CN205059307U - 一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器。包括电源、主MCU、辅助MCU、第一信号处理电路、第二信号处理电路、通信模块、功率驱动电路，第一信号处理电路的输出端与主MCU的输入端连接，通信模块、功率驱动电路同时与主MCU的输出端连接，辅助MCU与主MCU连接实现双向通信，第二信号处理电路与辅助MCU的输入端连接,辅助MCU的输出端还与功率驱动电路和通信模块的输入端连接；在工作时，主MCU采集信号并进行计算处理，然后对受控机构输出相应的控制指令，辅助MCU实时采集主MCU的心跳信号；当主MCU出现故障时，由辅助MCU执行主MCU的采集控制过程。本实用新型有效地解决了传统整车控制器在资源，带载能力，安全监测等方面的问题。

Description

一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器

技术领域

本实用新型涉及一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，属于整车控制领域。

背景技术

整车控制器相当于汽车的大脑，它在汽车行驶过程中执行多项任务，具体功能包括：(1)接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶期望行驶；(2)与电机、DC/DC、锂离子电池组等进行可靠通讯，通过CAN总线(以及关键信息的模拟量)进行状态的采集输入及控制指令量的输出；(3)接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息；(4)***故障的判断和存储，动态检测***信息，记录出现的故障；(5)对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以切断母线高压***；(6)协调管理车上其他电器设备。

目前，整车控制器类似方案主要采用两种：(1)16位MCU做主控芯片，***驱动电路使用阻容等分立元件搭建；(2)32位MCU做主控芯片，***驱动电路使用集成芯片。

上述方案具有如下缺点：

(1)应用软件方面多数停留在功能实现，软件诊断功能、整车安全控制策略、监控功能均有待优化和提高。

(2)部分企业能根据V型开发流程(一种软件和产品开发工具)引进相关的设备和软件，普遍使用通用开发工具进行二次开发；现有工具偏重于前期开发，不利于产品的产业化发展，基础数据库不完善，影响整车控制器设计水平。

(3)集成力量比较薄弱，制造能力较差，可靠性和稳定性仍有很大的提升空间。

(4)目前各电动汽车整车企业控制器接口和网络通讯协议定义互不相同，造成控制器之间的通用性和复用性差，不利于控制器的产业化和规模化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，主要解决现有整车控制器接口资源不足，驱动能力差，静态功耗高，安全管理差，错误检测的问题。本实用新型有效地解决了传统整车控制器在资源，带载能力，安全监测等方面的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，包括电源、主MCU、辅助MCU、第一信号处理电路、第二信号处理电路、通信模块、功率驱动电路，第一信号处理电路的输出端与主MCU的输入端连接，通信模块、功率驱动电路同时与主MCU的输出端连接，辅助MCU与主MCU连接实现双向通信，第二信号处理电路与辅助MCU的输入端连接,辅助MCU的输出端还与功率驱动电路和通信模块的输入端连接；

在工作时，主MCU采集信号并进行计算处理，然后对受控机构输出相应的控制指令，辅助MCU实时采集主MCU的心跳信号；当主MCU出现故障时，由辅助MCU执行主MCU的采集控制过程。

具体地，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路均包括用于处理模拟信号的调理电路和用于处理数字信号的电压转换电路，功率驱动电路包括分别输出模拟信号、数字信号、数字信号的数模转换电路、低功率驱动电路、高功率驱动电路。

进一步地，所述通信模块采用CAN总线进行通信。

更进一步地，所述主MCU、辅助MCU与CAN收发器之间采用高速光隔器件4N25。

作为优选，所述主MCU选用了单片机MPC5634，辅助MCU选用单片机MC9S12XEP100。

进一步地，功率驱动电路采用4通道的智能功率开关芯片TLE6220GP。

更进一步地，所述主MCU出现故障时，辅助MCU采集信号，关闭主MCU的CAN收发器，并通过CAN总线与整车CAN网络各个节点进行安全状态下的通信，并且取代主MCU去驱动控制继电器的整车运行。

另外，所述电源由电动汽车的电源经过电源管理模块转换为整车控制器所需的电压，该电源管理模块包括24V转5V和5V转3.3V两个电路。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的辅助MCU的主要功能是故障诊断，辅助MCU采集主MCU的心跳信号实现对主MCU运行状况的监控，在主MCU出现故障的情况下，由辅MCU继续采集信号，在保障车辆安全的情况下，关闭主MCU的CAN收发器，代替主MCU执行安全行驶功能。通过CAN总线与整车CAN网络各个节点进行安全状态下的通信，并且取代主MCU去驱动控制继电器的整车运行，最终保障车辆在整车控制器故障的状态下具有基本的行驶功能，由于辅MCU的主要作用是故障检测和主MCU出现故障情况下的安全行驶功能保障，这样的设计增加了整个***的安全性。

