的外部晶振是高頻噪聲源，為了降低噪聲干擾，將晶振放置在MCU晶振引腳較近的位置；同時(shí)選用低頻率晶振，選值為8 MHz。

3）數(shù)字量輸入輸出電路采用了光電隔離；模擬信號(hào)輸入電路使用了線性光耦HCNR201進(jìn)行隔離。通過(guò)隔離可以切斷干擾通道，避免強(qiáng)電流對(duì)回路的沖擊。

4）對(duì)集成電路，在芯片的電源和地引腳之間并接大容量鉭電容和小容量非電解電容，以去除輸入電源耦合噪聲，減小干擾。

5）在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，電源線和地線加粗，并且地線寬度大于電源線寬度；電路板銅模線使用45°折線而不用90°折線；數(shù)字地、模擬地分開(kāi)設(shè)計(jì)，在電源端2種地線相連；采用敷銅技術(shù)，既減小回路面積，又可以減小導(dǎo)線之間的串?dāng)_［7］。

3 整車控制器硬件系統(tǒng)功能驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室控制器硬件功能調(diào)試

功能調(diào)試的內(nèi)容如下：

1）上電后，檢測(cè)電源模塊電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2）通過(guò)BDM接口向MCU燒寫(xiě)程序，控制MCU其中一個(gè)I/O接口，測(cè)試MCU功能完好性及基本運(yùn)行情況。

3）編寫(xiě)程序，進(jìn)行CAN通訊調(diào)試，檢驗(yàn)CAN通訊模塊能否正常通訊。

4）編寫(xiě)MCU底層驅(qū)動(dòng)程序，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM模塊、PIT中斷功能以及I/O模塊。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：MCU性能完好，各模塊能進(jìn)行正常工作。

3.2 硬件在環(huán)仿真測(cè)試

由于傳統(tǒng)的離線仿真的諸多局限性，采用硬件再環(huán)仿真來(lái)檢測(cè)開(kāi)發(fā)的HCU。將dSPACE與HCU連接，dSPACE向HCU發(fā)送仿真數(shù)據(jù)，HCU則將仿真得到的結(jié)果進(jìn)行分析處理后反饋，然后由軟件或人工對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而判斷HCU的運(yùn)行情況。

硬件在環(huán)仿真過(guò)程（圖5）采用CAN總線來(lái)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。整車控制器采集發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電容及整車發(fā)出的報(bào)文，通過(guò)分析處理，回饋油門開(kāi)度、電機(jī)期望扭矩、期望發(fā)電電流到整車，并實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)在環(huán)仿真。

表1中，幀OxOc02ala7是HCU向整車模型發(fā)送控制指令；幀 Ox1818ala4、Ox00f00350、Ox-Oc19a7a6是整車模型向HCU發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)。［8］

表1 CAN總線部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6反應(yīng)了車速與超級(jí)電容電流、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、擋位信號(hào)和油門開(kāi)度的關(guān)系。如圖6a所示，當(dāng)車子制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容充電至飽和狀態(tài)；加速時(shí)，超級(jí)電容放電，電機(jī)產(chǎn)生工作電流。如圖6b～d所示，當(dāng)車子減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和油門開(kāi)度為零，并且擋位逐級(jí)降擋；當(dāng)車子加速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供扭矩，擋位逐級(jí)升擋。

HL仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，HCU硬件系統(tǒng)運(yùn)行良好，HEV仿真模型與實(shí)際HCU之間的信號(hào)能夠正常通信且通信完全符合信號(hào)通信協(xié)議。

4 結(jié) 論

所研制的整車控制器用于混合動(dòng)力公交車，不僅實(shí)現(xiàn)了所需功能，而且具有良好的工程實(shí)用性。模塊化設(shè)計(jì)方法降低了成本、縮短了研發(fā)周期，有利于硬件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，為HCU的平臺(tái)化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。通過(guò)硬件在環(huán)仿真測(cè)試證明：HCU的硬件和底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)符合既定的設(shè)計(jì)要求，又能夠準(zhǔn)確及時(shí)地采集輸入信號(hào)和輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整車控制功能。

［1］潘 凱，張俊智，甘海云，等.基于 MPC555的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車整車控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.汽車工程，2005，27（1）：20-23.

［2］宋君花，唐航波，敖國(guó)強(qiáng)，等.混合動(dòng)力汽車整車控制器硬件電路與CAN總線通信的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)［J］.汽車工程，2007，29（7）：590-593.

［3］王宜懷，劉曉升，范仲祥，等.嵌入式系統(tǒng)：使用HCS12微控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2008：21.

［4］張勁博.純電動(dòng)客車整車控制器研究［D］.吉林：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2008.

［5］郭孔輝，靳 鵬，張建偉.基于 MC9S12DP256的燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器硬件研制 ［J］.嵌入式技術(shù)，2007（6）：28-30.

［6］王幸之，王 雷，翟 成，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000：13.

［7］汪勝聰，滕 勤，左承基.綜述單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，1（144）：7-9.

［8］袁銀南，王 忠，錢恒榮，等.ISG混合動(dòng)力汽車整車控制器的設(shè)計(jì)［J］.汽車工程，2009，31（7）：601-605.

Design and Hardware-simulation of Vehicle Control Unit for Hybrid Electric Bus

Zhang Jian,Jiang Hao,Wang Xiuman,Zhang Hui
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A control unit was designed for a parallel hybrid electric bus based on the characteristic and working principle of MCU and the method of electromagnetic compatibility design.The performance of the system was testified by hardware-in-the-loop simulations.The simulation results show that the HCU has good stability and reliability and meets the requirements of the vehicle control.

HEV；vehicle control unit；MC9S12XD512；electromagnetic compatibility

U469.72

A

1008-5483（2010）04-0005-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.002

2010-11-15

張 建（1985-），男，河南固始人，碩士生，從事電動(dòng)汽車技術(shù)研究。