第六章-电动汽车整车控制器

1.整车控制系统硬件设计2.整车控制系统软件设计陈曦第六章电动汽车整车控制器6.1电动汽车整车控制器硬件采用了分层控制的方法来对驾驶员的意图和各个动力系统零部件进行信号采集和控制，如图3-1所示。其中整车控制器是整车控制的核心，负责协调各个控制器来驱动整车，并且具有如下的系统硬件（含独立运行的底层驱动程序）基本功能：6.1电动汽车整车控制器系统需求分析图6.1电动汽车整车控制器1.整车各控制器（HCU整车控制单元、BPCM电池控制器、DMCM电机控制器、EMS发动机管理系统）的唤醒；2.上电初始化：HCU自检，HCU初始化，仪表灯，高压接通；3.驾驶员指令与传感器信号处理；4.停车维护充电控制；5.驱动力控制、车辆运行工况（起步、加速、巡航、减速、驻车、停车、倒车）控制；6.最高车速限制；7.对EMS、DMCM、DCDC、BPCM发出控制指令；6.1电动汽车整车控制器8.发动机启动模式控制；9.指令控制ADM；10.接收BPCM的有关动力蓄电池组状态信号（电流、电压、温度等）；11.接收DMCM的有关电机、逆变器总成的运行参数和状态信息；12.硬件故障自诊断与处理；13.硬件失效控制；14.开机和停机过程控制、干扰和复位处理；15.将有关信息送至仪表板；16.CAN通讯方式；17.监测和标定；18.与故障诊断仪的通信；6.2整车控制器硬件开发技术要点了实现上述整车控制器HCU的功能，必须依赖系统硬件的设计。因此，HCU硬件开发过程中需首先考虑的事项有：1)开发系统支持的编程语言；2)开发系统使用的开发平台；3)开发系统的功能；4)友好的集成开发环境；5)确定控制单元输入/输出管脚的数量和性质；6)选择各种芯片和元器件，应特别慎重地选择控制单元的CPU芯片。硬件系统的搭建，包括以下内容：A.辅助电路设计B.I/O电路的设计、调试和标定C.通讯电路的设计和调试D.CPU电控单元的设计和调试E.底层汇编程序的编制和调试6.3整车控制器单片机系统为了实现CAN总线通讯和为HCU系统留足够的富裕扩展能力，在原有工作基础上，重新对目前在汽车电子产品上的ECU进行了评估。目前，世界汽车电子产品用的主流单片机有Motorola系列、siemens系列、Philips系列，其中美国产品大多采用了Motorola系列单片机。飞思卡尔™半导体(Freescale™Semiconductor，原摩托罗拉半导体部)是全球领先的半导体供应商，主要为汽车、网络、无线通信、工业控制和消费电子市场设计制造嵌入式半导体。飞思卡尔是众多市场领域中的领导者，2004市场主导地位：第一大汽车半导体制造商（Gartner），第一大通信处理器制造商（Gartner），第二大通用微控制器制造商（Gartner）。实例：Freescale16位单片机MC9S12DP512原理图6.4主要模块电路[1]输入信号处理输入信号可分为两种类型：数字信号（包括开关信号和脉冲信号）和模拟信号CPU的输入输出图6.4主要模块电路所有开关输入信号都必须经调理电路处理，以保证CPU的安全。调理电路的容余度比较大，不论是12V/24V电源直接拉高的信号，还是标准的5V拉高的信号，都能直接识别，并且都具有很好的抗干扰能力，基本满足车用的EMC测试要求。同样模拟输入信号也必须经二阶有源低通滤波器等调理电路处理，0-16V之间的输入信号均能自动转换为0-5V的AD信号，并且能充分地利用A/D的量程特性。其中，油门信号、刹车制动信号等都是非常重要的信号，硬件设计中同时采集它们的二路互补信号，并由底层处理程序来确认其可靠性[21]。脉冲信号主要是检测整车车速和发动机转速。6.4主要模块电路[2]控制输出电路在HCU中CAN总线承担了主要数据和命令的交换任务，控制输出电路中设计若干开关量输出信号，来满足整车上下电和CAN通讯发生某种故障时采取应急处理的需求。开关量输出基本上都采用OC门电路，具备线控功能，并且都设置了自拉高电路，以实现硬件电路的自诊断。拉高电压可以是12V电源电压，也可以是标准的5V拉高电压。拉高过程都具有很好的抗干扰度，满足常规的EMC测试。6.4主要模块电路[3]电源模块电源电路是车载控制器设计中比较困难的设计之一，也是影响能否通过电磁兼容测试的关键部件。