非乘用純電動汽車電源控制器的硬件設計

李鵬偉 馮婧 馮曉姍 王新潔 袁月

摘 要：本文主要研究了非乘用純電動汽車電源控制器的硬件設計，目的是采用電源控制器實現(xiàn)整車電源控制及相關電控單元的協(xié)調(diào)控制，主要功能有動力電池供電控制、駕駛?cè)艘鈭D判斷處理、與其他控制器通信、故障處理及響應等。可靠的電源控制器可以解決非乘用純電動汽車線束復雜、可靠性差、故障率高等問題。

關鍵詞：電動汽車；電源控制器；硬件

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：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)能減排為重要目標的新能源汽車技術不斷取得突破。純電動汽車、混合動力汽車等類型多樣，非乘用純電動汽車發(fā)展市場廣闊。隨著“三電”技術的快速發(fā)展，電機控制器、電池管理器、DC-DC等電氣設備通常需要由整車控制器或整車控制單元（VCU）對各控制單元進行協(xié)調(diào)控制[1]。純電動汽車整車控制是系統(tǒng)以VCU為核心部件，電池、電機及充電系統(tǒng)為外圍輔助系統(tǒng)的一套完整的電控系統(tǒng)[2]。非乘用純電動汽車應用廣泛，普遍應用于警用巡邏車、旅游觀光車、老年代步車等。非乘用純電動汽車的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相對簡單，很多車輛沒有整車控制器，因此線束較為復雜，可靠性低，故障率高。本文研究的電動汽車電源控制器采用意法半導體公司出品的32位ARM微控制器控制，能實現(xiàn)整車控制器的基本功能，使車輛線束減少，可靠性提高，降低整車故障率和裝機成本。

1 電源控制器的主要功能

本文設計的電源控制器是非乘用純電動汽車的指揮中心，主要功能為：通過采集、分析和處理各種傳感器的模擬信號及各種開關的數(shù)字信號來判斷駕駛?cè)说囊鈭D，向執(zhí)行器驅(qū)動電路發(fā)送控制信號，與車輛其他控制單元通信以協(xié)調(diào)各部分有序工作，存儲各系統(tǒng)的故障信息等?，F(xiàn)在對以下功能進行具體分析。

1.1 驅(qū)動電機控制

市場中現(xiàn)有的非乘用純電動汽車驅(qū)動控制方案較為簡單，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速由單加速踏板位置的傳感器將信號送至電機控制器來控制，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向是由單刀雙擲開關信號送至電機控制器控制或由直流接觸器轉(zhuǎn)換電極控制。對于單電機驅(qū)動的純電動汽車，通常由電機控制器代替整車控制器實現(xiàn)控制功能[3]。本文設計的電源控制器先采集雙加速踏板位置傳感器和制動踏板位置傳感器的信號，經(jīng)過處理后再將控制信號送至電機控制器，以控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使驅(qū)動系統(tǒng)具備安全性和可靠性。

1.2 通信功能

電源控制器設計有兩路CAN網(wǎng)絡通信驅(qū)動電路。CAN網(wǎng)絡通信速度可以靈活配置，主要可以和電機控制器、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

當電源控制器通過接觸器控制電路接通驅(qū)動系統(tǒng)電源后，DC-DC的輸出端應該輸出14V的直流電，給整車提供輔助電源。電源控制器監(jiān)測到該電壓值后即可接通DC-DC的輸出通路。

1.4 故障處理及報警

電池管理單元或絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測到驅(qū)動電池系統(tǒng)存在故障或整車絕緣存在故障時，會通過專用的通道向電源控制器發(fā)送故障信號，由電源控制器根據(jù)安全控制策略做出安全保護響應，包括但不限于斷開接觸器控制電路信號。

1.5 其他驅(qū)動與控制

電源控制器設計了其他驅(qū)動電路和控制電路，通過其他待控電氣設備的控制開關，將開關信號送至電源控制器，由電源控制器判斷后用于控制相應電氣設備的工作，如大燈、雨刮器等。

2 電源控制器的硬件設計

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整車控制器基本類似，主要包括：微控制器、存儲電路、開關量輸入電路、模擬量輸入電路、電源電路、外設驅(qū)動電路和通信驅(qū)動電路等。

