纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计

纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计

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。

关键词：纯电动汽车；整车控制器硬件；电路开发；设计

引言：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纯电动汽车电控系统组成及工作原理

1.1 电控系统组成

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。

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

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。

2.2功能模块组成

整车控制器主要由微控制器模块、电源模块、开关量输入和输出模块、模拟

量输入和输出模块、频率量的输入和输出模块、CAN总线模块、存储模块等组成。

2.2.1 微控制器模块

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接口电路等。1）电源电路：选用的是TPS767D301-Q1，该芯片是

专业的汽车级芯片，其输入电压为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 A [3] 。本文通过降压电路将24 V转换为5 V，再通过TPS767D301-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信号处理模块

信号处理模块是整车控制器对外的模拟量与数字量接口，是对于整车进行控

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。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。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。

2.2.3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PW M 驱动功能。利用 TC1782 上的通用 IO 和 SPI通信，能实现整车的 PW M 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。

2.2.4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；高边驱动芯片具有短路、过载、过压、过流等

保护和故障诊断反馈功能。

2.2.5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。

2.2.6电平转换模块

由于DSP芯片的IO口电压为3.3 V，而很多的外部接口电路的输入电压为5 V，因此需要电平转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-Q1；该芯片是一款汽车级芯片，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。

结语：

开发的电动汽车整车控制器不但符合电动汽车的每种功能要求，并且具备优

质的安全性与可靠性。提高了整车的性能与能量的利用效率，具有广阔的使用空