基于MC9S12DP256的燃料電池電動汽車整車控制器設(shè)計方案

燃料電池電動汽車整車控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號，并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件控制器的動作，驅(qū)動汽車正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著整車性能。

燃料電池電動汽車整車控制器的研制是“十五”期間國家電動汽車重大專項的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對于搶占新一代電動汽車制高點、促進我國汽車工業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要意義。

1燃料電池電動汽車結(jié)構(gòu)

燃料電池電動汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、車輪等部件組成，各部件通過CAN（ControllerAreaNetwork）總線組成一個分布式控制系統(tǒng)。燃料電池電動汽車采用主輔雙動力源形式：燃料電池作為主動力源，提供汽車行駛的主要動力；鎳氫蓄電池組是輔助動力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。

　　
2整車控制器硬件功能電路設(shè)計

2.1整車控制器功能需求分析

整車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，它在汽車行駛過程中執(zhí)行多項任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛期望行駛。（2）與電機、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進行可靠通訊，通過CAN總線（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。（4）系統(tǒng)故障的判斷和存儲，動態(tài)檢測系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。（5）對整車具有保護功能，視故障的類別對整車進行分級保護，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機及切斷母線高壓系統(tǒng)。（6）協(xié)調(diào)管理車上其他電器設(shè)備。

針對整車控制器的各項具體功能，進行了如圖2所示的硬件設(shè)計整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個功能電路的設(shè)計。

2.2MCU的選擇

MCU是整車控制器的核心，它負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運算以及控制的實現(xiàn)等，MCU的選取是整個硬件設(shè)計過程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機　　MC9S12DP256，在運算能力、存儲空間、數(shù)字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現(xiàn)，并具有較高的性價比，使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。

這款單片機具有預(yù)算能力強、存儲空間大、接口資源豐富等諸多特點：
　?。?）采用STAR12CPU，核心運算能力可以達到50MHz，總線速度可以達到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運算速度得到很大提高。
　　（2）片內(nèi)集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要求。
　?。?）諸多對外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線接口、49個獨立數(shù)字I/O口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

2.3VCU硬件電路設(shè)計

整車控制器是一個多輸入、多輸出、數(shù)模電路共存的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個功能電路相對獨立。因此，按照模塊化思想設(shè)計了硬件系統(tǒng)的各個模塊，主要包括：最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數(shù)模輸入輸出模塊。

2.3.1電源模塊

整車控制器的供電電源來自燃料電池電動汽車的鎳氫蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋12V。汽車在運行過程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩(wěn)定，波動非常大，高壓時可達到＋17V，低壓時只有＋9V。電源電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致整車控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計過程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設(shè)計時使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩(wěn)壓作用，并具有短路、過壓、過流及溫度過載保護等功能。通過使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。

2.3.2CAN通訊模塊

由于MC9S12DP256片內(nèi)集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設(shè)計的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個溫度保護電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點的溫度超過大約165℃時，會斷開與發(fā)送器的連接（當(dāng)總線短路時，更需此溫度保護電路）［2］。

為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當(dāng)總線上有多個CAN節(jié)點時，可實現(xiàn)各CAN節(jié)點間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：
　?。?）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護TJA1040免受過流的沖擊。
　　（2）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。
　?。?）在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負電壓時，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。

2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

在燃料電池電動汽車運行過程中，整車控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車輛的啟動/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開等信號，即數(shù)字量的輸出。為保證信號穩(wěn)定可靠，整車控制器置有四路數(shù)字量輸出，并且都大于50mA。設(shè)計時采用了繼電器方式的開關(guān)量輸出，該方式是目前最常用的一種輸出方式。所采用的繼電器芯片是Infineon公司的BTS824R，其特點如下［3］：
　?。?）寬電壓范圍輸入，兼容CMOS和TTL電平。
　　（2）加強型電磁兼容設(shè)計。
　?。?）自帶短路保護，過載保護，ESD保護。
　?。?）自帶過溫切斷保護。

整車控制器在發(fā)出開和關(guān)信號的同時，也在接收相應(yīng)的數(shù)字信號。在主芯片MC9S12DP256和外面信號之間采用高速光耦HCPL-0630連接的方式實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以及信號隔離。

燃料電池電動汽車整車控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號，并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件控制器的動作，驅(qū)動汽車正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著整車性能。

燃料電池電動汽車整車控制器的研制是“十五”期間國家電動汽車重大專項的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對于搶占新一代電動汽車制高點、促進我國汽車工業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要意義。

