基于MC9S12DP256的燃料電池電動汽車整車控制器設計

燃料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鍵單元技術之一。這些關鍵單元技術的基礎研究，對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燃料電池電動汽車結構

燃料電池電動汽車結構框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、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)。燃料電池電動汽車采用主輔雙動力源形式：燃料電池作為主動力源，提供汽車行駛的主要動力；鎳氫蓄電池組是輔助動力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。

　　
2整車控制器硬件功能電路設計

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，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，結合能源管理單元提供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所示的硬件設計整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個功能電路的設計。

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計過程中最重要的任務。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。
　?。?）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，按照模塊化思想設計了硬件系統(tǒng)的各個模塊，主要包括：最小應用系統(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)壓作用，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（主要是濾波電路），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通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設計的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：
　?。?）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作用，保護TJA1040免受過流的沖擊。
　?。?）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作用。

2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

在燃料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。設計時采用了繼電器方式的開關量輸出，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］：
　?。?）寬電壓范圍輸入，兼容CMOS和TTL電平。
　　（2）加強型電磁兼容設計。
　　（3）自帶短路保護，過載保護，ESD保護。
　?。?）自帶過溫切斷保護。

整車控制器在發(fā)出開和關信號的同時，也在接收相應的數(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)電平轉換以及信號隔離。

燃料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鍵單元技術之一。這些關鍵單元技術的基礎研究，對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燃料電池電動汽車結構

燃料電池電動汽車結構框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、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)。燃料電池電動汽車采用主輔雙動力源形式：燃料電池作為主動力源，提供汽車行駛的主要動力；鎳氫蓄電池組是輔助動力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。
　　

2整車控制器硬件功能電路設計

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，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，結合能源管理單元提供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所示的硬件設計整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個功能電路的設計。

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計過程中最重要的任務。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。
　?。?）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，按照模塊化思想設計了硬件系統(tǒng)的各個模塊，主要包括：最小應用系統(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)壓作用，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（主要是濾波電路），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通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設計的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：
　?。?）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作用，保護TJA1040免受過流的沖擊。
　?。?）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。
　?。?）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作用。