纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计

第１期　机电技术　５１　纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计　游运旺　（厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门３６１０００）　摘要：纯电动汽车整车控制器作为纯电动汽车控制系统的核心部件，直接影响着整车的动力性、经济性和可靠　性川。文章阐述了整车控制器的工作原理，介绍了整车控制器的各个模块的功能、电路设计等。　关键词：纯电动；整车控制器；硬件　中图分类号：Ｕ４６３．６１文献标识码：Ａ文章编号ｉ　１６７２—４８０１（２０１７）０１—０５１—０３　Ｄ０Ｉ：１０．１９５０８／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７２—４８０１．２０１７．０１．０１６　近年来，汽车产业作为我国的一个支柱性产　业得到了高速发展，但随着能源的日益枯竭，环境　污染问题的日益严重，传统汽车的发展受到了严　重制约。纯电动汽车作为一种新能源汽车，具有　低噪声，零排放的优点，在节能和环保方面有着广　阔的发展前景；其整车控制器（ＶＣＵ）作为纯电动　力；ＤＣ／ＤＣ将动力电池的高压电转化为低压电，提　供给车载低压设备使用；整车控制器负责采集和　处理信号，控制驱动电机工作，实现整车正常行驶　与制动。　２整车控制器的功能模块组成及工作　原理　２．１工作原理　控制系统的核心部件，负责协调不同电气单元之　间的工作，完成整车控制的功能［２１。本文以厦门金　龙旅行车有限公司开发的整车控制器为例，介绍　了纯电动汽车电控系统组成及工作原理，以及整　整车控制器（ＶＣＵ）作为纯电动汽车的核心部　件，通过读取和处理驾驶员的驾驶操作指令，与电　机驱动系统、电池管理系统（ＢＭｓ）及其它控制单　车控制器各个电路模块的电路设计、工作原理等。　ｌ　纯电动汽车电控系统组成及工作原理　１．１电控系统组成　元进行交互，使车辆按驾驶期望行驶。另外，还可　动态监测系统故障，根据故障的紧急程度作出相　应的保护，例如紧急情况下可切断高压系统以保　证车辆行驶安全等。整车ＣＡＮ通信网络示意图　如图２所示。　充电ＣＡＮ　纯电动汽车电控系统主要由整车控制器　（ＶＣＵ）、驱动电机及其控制器、动力电池及ＢＭＳ、　电转向助力及其控制器、电空压机及其控制器、　ＤＣ／ＤＣ、操控面板等组成，其系统组成如图１所示。　整车ＣＡＮ　内ＣＡＮ　图２整车控制ＣＡＮ通信网络　２．２功能模块组成　图１纯电动汽车电控系统组成框图　整车控制器主要由微控制器模块、电源模块、　开关量输人和输出模块、模拟量输人和输出模块、　频率量的输人和输出模块、ＣＡＮ总线模块、存储模　块等组成。　２．２．１微控制器模块　１．２工作原理　纯电动汽车以动力电池作为全车的动力源，　为各个高压用电设备提供动力。其中：电空压机　为整车提供气源；转向助力泵为整车提供转向助　作者简介：游运旺（１９８３一），男，助理工程师，研究方向：新能源汽车电控设计。　５２　机电技术　２０１７年２月　微控制器（ＭＣｕ）是整车控制器的核心，它负　责信号的采集和处理、逻辑运算以及控制的实现　等。本文选用的是ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５，该芯　片在性价比、功耗、运算能力、存储空间、ＣＡＮ通讯　方面等均有很好的表现，完全可以满足整车控制　器的需要。