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基于MC9S12DP256的燃料电池电动汽车整车控制器设计

发布时间:2020-07-21 17:39:55 阅读: 来源:沙漏厂家

燃料电池电动汽车整车控制器VCU(VehicleControlUnit)是整个汽车的核心控制部件,它采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号,并做出相应判断后,控制下层的各部件控制器的动作,驱动汽车正常行驶。因此VCU的优劣直接影响着整车性能。

本文引用地址:燃料电池电动汽车整车控制器的研制是“十五”期间国家电动汽车重大专项的关键单元技术之一。这些关键单元技术的基础研究,对于抢占新一代电动汽车制高点、促进我国汽车工业实现跨越式发展具有重要意义。

1燃料电池电动汽车结构

燃料电池电动汽车结构框图如图1所示,它由整车控制器、燃料电池及其控制器、镍氢蓄电池组及其控制器、驱动系统、车轮等部件组成,各部件通过CAN(ControllerAreaNetwork)总线组成一个分布式控制系统。燃料电池电动汽车采用主辅双动力源形式:燃料电池作为主动力源,提供汽车行驶的主要动力;镍氢蓄电池组是辅助动力源,在汽车行驶中起到“削峰填谷”的作用。

2整车控制器硬件功能电路设计

2.1整车控制器功能需求分析

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、镍氢蓄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)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。(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,紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。(6)协调管理车上其他电器设备。

针对整车控制器的各项具体功能,进行了如图2所示的硬件设计整体规划、MCU的选型以及各个功能电路的设计。

2.2MCU的选择

MCU是整车控制器的核心,它负责数据的采集和处理、逻辑运算以及控制的实现等,MCU的选取是整个硬件设计过程中最重要的任务。Motorola公司的HCS12系列16位单片机MC9S12DP256,在运算能力、存储空间、数字量模拟量输入输出以及CAN通讯等方面均有上乘表现,并具有较高的性价比,使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。

这款单片机具有预算能力强、存储空间大、接口资源丰富等诸多特点:(1)采用STAR12CPU,核心运算能力可以达到50MHz,总线速度可以达到25MHz,采用优化的指令集,使指令的运算速度得到很大提高。(2)片内集成了256KBFLASH,12KBRAM和4KBE2PROM,完全可以满足程序对存储空间的要求。(3)诸多对外接口,包括五路兼容CAN2.0A/B协议的CAN接口、两路异步串行通讯接口、三路同步串行通讯接口、十六路10位A/D接口、一路I2C总线接口、49个独立数字I/O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)、8通道输入捕捉/输出比较等。

2.3VCU硬件电路设计

整车控制器是一个多输入、多输出、数模电路共存的复杂系统,其各个功能电路相对独立。因此,按照模块化思想设计了硬件系统的各个模块,主要包括:最小应用系统模块,电源模块,CAN通讯模块,串口通讯模块,数模输入输出模块。

2.3.1电源模块

整车控制器的供电电源来自燃料电池电动汽车的镍氢蓄电池组,其标定电压+12V。汽车在运行过程中,镍氢蓄电池组的电压不稳定,波动非常大,高压时可达到+17V,低压时只有+9V。电源电压的不稳定将直接导致整车控制器工作不正常。因此,在电源模块的设计过程中,采用了宽输入范围,高输出精度,大功率的DC/DC电源芯片。另外,由于整车控制器里所使用芯片的供电电压包括了+5V和+12V两种,所以设计时使用了两款DC/DC芯片:Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12,其分别具有12V-12V和12V-5V的变压稳压作用,并具有短路、过压、过流及温度过载保护等功能。通过使用这两款芯片及其外围的一些辅助电路(主要是滤波电路),使得电源模块供电稳定可靠。

2.3.2CAN通讯模块

由于MC9S12DP256片内集成了五路兼容CAN2.0A/B协议的CAN模块,所以整车控制器的CAN通信模块不需要添加片外的CAN控制器,只需外加CAN收发器。所设计的CAN通讯模块采用了PHILIP公司的TJA1040收发器芯片。该芯片的波特率范围是60kbps~1Mbps,它具有一个温度保护电路,当与发送器连接点的温度超过大约165℃时,会断开与发送器的连接(当总线短路时,更需此温度保护电路)[2]。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,主芯片的CANTXD和CANRXD引脚并不是直接与TJA1040的TXD和RXD两引脚相连,而是通过高速光耦HCPL-0630后,与TJA1040相连。这样,当总线上有多个CAN节点时,可实现各CAN节点间的电气隔离。TJA1040与CAN总线的接口部分也采取了一定的安全和抗干扰措施:(1)TJA1040的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护TJA1040免受过流的冲击。(2)CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容,可以滤除总线上的高频干扰,并且有一定的防电磁辐射能力。(3)在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时,通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。

2.3.3数模输入输出模块

在燃料电池电动汽车运行过程中,整车控制器经常要发出一些车辆的启动/停止、镍氢蓄电池组的闭合/断开等信号,即数字量的输出。为保证信号稳定可靠,整车控制器置有四路数字量输出,并且都大于50mA。设计时采用了继电器方式的开关量输出,该方式是目前最常用的一种输出方式。所采用的继电器芯片是Infineon公司的BTS824R,其特点如下[3]:(1)宽电压范围输入,兼容CMOS和TTL电平。(2)加强型电磁兼容设计。(3)自带短路保护,过载保护,ESD保护。(4)自带过温切断保护。