为使混合动力HCU具有较好的适应性、通用性，我们采用了两级电源控制，第一级采用开关电源模块，以保证电源的供电电压在8～32VDC的范围内都有一致的输出电压，从而使第二级低压差电源能够有一个非常稳定的输出电压[2]。这样既保证了控制器的工作稳定性和抗干扰性，又能在低功耗的前提下，具有很宽的电压输入6.4主要模块电路[4]上下电和安全保护模块[21]HCU还承担着整车低压电源的控制，如果钥匙不在起动或关闭状态并且低压电源超过8V，则接通低压电源，整车所有控制器上电。车辆运行过程中通过ADM实时监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路的接通过程，在发现异常状况后能立即通过状态线输出相应的动作。点火开关断电后，底层程序应能继续执行，以便停车充电或保存数据、系统设置和故障代码等有用信息。只有满足适当的条件时，才能通过软件使POW_CTRL1切断所有的低压供电电源。硬件上外加一个主电源继电器控制电路。充电唤醒、点火开关、POW_CTRL1中任何一个信号有效时都能使外部继电器闭合，从而给各控制器供电。显然，由软件控制的POW_CTRL1能够使控制系统实现延迟断电。6.4主要模块电路6.5在各类电动汽车中，无论动力系统配置采用并联、串联、还是混联，在分层控制的概念构架下，其控制的流程都没有明显的差别。在广泛采用先进的CAN等通讯技术的动力系统中，整车控制器的差异性已经越来越小，因此我们在HCU的硬件设计时，充分考虑了其系统动态配置的裕度，以便适应多种车辆的整车控制需求，也就是说，只要换用不同的底层控制与驱动，就可以适合不同的需求。同时，系统中各个控制输入和输出都可以做不同的可编程设定，来满足整车控制的实际需求。在电路的可靠性设计中，首先考虑了EMC要求；其次进行了热稳定性能测试，在夏季高温条件下，能无故障连续工作；此外，特殊的看门狗电路设计，不但可使CPU出现故障时快速复位，恢复整车的工作状态，而且还可以在CPU等电路烧损时，通过硬件电路将油门信号直接送到发动机控制器，确保车辆的正常行驶。6.6PCB设计PCB设计根据功能分析绘制电路原理图，需要建立元件库中不存在的元器件模型，并根据价格、性能和市场行情确定选用的芯片封装，建立库中没有的元器件封装，建立最小系统。由原理图生成PCB其中最主要的两环是元器件在印刷电路板上的位置布局和布线。PCB的设计是一个长时间的过程，它的可靠性至关重要，需要综合考虑线径、芯片性能、电磁兼容、电磁干扰等众多方面。6.6整车控制器PCB板示例6.7整车控制系统的抗干扰设计系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。特别是对于本系统，如果抗干扰性处理不好，将会引起诸多不良后果。例如会使所测数据精度不够，会使数据值不稳定，会使系统电压偏移，不能正常工作，会使系统软件无法运行等等，严重的还会损坏元件。通过对实际工作中电磁干扰的干扰源、干扰传播途径和被干扰对象的响应等电磁干扰三要素的分析，见下图，根据HCU的工作特点，在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的技术方案。采用传统抑制干扰的技术和简单而巧妙的“回避与疏导”技术处理，并把电磁兼容性设计和可靠性设计、维修性设计与产品的基本功能结构设计同时进行，并行开展，以此降低了成本费用和节省了开发时间。6.7整车控制器系统的抗干扰设计6.7.1HCU的主要干扰源一般，干扰进入系统主要有三种途径：一是空间干扰〔场干扰〕，通过电磁波辐射窜入系统；二是过程通道干扰，这类干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道及与主机的其它相互通道进入系统；三是供电系统干扰，见图3-7所示。一般情况下，空间干扰在强度上远小于其他两个渠道窜入的干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽与正确地接地，高频波加以解决，故重点防止供电系统与过程通道的干扰。6.7.1HCU的主要干扰源6.7.2硬件电路抗干扰措施硬件电路的抗干扰措施，主要是指在原理设计过程中的所采取的抗干扰措施和在设计电路板的时候所采取的抗干扰措施。