纯电动汽车整车控制器硬件设计*

2014-06-24马宇坤郭艳萍翟世欢周能辉

汽车工程师 2014年12期

马宇坤郭艳萍翟世欢周能辉

（天津清源电动车辆有限责任公司）

纯电动汽车是由多个子系统构成的一个复杂系统，各子系统几乎都通过其控制单元（ECU）来完成各自功能和目标。为了满足整车动力性、经济性、安全性和舒适性的目标，各系统还必须彼此协作，优化匹配。因此，必须要有一个整车控制器来管理协调电动汽车中的各个部件。整车控制器通过采集驾驶员的操作信息与汽车状态，进行分析与运算，通过CAN总线对网络信息进行管理和调度，并针对车型的不同配置，进行相应的能量管理，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动回馈控制和网络管理等[1]。

1 功能需求

电动汽车结构框图，如图1所示。

文中整车控制器的硬件设计基于ISO26262标准进行，以达到安全性和可靠性要求[2]。电动汽车的整车通信网络是以整车控制器为主节点，基于CAN或FlexRay总线的分布式动力系统控制网络，通过该网络，整车控制器可以对纯电动汽车动力链的各个环节进行管理、协调和监控，提高整车能量利用效率，确保汽车安全性和可靠性。整车控制器的主要功能如下。

1）控制策略的实现：执行整车控制策略，完成对电动汽车的运行控制；

2）网络管理：监控通信网络，进行信息调度，负责信息汇总，对外部监控设备起到网关的作用；

3）故障诊断处理：诊断控制器内部电路、模块及软件、传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相应的故障处理，按照标准格式存储故障码；

4）在线配置和维护：通过车载标准CCP协议，进行控制参数修改、匹配标定、功能配置、监控及基于标准接口的调试等。

2 硬件架构

整车控制器的整体硬件框图，如图2所示。

从功能上可以把整车控制器分为5个模块。

1）微控制器模块：本设计的主控制芯片选用TC1782，是整车控制器的控制核心，包括主控制芯片（微控制器）及其外围电路，负责数据的运算及处理，也是控制方法实现的载体；

2）电源模块：为各输入和输出模块提供电源，并对蓄电池电压进行监控，与微控制器相连；

3）信号处理模块：用于模拟和数字量输入信号的调理，包括模拟量信号处理和数字量信号处理，其一端与传感器或开关相连，另一端与微控制器相接；

4）功率驱动模块：用于驱动多个继电器或系统状态指示灯，包括低端驱动和PWM驱动两部分，与微控制器通过I/O相连，另一端与被控继电器（低端驱动）或指示灯（PWM驱动）相接，微处理器可通过SPI总线进行故障诊断；

5）通讯模块：整车控制器与其他设备相连的接口，包括两路CAN总线、一路FlexRay总线、一路LIN总线及一路RS232总线，其中CAN总线是整车控制器最重要的对外通讯接口。

3 各功能模块电路设计

3.1 微控制器模块

微控制器模块是满足TC1782能够正常工作的最小系统，即微控制器及其外围电路。外围电路包括晶振和JTAG等满足微控制器仿真与编程等基本工作必须的基础电路。

3.2 电源模块

电源模块是ECU的核心模块，它直接关系到整个ECU的正常工作情况。汽车内部电控单元众多，彼此一起构成了一个复杂的电子环境。电动汽车运行时的电源环境对电控单元来说非常苛刻。以12V电源系统为例，其必须能在6～16V的电压范围内正常工作，而且还要应对汽车冷启动、感性负载关断时产生的浪涌电压干扰、大负载开启时的电压跌落及电源反接等电源线的传导干扰，以及外界环境带来的电磁辐射等干扰。为了保证系统的可靠性，电源模块的设计必须满足相应的指标。

电源模块还应该提供电源为外部传感器供电，以保证当外部传感器电源短路时控制系统还能正常工作，保证系统的安全可靠。因此在整车控制器的电源模块设计中，选择了DC/DC控制芯片TLE7368作为电源控制芯片，其应用电路原理图，如图3所示。