(2)本实用新型具有高性能、高可靠性的整车控制器是实现电动汽车控制的基本保障。本实用新型的硬件设计兼顾功能性和工程性，整车控制器具有良好的电磁兼容性；模块化设计方法降低了成本、缩短了研发周期，有利于硬件设计的标准化、系列化，为整车控制器的平台化设计打下了基础；HILS测试和台架试验表明整车控制器硬件***满足混合动力***要求，并为实车试验做好了前期准备。其中一些重要模块电路的设计以及***可靠性设计所采用的方法，为今后各类电动汽车控制器的开发奠定了基础。

附图说明

图1为纯电动车的***框图。

图2为本实用新型的***框图。

图3为本实用新型-实施例的主MCU的***框图。

图4为本实用新型-实施例双MCU架构图。

图5为本实用新型-实施例电源转换电路图。

图6为本实用新型-实施例低有效开关信号调理电路图。

图7为本实用新型-实施例高有效开关信号调理电路图。

图8为本实用新型-实施例模拟信号调理电路图。

图9为本实用新型-实施例心跳信号处理电路图。

图10为本实用新型-实施例轮速信号采集电路图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

纯电动车的结构如图1所示，它由整车控制器、电机及其电机控制器、动力电池组、电池管理***、变速器、主减速器、辅助***等组成。其中辅助***包括转向电机与转向电机控制器、空调电动机及其空调电动机控制器、制动***、充电机、DCDC等。动力电池组为车辆动力源，为所有设备提供动力。驾驶员通过整车控制***达到对车辆的整体控制。

整车控制器的设计原则和需求分析：整车控制器硬件设计的总体原则是***的安全可靠，参照ISO26262的设计要求，当主MCU发生故障或计算错误的时候，辅助MCU可以对关键执行器进行独立的管断功能，从而起到***的安全监控和保护功能。整车控制器，它在汽车行驶过程中执行多项任务，具体功能包括：驾驶员意图分析；道路工况识别；整车故障分级处理；整车行驶模式控制；跛行；巡航定速功能；剩余里程估算；能力优化管理；安全管理；在线集成标定与监控功能。

实施例

如图2所示，一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，包括电源、主MCU、辅助MCU、第一信号处理电路、第二信号处理电路、通信模块、功率驱动电路。其中，电源为上述所有模块供电，第一信号处理电路的输入端与主MCU的输入端连接，通信模块、功率驱动电路同时与主MCU的输出端连接，辅助MCU与主MCU连接实现双向通信，第二信号处理电路与辅助MCU的输入端连接，辅助MCU的输出端还与功率驱动电路和通信模块的输入端连接。

在本实施例中，如图3所示，第一信号处理电路和第二信号处理电路均包括处理模拟信号的调理电路和处理数字信号的电压转换电路，功率驱动电路包括分别输出模拟信号、数字信号、数字信号的数模转换电路、低功率驱动电路、高功率驱动电路。通信模块输出通信信号。

在本实施例中，通信模块采用CAN总线进行通信。主MCU选用了freescale的32位单片机MPC5634，基于5V供电，此芯片在运算能力、存储空间、数字量、模拟量、输入输出及CAN通信方面均有上乘表现，是汽车电子领域的主流产品。辅助MCU选用freescale的16位单片机MC9S12XEP100。

MCU是整车控制器的核心，它负责数据采集、处理所有的逻辑运算，为了提高控制器的可靠性，本实用新型采用双MCU架构，主MCU负责采集信号并进行计算处理，然后根据控制逻辑对受控机构输出相应的控制指令，从而完成整车控制器预期功能。

在本实施例中，双MCU架构的具体结构如图4所示。

在图4中，第一信号处理电路和第二信号处理电路同时与输入信号连接，这些输入信号包括加速踏板信号、制动踏板信号、档位踏板信号、碰撞开关信号、高压互锁信号、点火开关信号等，这些信号当中，加速踏板信号、制动踏板信号为模拟信号，因此送入调理电路进行处理，其他为数字信号，送入电压转换电路进行处理。辅助MCU与主MCU的输出端同时与功率驱动电路的输入端连接。