本课题共介绍了8种解决电磁干扰的对策，从电路原理设计、系统集成、元器件筛选与匹配、PCB设计与制作、系统热干扰设计等方面综合考虑，制作的HCU在振动测试环境、充放电机试验环境下工作正常，曾在电磁干扰源足以引起台式PC计算机工作失常的条件下HCU依然工作正常。6.7.2硬件电路抗干扰措施接地微机系统中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地和模拟地等，在微机实时控制系统中，接地是抑制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用是可以解决大部分干扰问题。单点接地与多点接地选择。通常在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz时，它的布线和元器件的电感影响较小，而接地电路形成的环流对于干扰影响较大，因而屏蔽线采用一点接地。采用了嵌入式单片机后，我们考虑到信号频率都比较低，我们采用了一点接地的方式。数字、模拟电路分开，电路板上即有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连，要尽量加大线性电路的接地面积。接地线应尽量加粗，若接地用线条很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使微机的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线条加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流。接地线构成闭环路，只用数字电路组成的印刷电路板接地时，根据经验，将接地回路做成闭环路能明显提高抗噪声能力。6.7.2硬件电路抗干扰措施电源线布置电源线的布置除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，采取使电源线、地线走向与数据传递的方向一致，将有助于增强抗噪声能力。・去藕电容配置在印刷电路板的各个关键部件配置去藕电容应视为印刷电路板设计的一项常规做法，电源输入端跨接10～100µF的电解电容器。原则上每个集成电路芯片都尽可能安置一个0.01µF的陶瓷电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500KHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小。电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。在器件布置方面，与其它逻辑电路一样，把相互有关的器件尽量放得靠近些，能获得较好的抗噪声效果，如时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。单片机复位端子“RESET”在强干扰现场会出现尖峰电压干扰，可能会改变部分寄存器状态，因此可以在“RESET”端配置0.01µF去藕电容。CMOS芯片的输入阻抗很高，易受感应，故在使用时，对其不用端接地或接电源正。6.7.3软件抗干扰设计微机应用系统在工业现场使用时，大量的干扰源虽不能造成硬件系统的损坏，但常常使微机不能正常工作，致使控制失灵，造成重大事故，微机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，因此，软件抗干扰问题的研究愈来愈引起人们的重视。・干扰对测控系统造成的后果数据采集误差加大：干扰侵入微机系统的前向通道，叠加在信号上，致使数据采集误差加大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象更加严重。控制状态失灵：一般控制状态的输出多半是通过微机系统的后向通道，由于控制信号输出较大，不是直接受到干扰。但是，在微机控制系统中，控制系统输出常常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中，由于干扰的侵入，都会造成条件状态偏差、失误，致使输出控制误差加大，甚至控制失常。6.7.3软件抗干扰设计数据接收端变化：单片机系统中，由于RAM是可以读写的，因此，就有可能在干扰的侵害下，RAM中数