1燃料電池電動汽車結(jié)構(gòu)

燃料電池電動汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、車輪等部件組成，各部件通過CAN（ControllerAreaNetwork）總線組成一個分布式控制系統(tǒng)。燃料電池電動汽車采用主輔雙動力源形式：燃料電池作為主動力源，提供汽車行駛的主要動力；鎳氫蓄電池組是輔助動力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。
　　

2整車控制器硬件功能電路設(shè)計

2.1整車控制器功能需求分析

整車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，它在汽車行駛過程中執(zhí)行多項任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛期望行駛。（2）與電機、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進行可靠通訊，通過CAN總線（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。（4）系統(tǒng)故障的判斷和存儲，動態(tài)檢測系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。（5）對整車具有保護功能，視故障的類別對整車進行分級保護，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機及切斷母線高壓系統(tǒng)。（6）協(xié)調(diào)管理車上其他電器設(shè)備。

針對整車控制器的各項具體功能，進行了如圖2所示的硬件設(shè)計整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個功能電路的設(shè)計。

2.2MCU的選擇

MCU是整車控制器的核心，它負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運算以及控制的實現(xiàn)等，MCU的選取是整個硬件設(shè)計過程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機　　MC9S12DP256，在運算能力、存儲空間、數(shù)字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現(xiàn)，并具有較高的性價比，使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。

這款單片機具有預(yù)算能力強、存儲空間大、接口資源豐富等諸多特點［1］：
　?。?）采用STAR12CPU，核心運算能力可以達到50MHz，總線速度可以達到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運算速度得到很大提高。
　?。?）片內(nèi)集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要求。
　?。?）諸多對外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線接口、49個獨立數(shù)字I/O口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

2.3VCU硬件電路設(shè)計

整車控制器是一個多輸入、多輸出、數(shù)模電路共存的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個功能電路相對獨立。因此，按照模塊化思想設(shè)計了硬件系統(tǒng)的各個模塊，主要包括：最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數(shù)模輸入輸出模塊。

2.3.1電源模塊

整車控制器的供電電源來自燃料電池電動汽車的鎳氫蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋12V。汽車在運行過程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩(wěn)定，波動非常大，高壓時可達到＋17V，低壓時只有＋9V。電源電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致整車控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計過程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設(shè)計時使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩(wěn)壓作用，并具有短路、過壓、過流及溫度過載保護等功能。通過使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。

2.3.2CAN通訊模塊

由于MC9S12DP256片內(nèi)集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設(shè)計的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個溫度保護電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點的溫度超過大約165℃時，會斷開與發(fā)送器的連接（當(dāng)總線短路時，更需此溫度保護電路）［2］。

為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當(dāng)總線上有多個CAN節(jié)點時，可實現(xiàn)各CAN節(jié)點間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：
　?。?）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護TJA1040免受過流的沖擊。
　?。?）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。
　?。?）在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負電壓時，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。

2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

在燃料電池電動汽車運行過程中，整車控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車輛的啟動/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開等信號，即數(shù)字量的輸出。為保證信號穩(wěn)定可靠，整車控制器置有四路數(shù)字量輸出，并且都大于50mA。設(shè)計時采用了繼電器方式的開關(guān)量輸出，該方式是目前最常用的一種輸出方式。所采用的繼電器芯片是Infineon公司的BTS824R，其特點如下［3］：
　?。?）寬電壓范圍輸入，兼容CMOS和TTL電平。
　?。?）加強型電磁兼容設(shè)計。
　?。?）自帶短路保護，過載保護，ESD保護。
　?。?）自帶過溫切斷保護。

整車控制器在發(fā)出開和關(guān)信號的同時，也在接收相應(yīng)的數(shù)字信號。在主芯片MC9S12DP256和外面信號之間采用高速光耦HCPL-0630連接的方式實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以及信號隔離。

3整車控制器可靠性設(shè)計及測試

整車控制器在功能完善的基礎(chǔ)上，可靠性是其質(zhì)量好壞的主要技術(shù)指標(biāo)。在燃料電池電動汽車整車控制器的工作環(huán)境中，電機、變頻器和鎳氫蓄電池組傳輸?shù)哪妇€電流變化較大（特別是當(dāng)變頻器進行高頻調(diào)制時），產(chǎn)生的空間電磁干擾很強；另外，其工作空間的溫度變化范圍廣、振動強度大。以上種種不利因素對整車控制器可能造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面：
　?。?）數(shù)據(jù)采集誤差加大。
　　（2）控制狀態(tài)失靈。
　　（3）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。
　　（4）程序運行失常。

