纯电动汽车整车控制器的设计

纯电动汽车整车控制器的设计

发表时间：2019-07-05T11:27:03.790Z 来源：《电力设备》2019年第4期作者：王坚

[导读] 摘要：随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。

（柳州五菱汽车工业有限公司广西柳州 545007）

摘要：随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。传统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。纯电动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。随着科技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能。本文从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。

关键词：纯电动汽车；整车控制器；硬件设计；软件设计

纯电动汽车作为新能源汽车的一种，以其清洁无污染、驱动能源多样化、能量效率高等优点成为现代汽车的发展趋势。整车控制器（vehicle control unit，VCU）作为纯电动汽车整车控制系统的中心枢纽，主要实现数据采集和处理、控制信息传递、整车能量管理、上下电控制、车辆部件控制和错误诊断及处理、车辆安全监控等功能。国外在纯电动汽车整车控制器的产品开发中，积极推行整车控制系统架构的标准化和统一化，汽车零部件厂商提供硬件电路和底层驱动软件，整车厂只需要开发核心应用软件，有利的推动了整车行业的快速发展。虽然国内各大汽车厂商基本掌握了整车控制器的设计方案，开发技术进步明显，但是对核心电子元器件、开发环境的严重依赖，所以导致了整车控制器的国产化水平较低。本文以复合电源纯电动汽车作为研究对象，针对电动汽车应有的结构和特性，对整车控制器的设计和开发展开研究。

一、整车控制系统分析与设计

（一）整车控制系统分析

复合电源纯电动汽车整车控制系统主要由整车控制器、能量管理系统、整车通信网络以及车载信息显示系统等组成。首先纯电动汽车整车控制器通过采集启动、踏板等传感器信号以及与电机控制器、能量管理系统等进行实时的信息交互，获取整车的实时数据，然后整车控制器通过所有当前数据对驾驶员意图和车辆行驶状态进行判断，从而进入不同的工况与运行模式，对电机控制系统或制动系统发出操控命令，并接受各子控制器做出的反馈。

保障纯电动汽车安全可靠运行，并对各个子控制器进行控制管理的整车控制器，属于纯电动汽车整车控制系统的核心设备。整车控制器实时地接收传感器传输的数据和驾驶操作指令，依照给定的控制策略做出工况与模式的判断，实现实时监控车辆运行状态及参数或者控制车辆的上下电，以整车控制器为中心通信节点的整车通信网络，实现了数据快速、可靠的传递。

（二）整车控制系统设计

复合电源的结构设计，选择了超级电容与DC/DC串联的结构，双向DC/DC跟踪动力电池电压来调整超级电容电压，使两者电压相匹配。为了车辆驾驶运行安全，同时为了更好地使超级电容吸收纯电动汽车的再生制动能量，在复合电源系统中动力电池与一组由IGBT组成双向可控开关，防止了纯电动汽车处于再生制动状态时，动力电池继续供电，降低再生制动能量的吸收效率。

整车CAN通信网络设计，由整车控制器（VCU）、电机控制器（motor control unit，MCU）、电池管理系统（battery management system，BMS）、双向DC/DC控制器以及汽车组合仪表等控制单元（Electronic Control Unit，ECU）组成了复合电源纯电动汽车的整车通信网络。

二、整车控制器硬件设计及软件设计

（一）整车控制器结构设计

整车控制器的硬件结构根据其基本的功能需求进行设计，如图1所示。支持芯片正常工作的微控制器最小系统是整车控制器的核心，基础的信号处理模块，CAN通信与串口通信组成的通信接口模块，以及LCD显示等其他模块分别作为它的各大功能模块。

图1 整车控制器硬件结构图

（二）整车控制器硬件设计

从功能上可以把整车控制器分为6个模块。

1）微控制器模块：本设计选用美国德州仪器公司TI的数字信号处理芯片TMS320F2812为主控芯片，负责数据的运算及处理，控制方法的实现，是整车控制器的控制核心。此芯片运算速度快，控制精度高的特点基本满足了整车控制器的设计需求。TMS320F2812的最小系统主要由DSP主控芯片、晶振电路、电源电路以及复位电路组成。

