純電動汽車整車控制器硬件設計*

馬宇坤 郭艷萍 翟世歡 周能輝

（天津清源電動車輛有限責任公司）

純電動汽車是由多個子系統構成的一個復雜系統，各子系統幾乎都通過其控制單元（ECU）來完成各自功能和目標。為了滿足整車動力性、經濟性、安全性和舒適性的目標，各系統還必須彼此協作，優化匹配。因此，必須要有一個整車控制器來管理協調電動汽車中的各個部件。整車控制器通過采集駕駛員的操作信息與汽車狀態，進行分析與運算，通過CAN總線對網絡信息進行管理和調度，并針對車型的不同配置，進行相應的能量管理，實現整車驅動控制、能量優化控制、制動回饋控制和網絡管理等[1]。

1 功能需求

電動汽車結構框圖，如圖1所示。

文中整車控制器的硬件設計基于ISO26262標準進行，以達到安全性和可靠性要求[2]。電動汽車的整車通信網絡是以整車控制器為主節點，基于CAN或FlexRay總線的分布式動力系統控制網絡，通過該網絡，整車控制器可以對純電動汽車動力鏈的各個環節進行管理、協調和監控，提高整車能量利用效率，確保汽車安全性和可靠性。整車控制器的主要功能如下。

1）控制策略的實現：執行整車控制策略，完成對電動汽車的運行控制；

2）網絡管理：監控通信網絡，進行信息調度，負責信息匯總，對外部監控設備起到網關的作用；

3）故障診斷處理：診斷控制器內部電路、模塊及軟件、傳感器、執行器和系統其他部件故障并進行相應的故障處理，按照標準格式存儲故障碼；

4）在線配置和維護：通過車載標準CCP協議，進行控制參數修改、匹配標定、功能配置、監控及基于標準接口的調試等。

2 硬件架構

整車控制器的整體硬件框圖，如圖2所示。

從功能上可以把整車控制器分為5個模塊。

1）微控制器模塊：本設計的主控制芯片選用TC1782，是整車控制器的控制核心，包括主控制芯片（微控制器）及其外圍電路，負責數據的運算及處理，也是控制方法實現的載體；

2）電源模塊：為各輸入和輸出模塊提供電源，并對蓄電池電壓進行監控，與微控制器相連；

3）信號處理模塊：用于模擬和數字量輸入信號的調理，包括模擬量信號處理和數字量信號處理，其一端與傳感器或開關相連，另一端與微控制器相接；

4）功率驅動模塊：用于驅動多個繼電器或系統狀態指示燈，包括低端驅動和PWM驅動兩部分，與微控制器通過I/O相連，另一端與被控繼電器（低端驅動）或指示燈（PWM驅動）相接，微處理器可通過SPI總線進行故障診斷；

5）通訊模塊：整車控制器與其他設備相連的接口，包括兩路CAN總線、一路FlexRay總線、一路LIN總線及一路RS232總線，其中CAN總線是整車控制器最重要的對外通訊接口。

3 各功能模塊電路設計

3.1 微控制器模塊

微控制器模塊是滿足TC1782能夠正常工作的最小系統，即微控制器及其外圍電路。外圍電路包括晶振和JTAG等滿足微控制器仿真與編程等基本工作必須的基礎電路。

3.2 電源模塊

電源模塊是ECU的核心模塊，它直接關系到整個ECU的正常工作情況。汽車內部電控單元眾多，彼此一起構成了一個復雜的電子環境。電動汽車運行時的電源環境對電控單元來說非常苛刻。以12V電源系統為例，其必須能在6～16V的電壓范圍內正常工作，而且還要應對汽車冷啟動、感性負載關斷時產生的浪涌電壓干擾、大負載開啟時的電壓跌落及電源反接等電源線的傳導干擾，以及外界環境帶來的電磁輻射等干擾。為了保證系統的可靠性，電源模塊的設計必須滿足相應的指標。

電源模塊還應該提供電源為外部傳感器供電，以保證當外部傳感器電源短路時控制系統還能正常工作，保證系統的安全可靠。因此在整車控制器的電源模塊設計中，選擇了DC/DC控制芯片TLE7368作為電源控制芯片，其應用電路原理圖，如圖3所示。

