一種新能源汽車旋鈕開關的設計

陳雪華，龐 鑫

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司產品工程技術中心，湖南 長沙 410000）

隨著汽車智能化、電氣化程度不斷增加，汽車電器件之間存在不同信號的交互，如電源、CAN總線、LIN總線、高低電平信號、傳感器信號等。近年來，旋鈕開關在汽車上也被廣泛使用，這些旋鈕開關區(qū)別于傳統(tǒng)電阻式電位計，其內部構造完全數(shù)字化并使用光學技術。從汽車線束角度分析，傳統(tǒng)的開關大多以硬線方式輸出，開關與其他模塊之間的連線復雜。在汽車使用過程中，線束連接問題也成為組合開關品質問題中主要的一種失效模式。同時在信號采集過程中，模塊不匹配的問題也是造成開關功能失效的重要原因之一。而帶芯片的旋鈕開關可在CAN總線或者LIN總線上與其他模塊進行信息交互，連接線束相對簡單明了且一般帶有診斷功能，一旦出現(xiàn)故障會及時在總線上報送。在某新能源車型開發(fā)階段，因新能源節(jié)能需求，新增開發(fā)一個旋鈕開關用來選擇車輛模式，不同模式匹配不同的動能以達到節(jié)約能源的目的。

1 設計需求

1.1 功能需求

要求通過旋轉旋鈕開關選擇4種車輛運行模式：混動模式、純電模式、電量保持模式和運動模式。旋轉旋鈕需支持連續(xù)旋轉且每個旋轉位置是穩(wěn)定的。每種模式均在旋鈕開關上有指示圖形，同時旋鈕開關要具備模式背光指示燈，用以顯示當前選擇的模式。要求旋鈕開關具有低電流電路且作為LIN總線的從節(jié)點。旋鈕開關應將旋鈕信號緩沖到10個（TBC）止動點，并根據(jù)LIN計劃周期發(fā)送旋鈕狀態(tài)。旋鈕信號提供的是旋鈕當前狀態(tài)，而不是實際位置，如表1所示。旋鈕開關的故障狀態(tài)（無法檢測到位置等）由LIN消息發(fā)出信號（信號不可用）。如果發(fā)生物理故障，要求旋鈕開關通過發(fā)送SNA來處理內部故障。如果車輛LIN不可操作，或者旋鈕開關失去了與車身模塊的通信，失去了與電源/搭鐵的連接，則旋鈕開關應關閉指示燈LED。同時旋鈕應滿足人機工程學，確保使用的舒適性和良好的外觀設計，旋鈕結構需包含插接件、外殼、邊框、旋鈕、旋鈕上的鍍鉻條、導光條等。

表1 驅動式旋轉管理

1.2 關鍵技術

根據(jù)功能需求選擇了Renesas的8位單片機微控制器UPD78F0512，該芯片支持LIN通信和PWM輸出等，如圖1所示。利用光柵傳感器通過光學原理來判斷旋鈕的狀態(tài)。光柵傳感器由發(fā)光器和接收器組成，發(fā)光器發(fā)出的光直射到接收器形成光幕系統(tǒng)，首先一個發(fā)光器通道發(fā)出光脈沖而對應的接收器同時來尋找該脈沖，當找到后即完成一個通道的掃描，接著轉向下一個通道，直到所有的掃描都完成。當一個周期掃描完成后，系統(tǒng)記錄哪些通道通光，哪些通道被遮擋，根據(jù)系統(tǒng)定義輸出一個信號，該信號可以是模擬量信號、開關量信號，也可以是RS485通信信號。

圖1 電氣框圖

2 設計驗證

2.1 問題驗證

旋鈕開關開發(fā)過程中完成了相應的設計驗證和零件產線驗證，驗證結果都是OK的。按照流程該旋鈕開關需在試制車輛上完成下線電檢和功能驗證。在車輛試制過程中，路試測試員發(fā)現(xiàn)旋轉該旋鈕開關進行擋位切換時，儀表盤提示“旋鈕不可用，需維修”，且地形選擇開關面板上對應擋位指示燈都不亮，再次上電，儀表盤上發(fā)動機故障燈亮。當問題發(fā)生時，測試員對車輛進行了檢查，使用LIN設備連接OBD口，檢測到整車上的新能源控制模塊報故障碼。

2.2 問題分析

對測試中發(fā)現(xiàn)的問題工程團隊展開了系統(tǒng)分析，首先從故障碼入手，新能源控制模塊所報的故障碼指示旋鈕開關和新能源控制模塊通信故障。要解析故障發(fā)生時旋鈕開關和新能源控制模塊出現(xiàn)通信故障的原因，則需要獲得更多的信息。匯總故障發(fā)生前的工況以及操作手法，試驗臺架上復現(xiàn)出了該故障現(xiàn)象。為了鎖定問題，工程師又對旋鈕開關進行ABA交互驗證，仍然可以復現(xiàn)該問題，排除旋鈕單件故障。最后嘗試在不同臺架上驗證，也能復現(xiàn)出該問題，排除連接線束的問題。在臺架上采集到問題發(fā)生時的LIN總線數(shù)據(jù)。通過log分析得出，在故障出現(xiàn)時，旋鈕開關在LIN總線上發(fā)送SNA信號給新能源控制模塊，新能源控制模塊持續(xù)2.5s收到SNA信號后，反饋給旋鈕開關的信號為旋鈕4個指示燈均不亮（符合設計需求），log數(shù)據(jù)分析如圖2所示。