辅助MCU与主MCU连接实现双向通信，辅助MCU的主要功能是故障诊断，辅助MCU采集主MCU的心跳信号实现对主MCU运行状况的监控，在主MCU出现故障的情况下，由辅MCU继续采集信号(加速踏板、制动踏板、档位踏板、碰撞开关等)，在保障车辆安全的情况下，关闭主MCU的CAN收发器，代替主MCU执行安全行驶功能。通过CAN总线与整车CAN网络各个节点进行安全状态下的通信，并且取代主MCU去驱动控制水泵、风扇、真空泵等继电器的整车运行，最终保障车辆在整车控制器故障的状态下具有基本的行驶功能。

由于功率驱动电路主要是继电器的驱动，包括水泵继电器、真空泵继电器、风扇继电器、空调机电器、充电继电器，因此在本实施例中，功率驱动电路采用4通道的智能功率开关芯片TLE6220GP，该芯片可同时驱动4路继电器，4路并行驱动能力为1A，单路输出能力为3A，具有过温、过压和短路故障保护功能，故障信息通过SPI总线进行传输。整车工作情况下，主MCU通过TLE6220GP的IN1～IN4对4路继电器进行控制，当辅助MCU检测到主MCU存在故障时，将由辅助MCU通过TLE6220GP的IN1～IN4对4路继电器进行控制，在整个过程中辅助MCU还通过SPI总线读取TLE6220GP的故障信息。由于辅MCU的主要作用是故障检测和主MCU出现故障情况下的安全行驶功能保障，这样的设计增加了整个***的安全性。

在本实施例中，由于纯电动货车的电源为24V，而整车控制器的微处理器等芯片MCU的工作电压为5V或3.3V，因此需要由电源管理模块将24V电源转换为MCU芯片适合的电压，电源管理模块包括24V转5V和5V转3.3V两个电路，整车控制器还要为加速踏板、制动踏板、传感器等提供5V电源，以保证AD转换器的参考垫片和模拟信号输入的参考电平一致。

为保证电压输出的稳定性及良好的抗干扰能力，24V转5V电路采用GM7130芯片，GM7130是一款输出能力为3A的开关电源芯片。采用合理的元器件配置可使GM7130在7～40V直流输入电压下输出精度为正负4％的5V电压。电源必须要求通过静电放电、传导发射、辐射发射等测试。因此，在GM7130的输入输出侧要做到良好的旁路与滤波，滤波电容耐压为50V，以保证承受38V的静电放电测试。对共模电流要采用共模电感进行抑制，增加TVS管吸收浪涌电流。

5V转3.3V电路设计采用线性电源GM6605-3.3芯片。考虑该芯片PWM斩波控制的开关电源，输出级工作主频为40MHz的MCU，输入输出级都对隔离与滤波有较高要求，因此，在输入输出级使用滤波器。

对外提供的5V电源使用汽车级三端稳压器TL431从24V电源平面取电输出。如图5所示。

在本实施例中，第一信号处理电路和第二信号处理电路均要对信号进行采集，这些信号包括模拟信号和数字信号。

(1)数字信号采集

整车控制器的输入信号包括开关信号、模拟信号、脉冲信号。其中开关信号包括高有效和低有效两种，对于开关信号采集，需要满足：对电源和对搭铁的短路保护、MCU高低电平阈值要求、静电和传导干扰防护。低有效开关信号调理电路如图6所示，高有效开关信号调理电路如图7所示。

对于低有效开关信号调理电路，其中，上拉电阻需要满足对电源和对搭铁的短路保护要求；分压电阻需满足单片机对高低电平阈值的要求、电压钳位和单片机注入电流的要求；电容要满足静电和传导干扰的要求。

对于高有效开关信号调理电路，其中，分压电阻需满足单片机对高低电平阈值的要求、电压钳位和单片机注入电流的要求；电容要满足静电和传导干扰的要求。

(2)模拟信号采集

整车控制器的模拟输入信号来自于加速踏板、制动踏板、气压传感器等，电压范围在0～5V之间。这类信号滤波后，为增加驱动能力，一般用电压跟随器进行电压转换后送到MCU的AD口进行A/D转换。模拟信号调理电路如图8所示。

频率信号包括来自电机控制器和电池管理***的心跳信号及4路轮速传感器的轮速信号。心跳信号特性：OC门输出，频率1Hz，如图9所示。

轮速传感器为霍尔性，轮速传感器输出的信号为电流脉冲，轮速信号采集电路如图10所示，R1为采样电阻，将输入电流脉冲转化为电压脉冲。C1位输入滤波电容，T为瞬态抑制二极管，运放输出电压，将输入电压进行放大，74HC14将放大后的电平进行整形，变成单片机可接受的脉冲信号，送入单片机的输入捕获端口。