微控制器模块主要包括：电源电路、时　钟电路、复位电路、存储电路，ＪＴＡＧ接ＥＩ电路等。　１）电源电路：选用的是ＴＰＳ７６７Ｄ３０１一Ｑ１，该芯　片是专业的汽车级芯片，其输人电压为２．７—１０　ｖ，　一路输出固定电压３．３　Ｖ，另一路输出可调电压，　每路最大输出电流为１　Ａｐ】。本文通过降压电路将　２４　Ｖ转换为５　Ｖ，再通过ＴＰＳ７６７Ｄ３０１一Ｑ１将５　Ｖ转　为ＤＳＰ芯片所需的３．３　Ｖ和１．９　Ｖ。　２）时钟电路：ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５时钟频率为　１５０ＭＨｚ，由外部时钟信号通过ＤＳＰ内部的ＰＬＬ倍　频得到。　３）复位电路：为方便调试，增加了复位按钮，　当按下复位按钮后，会产生一个低电平脉冲输入　到ＤＳＰ的复位引脚中。　４）ＪＴＡＧ接口电路：ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５通过ＪＴＡＧ　接口与仿真器连接，实现ＤＳＰ的在线编程和调试。　２．２．２电源模块　通过２路降压电路将２４　Ｖ转换为５　Ｖ，一路５　Ｖ　电源提供给外设部件使用，另一路５　Ｖ电源再经过　降压电路转换为ＤＳＰ芯片所需的３．３　Ｖ和１．９　Ｖ。　在２４　Ｖ转５　Ｖ电路中，选用的是ＴＩ的ＴＰＳ５４３６０一　Ｑ１，该芯片是专业的汽车级芯片，其输入电压为　４．５～６０Ｖ，最大输出电流为３．５　Ａ，输出电压可调；　该芯片配合外围器件，能有效抑制电压突变、波　动、群脉冲干扰等干扰信号，使整车控制器工作在　相对稳定的电磁环境中，从而保证控制器的工作　稳定性。　２．２．３开关量输入模块　纯电动汽车的开关量包括前进挡信号、后退　档信号、停车挡信号、高压急断档信号等。开关量　输入模块可通过电阻Ｒ２６，Ｒ２７，Ｒ２８，Ｒ２９将其设　置为高电平有效和低电平有效输入检测电路，如　图３所示。　２．２．４模拟量输入模块　模拟电压经过分压，滤波后进人ＤＳＰ的ＡＤ口　进行ＡＤ采样，通过齐纳二极管Ｄ２０１对模拟量进　行钳位限幅，防止输入电压值大于ＤＳＰ的３．３Ｖ电　压而烧坏ＤＳＰ的ＡＤＣ模块。电路如图４所示。　吐ｔ２　６　ａ］Ｒ３０：　Ｇ　ＮＩＤ　Ｇ—ＮＤ　图３开关量－输入检测电路　一‘　图４模拟量采集模块电路　２．２．５频率量输入模块　频率量输入模块可采集脉冲信号并进行调　理，输出方波信号以便ＤＳＰ采集。本设计频率信　号由转速传感器采集，通过分压、滤波、整形、钳位　限幅后输入到增强型捕捉单元（ｅＣＡＰ）进行频率　测量，电路如图５所示。　图５频率量输入模块电路　２．２．６开关量输出模块　开关量输出模块主要用于继电器驱动。本设　计低边驱动芯片采用的是英飞凌公司的　ＴＬＥ６２２ＯＧＰ，具有钳位、防短路和防过载功能和故　障反馈功能；高边驱动芯片采用的是英飞凌的　ＢＴＳ７２３ＧＷ，具有短路、过载、过压、过流等保护和　故障诊断反馈功能。　２．２．７模拟量输出模块　模块量输出模块是通过外扩ＤＡ芯片的方式　来实现，芯片选用的是ＭＡＸ５３１２，通过ＳＰＩ与ＤＳＰ　进行通信。本设计模拟输出电压为±１Ｏ　Ｖ。　２．２．８频率量输出模块　ＤＳＰ的增强型脉宽调整器（ｅＰｗＭ），通过低边　控制开关ＴＬＥ６２２０ＧＰ，实现ＰＷＭ输出。在低边开　关ＴＬＥ６２２０ＧＰ中，ＤＳＰ输出的ＰＷＭ信号输出到　ＴＬＥ６２２０ＧＰ的ＩＮ１～ＩＮ４通道，通过ＯＵＴ１～ＯＵＴ４　输出外围电路所需的ＰＷＭ信号。　２．２．９电平转换模块　由于ＤＳＰ芯片的１０口电压为３．