非乘用纯电动汽车电源控制器的硬件设计

李鹏伟 冯婧 冯晓姗 王新洁 袁月

摘 要：本文主要研究了非乘用纯电动汽车电源控制器的硬件设计，目的是采用电源控制器实现整车电源控制及相关电控单元的协调控制，主要功能有动力电池供电控制、驾驶人意图判断处理、与其他控制器通信、故障处理及响应等。可靠的电源控制器可以解决非乘用纯电动汽车线束复杂、可靠性差、故障率高等问题。

关键词：电动汽车；电源控制器；硬件

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0128-03

Hardware Design of Power Controller for Non Multiplicative

Pure Electric Vehicle

LI Pengwei FENG Jing FENG Xiaoshan WANG Xinjie YUAN Yue

（Xi'an Automotive Technology Vocational College，Xi'an shaanxi 710000）

Abstract： This paper mainly studied the hardware design by use of non pure electric vehicle power controller. The purpose was to coordinate control using power controller realize vehicle power control and related electronic control unit， the main function of the power battery power supply control， driver intention judgment processing， and other control communication and fault handling and response etc. The hardware design of the power controller also includes the design of electromagnetic interference and the function test. A reliable power controller can solve the problems of complex， poor reliability and high failure rate of non multiplicative pure electric vehicle.

Keywords： electric vehicle；power controller；hardware

随着全球汽车工业的快速发展，石油供求矛盾加剧，全球气候变暖日益明显。在此背景下，以节能减排为重要目标的新能源汽车技术不断取得突破。纯电动汽车、混合动力汽车等类型多样，非乘用纯电动汽车发展市场广阔。随着“三电”技术的快速发展，电机控制器、电池管理器、DC-DC等电气设备通常需要由整车控制器或整车控制单元（VCU）对各控制单元进行协调控制[1]。纯电动汽车整车控制是系统以VCU为核心部件，电池、电机及充电系统为外围辅助系统的一套完整的电控系统[2]。非乘用纯电动汽车应用广泛，普遍应用于警用巡逻车、旅游观光车、老年代步车等。非乘用纯电动汽车的结构和控制系统相对简单，很多车辆没有整车控制器，因此线束较为复杂，可靠性低，故障率高。本文研究的电动汽车电源控制器采用意法半导体公司出品的32位ARM微控制器控制，能实现整车控制器的基本功能，使车辆线束减少，可靠性提高，降低整车故障率和装机成本。

1 电源控制器的主要功能

本文设计的电源控制器是非乘用纯电动汽车的指挥中心，主要功能为：通过采集、分析和处理各种传感器的模拟信号及各种开关的数字信号来判断驾驶人的意图，向执行器驱动电路发送控制信号，与车辆其他控制单元通信以协调各部分有序工作，存储各系统的故障信息等。现在对以下功能进行具体分析。

1.1 驱动电机控制

市场中现有的非乘用纯电动汽车驱动控制方案较为简单，驱动电机的转速由单加速踏板位置的传感器将信号送至电机控制器来控制，驱动电机的转向是由单刀双掷开关信号送至电机控制器控制或由直流接触器转换电极控制。对于单电机驱动的纯电动汽车，通常由电机控制器代替整车控制器实现控制功能[3]。本文设计的电源控制器先采集双加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器的信号，经过处理后再将控制信号送至电机控制器，以控制驱动电机的转速和转向，使驱动系统具备安全性和可靠性。

1.2 通信功能

电源控制器设计有两路CAN网络通信驱動电路。CAN网络通信速度可以灵活配置，主要可以和电机控制器、电池管理单元等控制单元通信，由电源控制器协调控制。

1.3 低压电源系统控制

当电源控制器通过接触器控制电路接通驱动系统电源后，DC-DC的输出端应该输出14V的直流电，给整车提供辅助电源。电源控制器监测到该电压值后即可接通DC-DC的输出通路。

1.4 故障处理及报警

电池管理单元或绝缘监测装置监测到驱动电池系统存在故障或整车绝缘存在故障时，会通过专用的通道向电源控制器发送故障信号，由电源控制器根据安全控制策略做出安全保护响应，包括但不限于断开接触器控制电路信号。

1.5 其他驱动与控制

电源控制器设计了其他驱动电路和控制电路，通过其他待控电气设备的控制开关，将开关信号送至电源控制器，由电源控制器判断后用于控制相应电气设备的工作，如大灯、雨刮器等。

2 电源控制器的硬件设计

电源控制器的硬件框架如图1所示。其硬件电路组成与乘用汽车整车控制器基本类似，主要包括：微控制器、存储电路、开关量输入电路、模拟量输入电路、电源电路、外设驱动电路和通信驱动电路等。

2.1 微控制器

本文设计选用意法半导体公司出品的32位ARM微控制器控制，型号为STM32F429VIT6，内核为32位Cortex-M4 CPU，主频高达180MHz，3个12位的ADC，共有24通道，2个12位的DAC，I/O口功能丰富，支持多种通信协议，比较适合本文的设计。从图1可知，微控制器处理模拟信号主要通过其内部自带的ADC，处理数字信号主要通过I/O口的普通信号输入功能，控制报警、水泵、风扇、接触器及其他电气设备主要通过I/O口的普通信号输出功能，与CAN网络驱动电路通过专用引脚连接。