TLE7368控制芯片通过DC/DC预变换电路输出5.5 V电压给外部传感器供电，这样大大减少了系统的功耗，还可以通过C836控制上电复位的时间。同时电路设计中通过钥匙开关和充电开关信号来控制TLE7368的输出，当钥匙关闭后整个系统处于低功耗的休眠模式，这样能够保证启动或关闭时对电源的影响最小。TLE7368片内集成了两路传感器供电电源，并带有电流限制，当出现短路时，系统可以自诊断，保证了整个控制系统本身的安全性。

3.3 通讯模块（CAN总线）

CAN总线（2.0A/B）以其极高的可靠性和稳定性在汽车上得到广泛应用。本设计中使用的TC1782带有3个CAN通讯模块且使用方便，故只需添加必要的外围收发接口电路就能完成相应设计。由于单片机采用3.3 V系统，所以用TLE6250GV33作为CAN总线的收发接口，采用完善的共模及差模滤波电路设计，并利用D200进行ESD保护。

整车控制器中有一路CAN通讯采取隔离设计，通过光耦实现并依靠DC/DC电源供电。整个系统的CAN通讯设计原理，如图4所示。

3.4 信号处理模块

信号处理模块是整车控制器对外的模拟量和数字量接口，是对整车实施控制的基础，没有正确与可靠的信号输入，再复杂和有效的控制策略也不可能得到良好的控制结果，同时所有的输入信号都有可能会引入各种的故障和干扰，为了保护控制单元，模拟量和数字量接口还必须具有故障保护和诊断功能。因此本次模拟量和数字量接口的设计指标是：1）对地、对电源短接保护；2）开路、对地、对电源短接诊断；3）所有的传感器都具有故障时的默认状态；4）ESD保护；5）低通滤波。

为了使控制系统简单且可靠，整车控制器采用RC对模拟量和数字量进行滤波。其应用电路原理图，如图5所示。当电压超过设定值时，通过二极管进行嵌位，从而保护TC1782不受损害。

3.5 功率驱动模块

功率驱动主要是继电器的驱动，本设计中整车控制器需要18路的驱动输出，均采用低端控制形式。

本设计使用芯片TLE8110实现低端驱动功能。TLE8110具有10路输入管脚的直接控制及与SPI组合的并行控制的功能，利用TC1782上的通用IO，能轻松实现整车的电磁阀和继电器的控制功能。当有故障时，芯片会自动检测相应的故障，并保持在故障寄存器中，再利用TC1782上的SPI总线能读取每个通道的故障内容，有利于整个控制系统的故障诊断，利用其reset管脚和SPI指令也能清除故障内容和禁止所有通道的输出，其电路原理图，如图6所示。

芯片TLE7244具有4路输入管脚的直接控制及与SPI组合的并行控制的功能，在本设计中被用来实现PWM驱动功能。利用TC1782上的通用IO和SPI通信，能实现整车的PWM输出和继电器的控制功能。当有故障时，芯片会自动检测相应的故障，并保持在故障寄存器中，再利用TC1782上的SPI总线能读取每个通道的故障内容，有利于整个控制系统的故障诊断，利用其reset管脚和SPI指令也能清除故障内容和禁止所有通道的输出，其电路原理图，如图7所示。

4 可靠性设计

整车控制器作为电动汽车的大脑，必须具有高安全性，整车控制器的硬件设计应该能够满足ISO26262的ASIL-D的安全级别要求，虽然TC1782内部集成有2个处理器，但由于TC1782中的CPU和PCP核是在同一个芯片中，处于相同的环境下，可能会存在相同的故障类型，因而需要第3个安全监控芯片CIC61508来监控TC1782的运行情况。

TC1782监控给安全监控芯片的供电电源是否正确，安全监控芯片监控除自己的供电之外的所有电源是否正确；MCU和安全监控芯片之间通过SPI总线进行通信及一系列的安全监控，包括：1）TC1782的执行代码测试；2）TC1782 的任务执行情况监控；3）TC1782计算数据的比较；4）SPI通信状态的监控。

当系统不正常时，安全监控芯片直接禁止整车控制器的功率输出，同时对TC1782进行复位操作。