為保證整車控制器運行正常，此次的可靠性設(shè)計采用了元器件級可靠性設(shè)計和系統(tǒng)級可靠性設(shè)計相結(jié)合的方法，具體表現(xiàn)在：芯片的溫度范圍控制、部件的冗余設(shè)計、系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計等。

3.1芯片的溫度范圍

在整車控制器的設(shè)計中，絕大多數(shù)芯片溫度范圍是汽車級（-40℃～+125℃），其他極少數(shù)芯片因為價格原因選擇工業(yè)級（-40℃～+85℃）。

3.2冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是指通過在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增加冗余資源來減小故障造成的影響，或?qū)⒐收细綦x并校正錯誤，使得系統(tǒng)即使發(fā)生了故障或差錯，其功能仍不受影響的技術(shù)［4］。本冗余設(shè)計采用增加功能電路的數(shù)量來實現(xiàn)，整體冗余量達50%以上，如表1所示。

　　
3.3電磁兼容性設(shè)計

由于整車控制器應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，干擾嚴重，存在多種噪聲和耦合方式，所以電磁兼容性設(shè)計在所有可靠性設(shè)計中占有很重要的地位。設(shè)計中采取了濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)等抗干擾技術(shù)［5］［6］，具體如下：
　?。?）選用集成度高的元器件?？梢越档碗娐钒逶骷臄?shù)目，使電路板布局簡單，減少焊盤和連線，因而可以大大減少受干擾的概率，增加電路板的抗干擾能力。
　?。?）加粗電源線和地線，數(shù)據(jù)線、地址線及控制線盡量短，以減少對地電容。
　?。?）數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)布置，并加入濾波和去耦電路。
　?。?）采用四層電路板的設(shè)計。相對于兩層板而言，有獨立的地平面和電源平面，并且信號線和地線間距可以很緊密，因此能有效減小共模阻抗和感性耦合。
　　（5）采用敷銅技術(shù)。既減小回路面積（因而減小了輻射），又可以減小導(dǎo)線之間的串?dāng)_。

3.4可靠性測試

吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室對所開發(fā)設(shè)計的整車控制器做了初步的可靠性測試。測試過程如下：
　?。?）高低溫測試：在低溫-25℃、高溫125℃中分別保持6個小時。
　?。?）振動測試：掃描頻率范圍17～200Hz，最大振幅0.78mm，在60～200Hz時加速度50，一次掃描時間15min。
　?。?）電磁兼容性測試：利用實車簡單模擬各種汽車電磁干擾工況，做初步測試。

在整個測試過程中，整車控制器工作正常，未出現(xiàn)復(fù)位現(xiàn)象，各功能模塊發(fā)送、接收數(shù)據(jù)正常。在振動測試時，元器件無脫落及損壞現(xiàn)象。

4整車臺架試驗

在進行了可靠性測試之后，將整車控制器與燃料電池及其控制器、電機及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器等部件連接在一起，實現(xiàn)了整個燃料電池電動汽車的動力總成試驗臺架。在臺架上做了以下的試驗：
　　（1）通信聯(lián)調(diào)試驗：控制系統(tǒng)CAN通訊試驗；數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的信號采集。
　?。?）整車控制器控制邏輯試驗：按照與實際車輛相同的駕駛模式，重點進行加速模式、啟車模式、充電模式、再生制動模式、動力蓄電池充電模式、巡航行駛模式的控制邏輯單模式調(diào)試。
　　（3）整車控制器控制報警試驗。
　　（4）整車控制器控制模式切換試驗：重點考核各種控制模式間的切換。

在整個臺架試驗測試過程中，整車控制器運行穩(wěn)定，各功能模塊按照指定程序完成任務(wù)，未出現(xiàn)復(fù)位及數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。圖3是試驗過程中采集的踏板開度信號，所采集的信號連續(xù)完整。整車控制器不僅在功能上實現(xiàn)了既定目標(biāo)，而且在可靠性方面也達到了標(biāo)準(zhǔn)。

　　
所研制的用于燃料電池電動汽車的整車控制器，不僅實現(xiàn)了所需功能，而且具有良好的可靠性和工程實用性。其中一些重要電路模塊的設(shè)計以及系統(tǒng)可靠性設(shè)計所采用的方法，為今后各類電動汽車控制器的開發(fā)起到了奠基工作。