2.1 微控制器

本文設計選用意法半導體公司出品的32位ARM微控制器控制，型號為STM32F429VIT6，內(nèi)核為32位Cortex-M4 CPU，主頻高達180MHz，3個12位的ADC，共有24通道，2個12位的DAC，I/O口功能豐富，支持多種通信協(xié)議，比較適合本文的設計。從圖1可知，微控制器處理模擬信號主要通過其內(nèi)部自帶的ADC，處理數(shù)字信號主要通過I/O口的普通信號輸入功能，控制報警、水泵、風扇、接觸器及其他電氣設備主要通過I/O口的普通信號輸出功能，與CAN網(wǎng)絡驅(qū)動電路通過專用引腳連接。

2.2 存儲器

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

2.3 開關量輸入電路

汽車上的開關信號主要是12V電位，開關量輸入電路需要將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，信號會高于微控制器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。對于加速踏板位置的傳感器和制動踏板位置的傳感器，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

整車控制器在實際工作中會出現(xiàn)供電過低或者過高的情況，使整車控制器在欠壓過壓情況下運行[4]。電源電路采用BD9781型穩(wěn)壓芯片，該開關穩(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℃）。其輸出電壓可通過外圍電路設計改變，適應性好。電源電路完全按照數(shù)據(jù)手冊設計，外圍器件的參數(shù)根據(jù)需要可通過技術手冊內(nèi)的計算公式來確定。用該芯片有效實現(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，每個芯片的前后端設計電容濾波即可。

2.6 外設驅(qū)動電路

電源控制器還可以驅(qū)動其他外部設備，如電機、直流接觸器和燈光等。在外設驅(qū)動電路部分，主要采用BTS611L1雙通道高端電源開關，其可作為兩路設備的電源開關，可通過微控制器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)動兩路電機。具體電路接法可參考相關芯片的數(shù)據(jù)手冊。

2.7 通信驅(qū)動電路

CAN網(wǎng)絡是現(xiàn)代汽車控制單元間通信的主流協(xié)議。筆者設計了兩路CAN網(wǎng)絡通信驅(qū)動電路，選用非?？煽康腡JA1050芯片作為網(wǎng)絡驅(qū)動器，無需設計網(wǎng)絡控制器，該功能由微控制器自身實現(xiàn)。兩路CAN網(wǎng)絡驅(qū)動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計

電動汽車在運行時產(chǎn)生的電磁干擾很強，會對控制器造成較大影響，從而導致程序“跑飛”，車輛失控。電磁干擾的三要素是：干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接收器。整車控制器運行的環(huán)境惡劣，因此PCB設計也成為整車控制器開發(fā)的一個非常重要的部分[5]。最基本的干擾抑制技術是屏蔽、濾波和接地[1]。因此，在設計電源控制器時應從這三個方面入手，如合理排布各個元器件的位置，合理設計各元器件之間走線的長短、位置和線徑，模擬的和數(shù)字的分開布設，全板上下對地鋪銅，帶散熱片的SMD貼裝位開通風洞，主要芯片電源分別設計電源濾波電路，殼體采用全封閉金屬殼等。電路電磁兼容性不可忽視，詳細設計方法可以參閱電路設計相關書籍和資料。

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踏板位置傳感器采用雙路采集方式，即兩個傳感器，這種冗余設計的思想貫穿了車輛電控系統(tǒng)設計的諸多方面，是提高系統(tǒng)可靠性的主要方法。

4 硬件測試

全面的測試是保證電源控制器質(zhì)量的必要手段?？刂破鞯臏y試包括單元電路測試和系統(tǒng)集成測試。單元測試主要針對控制器上不同功能模塊的功能進行測試，檢驗信號的完整性、各單元電路的總體耐壓能力及對外驅(qū)動能力等。系統(tǒng)集成測試是在各單元電路的基礎上進行的整機測試，以驗證整機功能的正確性、信號完整性等。詳細的測試方法可以根據(jù)實際電路的設計查閱國標及相應的技術資料。

5 結(jié)語

本文設計了一款非乘用純電動汽車電源控制器，相對于乘用汽車的整車控制器，該電源控制器適應性好、成本低，可以提高非乘用純電動汽車的控制可靠性，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，應加強故障處理電路的設計，使整車電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可以通過簡易的方式找出車輛的故障點，便于維護和維修。

參考文獻：

[1]朱軍.新能源汽車動力系統(tǒng)控制原理及應用[M].上海：上?？茖W技術出版社，2013.

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

[3]張翔.純電動汽車整車控制器進展[J].汽車電器，2011（2）：1-5.

[4]鄧杰，茍小義，宋春華，等.純電動汽車整車控制器測試系統(tǒng)綜述[J].汽車實用技術，2017（18）：105-108.

[5]游運旺.純電動汽車整車控制器硬件電路開發(fā)與設計[J].機電技術，2017（2）：51-53.