燃料動力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。

燃料動力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，關(guān)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燃料動力電池電動汽車結(jié)構(gòu)

燃料動力電池電動汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料動力電池及其控制器、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)。燃料動力電池電動汽車采用主輔雙動力源形式：燃料動力電池作為主動力源，供應(yīng)汽車行駛的重要動力；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用途。

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)合能源管理單元供應(yīng)當前的能源狀況信息。（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。

（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。

（3）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，重要包括：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動力電池電動汽車的鎳氫蓄電池組，其標定電壓＋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)壓用途，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（重要是濾波電路），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：

（1）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用途，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。

（3）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用途。

2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

在燃料動力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］：

（1）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。

（3）自帶短路保護，過載保護，ESD保護。

（4）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。

燃料動力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。

燃料動力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，關(guān)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燃料動力電池電動汽車結(jié)構(gòu)

燃料動力電池電動汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料動力電池及其控制器、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)。燃料動力電池電動汽車采用主輔雙動力源形式：燃料動力電池作為主動力源，供應(yīng)汽車行駛的重要動力；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用途。

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)合能源管理單元供應(yīng)當前的能源狀況信息。（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］：

（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。

（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。

（3）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，重要包括：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動力電池電動汽車的鎳氫蓄電池組，其標定電壓＋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)壓用途，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（重要是濾波電路），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：

（1）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用途，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。

（3）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用途。

2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

在燃料動力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］：

（1）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。

（3）自帶短路保護，過載保護，ESD保護。

（4）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)量好壞的重要技術(shù)指標。在燃料動力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（特別是當變頻器進行高頻調(diào)制時），出現(xiàn)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重要表現(xiàn)在下述幾個方面：

（1）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)上新增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)計采用新增功能電路的數(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：

（1）選用集成度高的元器件。可以降低電路板元器件的數(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，新增電路板的抗干擾能力。

（2）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。

（3）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。

（4）采用四層電路板的設(shè)計。相關(guān)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），又可以減小導線之間的串擾。

3.4可靠性測試

吉林大學汽車動態(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：

（1）高低溫測試：在低溫-25℃、高溫125℃中分別保持6個小時。

（2）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。

（3）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動力電池及其控制器、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)了整個燃料動力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。

（2）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，所采集的信號持續(xù)完整。整車控制器不僅在功能上實現(xiàn)了既定目標，而且在可靠性方面也達到了標準。

所研制的用于燃料動力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。