圖2 log數(shù)據(jù)分析圖

從旋鈕開關結構和工作原理上著手分析旋鈕開關在總線上發(fā)送SNA的原因。旋鈕結構如圖3所示，旋鈕開關大致由帶齒輪的球形把手、外殼、彈簧柱、電路板以及電路板上的光柵傳感器組成。傳感器有2個接收端，接收端1和接收端2。其中彈簧柱是固定在外殼上的，當旋轉球形把手時，把手上的波浪線接觸面將從彈簧柱上通過，對應把手上的機械齒將會依次從光柵傳感器的2個接收端通過。根據(jù)光柵傳感器的光學原理，當光柵接收端從未遮擋到被遮擋時將會產生一個上升沿脈沖，反之將產生一個下降沿脈沖。旋鈕模塊根據(jù)光柵傳感器的脈沖信號判斷，當機械齒先經(jīng)過接收端1再經(jīng)過接收端2為正轉，反之為反轉。當旋鈕停下時，若機械齒全部遮擋住光柵的2個接收端，2個接收端的電壓均為5V左右，若機械齒全部不遮擋2個接收端，2個接收端的電壓均為0V左右。以上兩種情況都是正常工作狀態(tài)。當傳感器的一個接收端被擋住，該接收端的電壓為5V左右，另一個接收端未被擋住時，該接收端的電壓為0V左右，此時2個接收端的電壓就不一致，旋鈕開關將認為是錯誤狀態(tài)，在LIN總線上發(fā)送SNA信號報錯。

圖3 旋鈕結構圖

圖4是旋鈕開關旋轉時在LIN總線上發(fā)送信號的示意圖。若此時旋鈕指示燈顯示ELECTRIC模式，旋鈕向左旋轉，旋鈕開關將在LIN總線上發(fā)送信號請求HYBRID模式，新能源控制模塊收到這個信號后在LIN總線上發(fā)送HYBRID模式，旋鈕指示燈HYBRID亮；旋鈕向右旋轉，旋鈕開關將在LIN總線上發(fā)送E-SAVE模式請求，新能源控制模塊收到這個信號后在LIN總線上發(fā)送E-SAVE模式，旋鈕指示燈E-SAVE亮。

圖4 旋鈕信息交互示意圖

為了驗證問題發(fā)生時旋鈕光柵傳感器2個接收端的電壓狀態(tài)，則在電路板上引出光柵接收器兩端的物理信號，并在故障發(fā)生時的旋鈕上做上標記。經(jīng)示波器測量，如圖5所示，一端最大電平為5.0523V，另一端最大電平為-115.1mV，光柵兩端的電壓不一致，故在總線上發(fā)送SNA信號。拆下零件后，發(fā)現(xiàn)開關旋鈕的機械齒停在光柵2個接收端之間的位置，2個接收端一個被遮擋，一個未被遮擋。該現(xiàn)象正是對上文所述的驗證，不難發(fā)現(xiàn)，問題發(fā)生時，地形選擇開關的軟件邏輯層面是符合設計的。

圖5 光柵電壓測量圖

3 設計改善

導致問題出現(xiàn)的根本原因是旋鈕上的彈簧柱停留在球形把手波浪線的波峰上，此時機械齒只遮擋傳感器的一個接收端，使得光柵兩接收端的電壓不一致。正常旋動旋鈕時，彈簧柱停留在球形把手波浪線的波谷上，對應的機械齒全部擋住光柵傳感器2個接收端，或者全部不遮擋光柵傳感器的2個接收端。怎樣才能讓旋鈕停下來時彈簧柱不停留在波浪線的波峰上呢？經(jīng)過分析，針對根本原因初步擬定兩個機械結構改善方案及一個軟件改善方案。

1）方案1，移動光柵傳感器在PCB上的位置。使旋鈕球形把手上的波峰、波谷以及中心線與光柵傳感器的中心線錯開，避免光柵出現(xiàn)一個被遮擋，另一個不被遮擋的情況。但該方案有一個風險，即改動光柵位置會對正常信號輸出有影響且會導致模式切換有延遲，信號與手感不匹配。

2）方案2，更改球形把手波浪線接觸面的設計尺寸。如圖6所示，將旋鈕球形把手上標注處的波浪線波峰的R角減小，由目前設計的R6mm更改為R2mm，另外在高度方向增加0.121mm。此改動目的是使波浪線的波峰更陡峭、更尖銳，使得彈簧柱停留在球形把手波峰的難度更高，時間更短，也即減小光柵接收端被遮擋不一致的概率。

圖6 結構改善示意圖

3）方案3，為了減少對使用者的困擾，還可以從軟件層面進行優(yōu)化。當新能源控制模塊收到ESBM旋鈕在LIN總線發(fā)送的SNA后，將給儀表發(fā)送一個“請將旋鈕旋至正確擋位”的提示，且反饋給旋鈕一種默認的模式，同時新能源控制模塊也不再點亮發(fā)動機故障燈。此方案未從根本上解決這個問題，僅可作為一個挽回措施。同時這個方案有一個風險，當ESBM旋鈕由于其他故障原因在LIN總線上發(fā)送SNA時，將不會被區(qū)分處理。

綜合考慮3個方案的優(yōu)缺點并結合改動成本以及改善周期，選擇了方案2。更改設計參數(shù)并修改模具，改變旋鈕球形把手上波浪線的波峰值。對修模后的零件進行相應的驗證，旋轉力和手感曲線都滿足設計。再用上述試制車所用的測試方法對改善后的零件進行反復驗證，未能復現(xiàn)出故障現(xiàn)象。驗證過程中的旋鈕開關問題得到解決，該新能源車也順利量產，為客戶節(jié)約了能源，同時也帶來了良好的駕駛體驗。

4 結束語

本文根據(jù)某新能源車上全新旋鈕開關的開發(fā)需求，結合旋鈕開關的關鍵技術，設計出旋鈕開關零件，并展開設計驗證、生產線驗證以及整車驗證。針對在驗證過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時提出改善方案，確保該新能源車順利量產。