在本实施例中，电动汽车各控制***之间依靠CAN总线通信，整车控制器是其中一个非常重要的节点单元。由于MPC555片内集成了两个CAN210B总线控制器模块(TouCAN)，所以整车控制器的CAN通信模块不需要添加片外CAN控制器、电路设计较为简单。CAN通信接口采用Philips的PCA82C250。作为CAN收发器，该芯片适合汽车中的高速应用(高达1Mbaud)，可以对总线提供不同的发送能力和对CAN控制器提供不同的接收能力，它符合CAN210标准，完全与“ISO11898”标准兼容。PCA82C250可以承受汽车环境中可能产生的高瞬变电压，具有总线保护瞬变、对电池和地的短路保护、热保护等功能，抗电磁干扰能力强，是专为汽车电子环境设计的芯片。

为了保护***电路、提高抗干扰能力，在MCU与CAN收发器之间采用了高速光隔器件4N25，可以消除CAN总线网络对***的影响。

在本实施例中，在汽车电子环境中整车控制器会面临来自多方面的干扰，包括电源噪声、各种功率执行器产生的瞬变脉冲电压、电磁波信号发射等，这对***的可靠性会产生非常不利的影响。为了提高控制***的工作可靠性和耐久性，就必须在硬件***设计阶段采取相应的措施以提高其抗干扰能力。电磁兼容性已成为汽车电子控制***设计中越来越得到重视的一个问题。整车控制器硬件***对电磁兼容性做了全面考虑，在不同的设计阶段采取了相应的抗干扰措施。

(1)设计安全可靠的电源管理模块

智能电源芯片的使用，以及防反接、稳压、电容滤波及解耦等措施可有效抑制外界电磁干扰，提高电源可靠性。

(2)进行信号调理

通过RC滤波、电容滤波、稳压管稳压等电路，对进出整车控制器的I/O信号进行滤波及稳压调理，滤除信号噪声。

(3)集成电路芯片电源解耦

对集成电路，在芯片的电源和地引脚之间并接大容量钽电容和小容量非电解电容，以去除输入电源耦合噪声，减小干扰。

(4)合理的PCB布局和模块隔离

模拟电路、数字电路以及大功率驱动电路等电路模块互相独立并隔离，避免相互干扰；整车控制器的PCB设计采用6层制板工艺，留有独立的电源平面和地平面；并根据不同的电源和地类型将电源平面和地平面进行分割，采用多点接地。采取以上措施后，整车控制器硬件单元获得了良好的抗干扰性能，已经通过符合GB/T17619—1998标准的电磁兼容检测试验。

按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，包括电源、主MCU、辅助MCU、第一信号处理电路、第二信号处理电路、通信模块、功率驱动电路，第一信号处理电路的输出端与主MCU的输入端连接，通信模块、功率驱动电路同时与主MCU的输出端连接，辅助MCU与主MCU连接实现双向通信，第二信号处理电路与辅助MCU的输入端连接,辅助MCU的输出端还与功率驱动电路和通信模块的输入端连接；

在工作时，主MCU采集信号并进行计算处理，然后对受控机构输出相应的控制指令，辅助MCU实时采集主MCU的心跳信号；当主MCU出现故障时，由辅助MCU执行主MCU的采集控制过程。

2.根据权利要求1所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路均包括用于处理模拟信号的调理电路和用于处理数字信号的电压转换电路，功率驱动电路包括分别输出模拟信号、数字信号、数字信号的数模转换电路、低功率驱动电路、高功率驱动电路。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，所述通信模块采用CAN总线进行通信。

4.根据权利要求3所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，所述主MCU、辅助MCU与CAN收发器之间采用高速光隔器件4N25。

5.根据权利要求1或2所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，所述主MCU选用了单片机MPC5634，辅助MCU选用单片机MC9S12XEP100。

6.根据权利要求1或2所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，功率驱动电路采用4通道的智能功率开关芯片TLE6220GP。

7.根据权利要求4所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，所述主MCU出现故障时，辅助MCU采集信号，关闭主MCU的CAN收发器，并通过CAN总线与整车CAN网络各个节点进行安全状态下的通信，并且取代主MCU去驱动控制继电器的整车运行。

8.根据权利要求1或2所述的一种适用于纯电动汽车的新型整车控制器，其特征在于，所述电源由电动汽车的电源经过电源管理模块转换为整车控制器所需的电压，该电源管理模块包括24V转5V和5V转3.3V两个电路。