2）辅助电源模块：由于整车控制器的控制系统中用到多种芯片，所以需要设计辅助电源电路为各个芯片提供电源，使其正常工作，因此输出电平有多种规格。采用芯片LM317、LM337可分别产生+5V和－5V的供电电压。

3）信号调理模块：输入整车控制器的踏板信号是1～4.2V模拟电压信号，TMS320F2812的12位16通道的A/D采样模块输入的信号范围为0～3.0V，因此需要对踏板输入的模拟电压信号进行相应的调理运算，以满足DSP的A/D采样电平要求。选用德州仪器的OPA4350轨至轨运算放大器，在输入级采用RC低通滤波电路与电压跟随电路以滤除干扰信号，减小输入的模拟信号失真。开关信号先经RC低通滤波电路滤除高频干扰，再作为电压比较器LM393的正端输入，电压比较器的负端输入接分压电路，将LM393的输出引脚外接光耦芯片，在起到电平转换作用的同时，进一步隔离干扰信号，提高信号的安全性与可靠性。

4）通讯模块：TMS320F2812具有一个eCAN模块，支持CAN2.0B协议，可以实现CAN网络的通讯，但是其仅作为CAN控制器使用。选用3.3V单电源供电运行的CAN发送接收器SN65HVD232D，其兼容TMS320F2812的引脚电平，用于数据速率高达1兆比特每秒（Mbps）的应

用。依据ISO11898－2要求，在CAN总线CANH和CANL之间并联一个120Ω阻抗匹配电阻R29，以增加通信稳定性。

5）功率驱动模块：TMS320F2812输出的最高电压为3.3V，无法满足实际的汽车执行单元部件控制中对于大于等于5V驱动电压的要求。采用八路NPN达林顿连接晶体设计的功率驱动芯片ULN2803A。

6）电平转换模块：TMS320F2812数据端口输出的高电平为3.3V，无法被5V供电的LCD19264液晶显示单元中的数据端口识别接收。选用德州仪器公司生产的SN74LVC4245A对数据端口进行电平转换。SN74LVC4245A是一个八位同相总线收发器，连续输出最大电流为

50mA，延时小于10ns，专用于数据总线之间的异步通信。

（三）整车控制器软件设计

整车控制器软件按照结构化、模块化思路进行设计，采用功能独立、各自分立的形式设计程序，相互影响小，有助于程序的调试与维护。根据系统功能的实时性需求的不同，采用成熟的程序架构，对主控制程序和中断子服务程序进行任务分配，并将微控制器的软硬件中断功能进行充分利用。对于能量管理、故障诊断等实时性需求不高的功能程序，将其分配到主程序中运行。对于A/D采样、脉冲捕捉、

CAN通信等实时性要求较高且具有硬件驱动功能的程序，将其按照各自的频率分配到相应的中断程序中执行。

控制软件进入不同的运行模式及工作方式，是通过对行驶过程中复合电源纯电动汽车工况与模式进行判断来决定的。软件运行控制的基础变量包括踏板开度信号、踏板开度变化率、电池SOC、超级电容SOC等信号，依次运行信号采集、处理CAN报文、处理故障、仪表显示等控制程序。

纯电动汽车控制系统具有较好的市场前景，并且有其一套完整的控制系统。作为纯电动汽车控制系统的核心，整车控制器具有协调各个子系统的作用，在配合整车控制策略的同时可以更好地发挥其功能，从而使纯电动汽车能够正常行车。本文当中介绍了整车控制器与外围系统的通迅网络，并以此大致搭建了整车控制器的整体硬件电路；在此基础上依据整车控制策略，合理设计了整车控制软件，并达到预计的效果。

参考文献：

[1]邢峰，杨慎，熊峰.复合电源纯电动汽车能量管理研究[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2018，47（06）

[2]张华清.纯电动汽车的整车布置[J].汽车工程师，2018（09）

[3]董伟.纯电动汽车整车控制策略研究[J].现代制造技术与装备，2018（07）