TLE7368控制芯片通過DC/DC預變換電路輸出5.5 V電壓給外部傳感器供電，這樣大大減少了系統的功耗，還可以通過C836控制上電復位的時間。同時電路設計中通過鑰匙開關和充電開關信號來控制TLE7368的輸出，當鑰匙關閉后整個系統處于低功耗的休眠模式，這樣能夠保證啟動或關閉時對電源的影響最小。TLE7368片內集成了兩路傳感器供電電源，并帶有電流限制，當出現短路時，系統可以自診斷，保證了整個控制系統本身的安全性。

3.3 通訊模塊（CAN總線）

CAN總線（2.0A/B）以其極高的可靠性和穩定性在汽車上得到廣泛應用。本設計中使用的TC1782帶有3個CAN通訊模塊且使用方便，故只需添加必要的外圍收發接口電路就能完成相應設計。由于單片機采用3.3 V系統，所以用TLE6250GV33作為CAN總線的收發接口，采用完善的共模及差模濾波電路設計，并利用D200進行ESD保護。

整車控制器中有一路CAN通訊采取隔離設計，通過光耦實現并依靠DC/DC電源供電。整個系統的CAN通訊設計原理，如圖4所示。

3.4 信號處理模塊

信號處理模塊是整車控制器對外的模擬量和數字量接口，是對整車實施控制的基礎，沒有正確與可靠的信號輸入，再復雜和有效的控制策略也不可能得到良好的控制結果，同時所有的輸入信號都有可能會引入各種的故障和干擾，為了保護控制單元，模擬量和數字量接口還必須具有故障保護和診斷功能。因此本次模擬量和數字量接口的設計指標是：1）對地、對電源短接保護；2）開路、對地、對電源短接診斷；3）所有的傳感器都具有故障時的默認狀態；4）ESD保護；5）低通濾波。

為了使控制系統簡單且可靠，整車控制器采用RC對模擬量和數字量進行濾波。其應用電路原理圖，如圖5所示。當電壓超過設定值時，通過二極管進行嵌位，從而保護TC1782不受損害。

3.5 功率驅動模塊

功率驅動主要是繼電器的驅動，本設計中整車控制器需要18路的驅動輸出，均采用低端控制形式。

本設計使用芯片TLE8110實現低端驅動功能。TLE8110具有10路輸入管腳的直接控制及與SPI組合的并行控制的功能，利用TC1782上的通用IO，能輕松實現整車的電磁閥和繼電器的控制功能。當有故障時，芯片會自動檢測相應的故障，并保持在故障寄存器中，再利用TC1782上的SPI總線能讀取每個通道的故障內容，有利于整個控制系統的故障診斷，利用其reset管腳和SPI指令也能清除故障內容和禁止所有通道的輸出，其電路原理圖，如圖6所示。

芯片TLE7244具有4路輸入管腳的直接控制及與SPI組合的并行控制的功能，在本設計中被用來實現PWM驅動功能。利用TC1782上的通用IO和SPI通信，能實現整車的PWM輸出和繼電器的控制功能。當有故障時，芯片會自動檢測相應的故障，并保持在故障寄存器中，再利用TC1782上的SPI總線能讀取每個通道的故障內容，有利于整個控制系統的故障診斷，利用其reset管腳和SPI指令也能清除故障內容和禁止所有通道的輸出，其電路原理圖，如圖7所示。

4 可靠性設計

整車控制器作為電動汽車的大腦，必須具有高安全性，整車控制器的硬件設計應該能夠滿足ISO26262的ASIL-D的安全級別要求，雖然TC1782內部集成有2個處理器，但由于TC1782中的CPU和PCP核是在同一個芯片中，處于相同的環境下，可能會存在相同的故障類型，因而需要第3個安全監控芯片CIC61508來監控TC1782的運行情況。

TC1782監控給安全監控芯片的供電電源是否正確，安全監控芯片監控除自己的供電之外的所有電源是否正確；MCU和安全監控芯片之間通過SPI總線進行通信及一系列的安全監控，包括：1）TC1782的執行代碼測試；2）TC1782 的任務執行情況監控；3）TC1782計算數據的比較；4）SPI通信狀態的監控。

當系統不正常時，安全監控芯片直接禁止整車控制器的功率輸出，同時對TC1782進行復位操作。

5 結論

開發的該款電動汽車整車控制器不僅滿足電動汽車的各種功能需求，而且具有良好的安全性與可靠性。提高了整車的性能與能量的利用效率，具有廣闊的使用空間。