2.2 存储器

考虑到需要存储的内容不多，微控制器内部的存储空间足够存放软件代码，只需要存储少量的数据即可，因此本设计选用了型号为AT24C512的存储芯片。AT24C512是ATMEL公司生產的64KB串行电可擦的可编程存储器，采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大和电路搭接方便等特点，在测控系统中被大量运用。

2.3 开关量输入电路

汽车上的开关信号主要是12V电位，开关量输入电路需要将12V的电压降压后送至微控制器。因此，该电路采用电阻分压的方式。

2.4 模拟量输入电路

冷却液温度传感器采用12V供电，DC-DC的输出电压在14V左右，因此，信号会高于微控制器ADC模块的最大输入电压，模拟量输入电路也采用电阻分压的方式降低采集电压。对于加速踏板位置的传感器和制动踏板位置的传感器，电源控制器直接为其提供5V电压，模拟量输入电路下拉后直通微控制器。

2.5 电源电路

整车控制器在实际工作中会出现供电过低或者过高的情况，使整车控制器在欠压过压情况下运行[4]。电源电路采用BD9781型稳压芯片，该开关稳压控制器具有宽输入电压范围（7～35V或7～48V）和温度范围（-40°～+125°C或-40～+95℃）。其输出电压可通过外围电路设计改变，适应性好。电源电路完全按照数据手册设计，外围器件的参数根据需要可通过技术手册内的计算公式来确定。用该芯片有效实现了12V的稳压电源，但部分电路需要5V电源和3.3V电源，因此，在电源电路后端采用LM2940S芯片提供5V电源，用AMS1117-3.3芯片提供3.3V电源，每个芯片的前后端设计电容滤波即可。

2.6 外设驱动电路

电源控制器还可以驱动其他外部设备，如电机、直流接触器和灯光等。在外设驱动电路部分，主要采用BTS611L1双通道高端电源开关，其可作为两路设备的电源开关，可通过微控制器I/O口的输出功能直接控制。电源控制器内部采用TLE5205-5芯片驱动两路电机。具体电路接法可参考相关芯片的数据手册。

2.7 通信驱动电路

CAN网络是现代汽车控制单元间通信的主流协议。笔者设计了两路CAN网络通信驱动电路，选用非常可靠的TJA1050芯片作为网络驱动器，无需设计网络控制器，该功能由微控制器自身实现。两路CAN网络驱动电路可分配为一路带终端电阻，一路不带终端电阻。

3 电磁兼容与可靠性设计

电动汽车在运行时产生的电磁干扰很强，会对控制器造成较大影响，从而导致程序“跑飞”，车辆失控。电磁干扰的三要素是：干扰源、干扰传输途径和干扰接收器。整车控制器运行的环境恶劣，因此PCB设计也成为整车控制器开发的一个非常重要的部分[5]。最基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波和接地[1]。因此，在设计电源控制器时应从这三个方面入手，如合理排布各个元器件的位置，合理设计各元器件之间走线的长短、位置和线径，模拟的和数字的分开布设，全板上下对地铺铜，带散热片的SMD贴装位开通风洞，主要芯片电源分别设计电源滤波电路，壳体采用全封闭金属壳等。电路电磁兼容性不可忽视，详细设计方法可以参阅电路设计相关书籍和资料。

良好的电磁兼容性可以提高电源控制器的工作可靠性。加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器采用双路采集方式，即两个传感器，这种冗余设计的思想贯穿了车辆电控系统设计的诸多方面，是提高系统可靠性的主要方法。

4 硬件测试

全面的测试是保证电源控制器质量的必要手段。控制器的测试包括单元电路测试和系统集成测试。单元测试主要针对控制器上不同功能模块的功能进行测试，检验信号的完整性、各单元电路的总体耐压能力及对外驱动能力等。系统集成测试是在各单元电路的基础上进行的整机测试，以验证整机功能的正确性、信号完整性等。详细的测试方法可以根据实际电路的设计查阅国标及相应的技术资料。

5 结语

本文设计了一款非乘用纯电动汽车电源控制器，相对于乘用汽车的整车控制器，该电源控制器适应性好、成本低，可以提高非乘用纯电动汽车的控制可靠性，大大降低了故障率和维修难度。不足之处是故障处理功能不完善。后期研究中，应加强故障处理电路的设计，使整车电气控制系统出现故障后，可以通过简易的方式找出车辆的故障点，便于维护和维修。

参考文献：

[1]朱军.新能源汽车动力系统控制原理及应用[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

[2]翟世欢，辛明华，于兰.纯电动汽车整车控制策略[J].汽车工程师，2014（12）：26-29.

[3]张翔.纯电动汽车整车控制器进展[J].汽车电器，2011（2）：1-5.

[4]邓杰，苟小义，宋春华，等.纯电动汽车整车控制器测试系统综述[J].汽车实用技术，2017（18）：105-108.

[5]游运旺.纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计[J].机电技术，2017（2）：51-53.