３　Ｖ，而很多的　第１期　游运旺：纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计　５３　外部接口电路的输入电压为５　Ｖ，因此需要电平转　２．３　ＰＣＢ设计　换电路来实现两个不同电压之间的转换。本文选　择的是ＴＩ公司的ＳＮ７４ＬＶＣ８Ｔ２４５一Ｑ１；该芯片是　一整车控制器运行的环境恶劣，因此ＰＣＢ设计　也成为了整车控制器开发的一个非常重要部分。　本ＰＣＢ采用４层板结构，以ＤＳＰ为中心进行模块　款汽车级芯片，具有８路电平转换通道，驱动能　力强，并且可根据ＤＩＲ引脚和ＯＥ引脚来设置信号　的传输方向。　２．２．１０　ＣＡＮ总线模块　ＣＡＮ总线模块中，ＣＡＮ收发器采用的ＴＩ公司　的ＳＮ６５ＨＶＤ２３０，通过与ＣＡＮ收发器实现与其他　化设计，同时采用数字地和模拟地分开、单点接地　等设计。　３结束语　本文以厦门金龙旅行车有限公司开发的整车　模块的通信和数据交互，配合共模扼流圈、静电抑　控制器为例，介绍了纯电动汽车的工作原理及功　制器、滤波电容等器件使电路具备良好的抗干扰　能结构，阐述了整车控制器在纯电动汽车控制系　能力　。　统的核心作用，并详细介绍了各个模块的功能及　２．２．１　１存储器模块　电路设计等。整车控制器采用的３２位ＤＳＰ芯片　存储器模块主要用于存储标定的数据和故障　提高了系统的整体性能，电路设计模块化提高了　码，车辆特征参数。本文选用的存储芯片是　系统的标准化设计。经测试，本设计整车控制器　ＭＢ８５Ｒ２５６，ＤＳＰ通过ＳＰＩ总线对存储芯片进行通　不仅实现了所需的功能，而且具有良好的可靠性　信嘲。　和经济性。　参考文献：　【１】童志刚．电动汽车整车控制器设计与应用［Ｊ】．客车技术与研究，２０１３（３）：１．　【２】马宇坤，郭艳萍，翟世欢，等．纯电动汽车整车控制器硬件设计［Ｊ］．汽车工程师，２０１４（１２）：３０－３３．　［３】周鹏，杨会成，查君君，等．基于ＴＰＳ７６７Ｄ３０１的ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５一ＤＳＰ电源低功耗设计［Ｊ］．安徽工程大学学报，２０１２（４）：　５７—６０．　【４】陈育良，许爱强，李文海，等．ＳＮ６５ＨＶＤ２３０型ＣＡＮ总线收发器的原理及应用［Ｊ］．国外电子元器件，２００５（９）：４７－５０．　【５】邱静，汤峰．纯电动客车整车控制器设计及测试［Ｊ】．合肥学院学报：自然科学版，２０１５（２）：５４－５７．　（上接第４５页）　另一组是电机故障状态值与占空比的实验数　５结束语　据（见表５）。由实验数据可知，通过不同的占空比　ＰＷＭ在电机驱动控制系统与汽车ＴＣＭ的通　来表示各种故障状态。　信中起到了桥梁的作用。利用ＰＷＭ，通过改变脉　表５各种故障状态与占空比值的对照表　冲的占空比，可实现汽车ＴＣＭ对电机电流的控　故障状态值　占空比，％　故障状态值　占空比，％　制；同时电机驱动系统又通过ＰＷＭ，发送当前的　过热警告　１０－２　空转、锁住　６０．２　占空比给ＴＣＭ，ＴＣＭ依此信息来判断电机驱动系　低电压警告　２０．２　电压异常　７Ｏ．２　统处于正常运转状态还是故障状态，以及判断处　电机正常停止　３０．１　过热异常　８０．１　于什么故障状态，ＴＣＭ根据故障状态给予相应的　电机正常回转４０．２　Ｄ异常　９０．２　处理，实现了汽车ＴＣＭ对电机的运转控制。　频率异常　５０．２　参考文献：　［１】Ｉ张雄飞，何天明，张献伟．新型混合动力汽车（ＰＨＥＶ）技术简介［Ｊ】．城市车辆，２００８（８）：４４－４５．　［２】朱家琏．混合动力车辆的一个重要发展方￣－ＰＨＥＶ［Ｄ］．北京：清华大学电动车辆研究室，２００６