整车控制器在发出开和关信号的同时,也在接收相应的数字信号。在主芯片MC9S12DP256和外面信号之间采用高速光耦HCPL-0630连接的方式实现电平转换以及信号隔离。

燃料电池电动汽车整车控制器VCU(VehicleControlUnit)是整个汽车的核心控制部件,它采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号,并做出相应判断后,控制下层的各部件控制器的动作,驱动汽车正常行驶。因此VCU的优劣直接影响着整车性能。

燃料电池电动汽车整车控制器的研制是“十五”期间国家电动汽车重大专项的关键单元技术之一。这些关键单元技术的基础研究,对于抢占新一代电动汽车制高点、促进我国汽车工业实现跨越式发展具有重要意义。

1燃料电池电动汽车结构

燃料电池电动汽车结构框图如图1所示,它由整车控制器、燃料电池及其控制器、镍氢蓄电池组及其控制器、驱动系统、车轮等部件组成,各部件通过CAN(ControllerAreaNetwork)总线组成一个分布式控制系统。燃料电池电动汽车采用主辅双动力源形式:燃料电池作为主动力源,提供汽车行驶的主要动力;镍氢蓄电池组是辅助动力源,在汽车行驶中起到“削峰填谷”的作用。

2整车控制器硬件功能电路设计

2.1整车控制器功能需求分析

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、镍氢蓄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)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。(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,紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。(6)协调管理车上其他电器设备。

针对整车控制器的各项具体功能,进行了如图2所示的硬件设计整体规划、MCU的选型以及各个功能电路的设计。

2.2MCU的选择

MCU是整车控制器的核心,它负责数据的采集和处理、逻辑运算以及控制的实现等,MCU的选取是整个硬件设计过程中最重要的任务。Motorola公司的HCS12系列16位单片机MC9S12DP256,在运算能力、存储空间、数字量模拟量输入输出以及CAN通讯等方面均有上乘表现,并具有较高的性价比,使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。

这款单片机具有预算能力强、存储空间大、接口资源丰富等诸多特点[1]:(1)采用STAR12CPU,核心运算能力可以达到50MHz,总线速度可以达到25MHz,采用优化的指令集,使指令的运算速度得到很大提高。(2)片内集成了256KBFLASH,12KBRAM和4KBE2PROM,完全可以满足程序对存储空间的要求。(3)诸多对外接口,包括五路兼容CAN2.0A/B协议的CAN接口、两路异步串行通讯接口、三路同步串行通讯接口、十六路10位A/D接口、一路I2C总线接口、49个独立数字I/O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)、8通道输入捕捉/输出比较等。

2.3VCU硬件电路设计

整车控制器是一个多输入、多输出、数模电路共存的复杂系统,其各个功能电路相对独立。因此,按照模块化思想设计了硬件系统的各个模块,主要包括:最小应用系统模块,电源模块,CAN通讯模块,串口通讯模块,数模输入输出模块。

2.3.1电源模块

整车控制器的供电电源来自燃料电池电动汽车的镍氢蓄电池组,其标定电压+12V。汽车在运行过程中,镍氢蓄电池组的电压不稳定,波动非常大,高压时可达到+17V,低压时只有+9V。电源电压的不稳定将直接导致整车控制器工作不正常。因此,在电源模块的设计过程中,采用了宽输入范围,高输出精度,大功率的DC/DC电源芯片。另外,由于整车控制器里所使用芯片的供电电压包括了+5V和+12V两种,所以设计时使用了两款DC/DC芯片:Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12,其分别具有12V-12V和12V-5V的变压稳压作用,并具有短路、过压、过流及温度过载保护等功能。通过使用这两款芯片及其外围的一些辅助电路(主要是滤波电路),使得电源模块供电稳定可靠。

2.3.2CAN通讯模块

由于MC9S12DP256片内集成了五路兼容CAN2.0A/B协议的CAN模块,所以整车控制器的CAN通信模块不需要添加片外的CAN控制器,只需外加CAN收发器。所设计的CAN通讯模块采用了PHILIP公司的TJA1040收发器芯片。该芯片的波特率范围是60kbps~1Mbps,它具有一个温度保护电路,当与发送器连接点的温度超过大约165℃时,会断开与发送器的连接(当总线短路时,更需此温度保护电路)[2]。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,主芯片的CANTXD和CANRXD引脚并不是直接与TJA1040的TXD和RXD两引脚相连,而是通过高速光耦HCPL-0630后,与TJA1040相连。这样,当总线上有多个CAN节点时,可实现各CAN节点间的电气隔离。TJA1040与CAN总线的接口部分也采取了一定的安全和抗干扰措施:(1)TJA1040的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护TJA1040免受过流的冲击。(2)CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容,可以滤除总线上的高频干扰,并且有一定的防电磁辐射能力。(3)在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时,通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。

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