基于SPC5644A+S912ZVC的新能源电动车整车控制器的硬件设计

基于SPC5644A+S912ZVC的新能源电动车整车控制器的硬
件设计
王发群;郭增泉;刘芹
【摘要】针对当前新能源汽车整车控制器静态电流要求低、主控单片机输入输出
端口和外部地隔离增加抗干扰性的要求,采用SPC5644A和S912ZVC两个单片机,设计了一款新能源电动车整车控制器.详细阐述了其工作原理、硬件组成及各功能
模块电路设计.该控制器对主控单片机的地和外部地进行了隔离,增加抗干扰性,提高了可靠性,运行稳定,具有静态功耗低等特点.
【期刊名称】《汽车实用技术》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】3页(P32-33,37)
【关键词】单片机;整车控制器;静态电流;硬件设计
【作者】王发群;郭增泉;刘芹
【作者单位】郑州日产汽车有限公司,河南郑州 450046;珠海高新区同力机械有限
公司,广东珠海 519055;郑州日产汽车有限公司,河南郑州 450046
【正文语种】中文
【中图分类】U462.1
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-32-03 空气质量的好坏影响到人们的生活，燃油车的尾气是造成空气质量变差的原因之一。

新能源电动车无尾气，以零污染和零排放受到人们的青睐；设计和推广新能源电动车是减少汽车尾气对空气的污染重要手段。

整车控制器是电动汽车的核心部件，是体现整车企业自主知识产权的核心技术，一般情况下整车企业都会自己设计整车控制器；整车控制器设计水平直接关系到整车的动力性、经济性、可靠性和安全性。

为了满足新开发的电动车的上市需求设计了一款整车控制器。

整车控制器作为新能源电动车的核心控制部件负责协调各个零部件的工作，对电动车的正常行驶，再生能量回收，故障诊断与处理，车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。

整车控制器在电动车行驶过程中执行多项任务，具体功能包括：
（1）通过钥匙ON信号对整车控制器进行唤醒，使整车控制器进入工作状态。

（2）通过油门踏板、制动踏板接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向电机控制器等各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶期员望行驶。

（3）与DC/DC、电池管理系统等进行可靠通讯，通过CAN总线进行状态的采集输入及控制指令的输出。

（4）接收、处理各个零部件信息，结合电池管理系统提供当前的能源状况信息。

（5）系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障,并通过仪表及显示系统进行告警显示。

（6）对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护。

（7）协调管理车上的空调、暖风等其他电器设备。

根据整车控制器的功能，其接线框图如图1所示：
整车控制器由单片机模块、电源模块、输入模块、输出模块和通讯模块5个模块构成。

1）单片机模块：整车控制器采用双单片机方案， 32位单片机采用SPC5644A，16位单片机采用S912ZVC,整车控制器板上外设中的输入模块和输出模块均连接
在S912ZVC单片机上，SPC5644A单片机只负责整车控制器控制策略的运行，并且SPC5644A单片机的电源采用隔离地的DCDC进行供电，两个单片机之间通过隔离的CAN总线进行数据交换，单片机S912ZVC作为可编程的模拟、数字端口使用；
2）电源模块：对单片机模块、输入模块、输出模块和通讯模块提供合适的电源；3）输入模块：对输入的模拟量进行调理，满足单片机S912ZVC的AD电压转换范围要求；通过三极管进行数字信号隔离，对输入的数字信号进行电平转换，满足单片机S912ZVC的I/O电压范围要求；
4）输出模块：输出模块需要驱动继电器或指示灯，包括低边驱动和高边驱动，低边驱动采用专用低边驱动模块BTS3410G，高边驱动采用专用驱动高边模块BTS716G；
5）通讯模块：整车控制器与其他设备的连接端口，包括3路隔离CAN总线。

整车控制器硬件框图如图2所示：
1）电源模块
电动车上的干扰源较多，尤其是IGBT的工作会造成整车电压的剧烈波动，使整车电压带有大量的干扰成分，低质量的电源可能会影响整车控制器输出错误的控制信号，因此电源设计的好坏它直接关系到整车控制器能否正常工作。

该整车控制器采用12V车载蓄电池供电，经P沟道MOS管和电感后供给S912ZVC单片机，电源输入端口采用P沟道MOS管取代传统的电源防反接二极管，MOS管上的压降远远低于二极管的压降，降低了整车控制器的功耗；S912ZVC单片机通过控制高边开关对其他整车控制器上的元器件进行上下电。

整车控制器的电源部分电路框图如下图3所示：
2）通讯模块
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SPC5644A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。

整车控制器中三路CAN通讯采取隔离设计，通过磁耦实现。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，TJAl050T与CAN总线的接口部分添加了共模电感和ESD管进行安全保护。

整车控制器的CAN通讯电路原理图，如图4所示。

3）输入模块
整车控制器的输入信号包括开关信号、模拟信号，其中开关信号包括高边输入有效和低边输入有效两种类型。

没有正确与可靠的输入信号，再有效的控制策略也不可能得到良好的控制结果；为了保护单片机不被干扰信号的损坏，模拟量和数字量接口必须具有故障保护功能。

整车控制器采用RC电路对数字输入量进行滤波。

其应用电路原理图，如图5所示。

整车控制器中的模拟输入信号主要来自于油门踏板、温度传感器等外围传感器的模拟电压信号，电压范围在0～5 V之间。

这类信号滤波后，为增加驱动能力，一般用电压跟随器送到单片机的AD口进行A／D转换。

具体电路结构如图6所示。

4）输出模块
输出模块主要实现整车的指示灯和继电器的控制功能。

本设计中采用的是2通道低边智能开关芯片BTS3410G和4通道高边智能开关芯片BTS716G，具有过温、过压和短路故障等保护功能。

通过分析新能源电动车整车控制器的功能需求，设计了整车控制器，经实车验证满足功能要求、具有良好的动力性、经济性、安全性和可靠性，所设计的整车控制器达到了预期目标，并进行了量产装车。

【相关文献】
[1] 翟世欢,辛明华,于兰.纯电动汽车整车控制策略.汽车工程师, 2014(12)：26-29.
[2] 宋雪静.基于双MCU的纯电动汽车整车控制器硬件设计.汽车电器,2014(5)：33-36.
[3] 马宇坤,郭艳萍,翟世欢,周能辉.纯电动汽车整车控制器硬件设计.汽车工程师,2014,(12)：30-33.
[4] 张红涛,孙佳,张玲.电动汽车设计之整车低压工作原理介绍.汽车电器,2016,(10)： 4-10.
[5] 王若飞,高文根,牛明强.纯电动汽车动力系统参数设计与仿真研究.汽车实用技术,2016.(4)：94-97.。