基于AVR单片机的新能源汽车基础电气系统示教平台的设计研究

闫亚林

（杭州职业技术学院，浙江 杭州 310018）

现有市面上新能源汽车多以电动汽车为主要研究对象，而纯电动汽车主要由电机控制系统、电驱控制系统、电池系统组成，除核心控制系统外还包括基础电气系统，如汽车电源系统、汽车照明与信号系统、汽车仪表及报警系统、汽车转向系统、汽车空调系统及汽车辅助系统。该平台可以展示基础电气控制系统，不仅便于职业院校开展实训实践模块，同时为新能源汽车企业的研发提供指导意义。

1 系统整体设计

新能源汽车基础电气控制系统示教平台以计算机技术、单片机控制技术、汽车基础电气技术为基础，以单片机为核心控制器，结合自行设计的端口扩展电路，实现对新能源汽车基础电气系统的工作状态的展示，模拟新能源汽车的实际运行工况，同时进行运行状态实时监控。该示教平台装置主要由电源系统、ECU控制系统、输入电路、输出电路4部分组成。电源系统设计主要包括车载充电机、蓄电池、DC／DC降压电路；ECU控制系统主要基于单片机实现对整个系统控制信号的处理；输入电路设计包括转向控制电路、转速控制电路、前进／后退控制电路、车速检测、电压检测电路等；输出电路设计包括电机驱动电路、汽车空调电路、照明控制电路、液晶显示电路、电动仪表电路。综合设计新能源汽车基础电气系统示教平台整体结构框图如图1所示。

图1 新能源汽车基础电气系统示教平台整体结构框图

2 系统硬件电路设计

新能源汽车电气控制系统示教平台主要由电源系统、ECU控制系统、输入电路、输出电路4部分组成。下面对硬件设计进行详细分析。

2.1 电源系统

新能源汽车示教平台电源系统DC／DC降压电路是将蓄电池的DC 12V电压变换为DC 5V电压，主要实现ECU控制器等模块的供电，而汽车照明与信号控制系统、驱动电机、汽车空调系统灯都由DC12V供电。电源电路系统设计如图2所示。

图2 电源电路系统设计

2.2 ECU控制系统

自行设计AD数据采集模块主要负责蓄电池电压、车速控制电压、转向控制电压的检测。利用PWM的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小［1］。将PWM用于电机驱动器，用来调节新能源汽车整车的车速和转向；AVR单片机与PCA9555和74HC595进行通信，实现系统需求的16路输入和24路输出的扩展，丰富了ECU控制单元的控制能力。ECU核心控制芯片采用ATMega328位单片机，由于电动汽车控制内容较多，该芯片只有28引脚，I／O口有限，这里采用3片74HC595串／并行芯片进行输出扩展，可以实现24路输出，采用PCA9555 IIC转GPIO控制芯片实现16路输入扩展，符合新能源电动汽车控制接口需求多的要求。ECU控制系统如图3所示，输入扩展模块设计如图4所示，输出扩展驱动模块设计如图5所示。

2.3 输入电路

新能源汽车基础电气系统示教平台的输入电路包括车速检测、各路信号电压检测、电机驱动、汽车照明控制等，现对各输入电路设计进行分析。

1）车速检测：行驶中的汽车要对车速进行实时检测，通过在电机端部加入霍尔传感器进行检测，车轮每转一圈，霍尔传感器会输出120个脉冲，该脉冲经过ECU单元进行计算可以得到实时转速。车速检测信号电路如图6所示。

图3 示教平台ECU

图4 示教平台输入扩展模块

图5 示教平台输出扩展驱动模块

图6 车速检测信号电路

2）电压检测电路：蓄电池是电动汽车的动力系统，也是核心部件，通过对电池电压、电流的检测，可以很好地保护电池，以防止电池过冲、过放电。

3）电机驱动电路：为了模拟电动汽车无刷电机的运行，综合对比选用小型12V直流电机作为该平台电机，该电机设计采用四驱结构，优化设计两个电机共用一个电机驱动模块，电机驱动电路采用L298可以满足12V、2A控制要求。

4）照明控制电路：照明控制包括远光灯、近光灯、小灯、前后转向灯、制动灯、雾灯、倒车灯等共计18个灯，具体布局如图7所示。照明控制电气系统采用DC12V进行供电。

图7 汽车照明系统灯光布局图

2.4 输出电路

新能源汽车基础电气系统示教平台的输出电路包括液晶显示电路、电动仪表控制电路、空调控制系统等，现对各输出电路设计进行分析。

1）液晶显示电路：128×64液晶屏（图8）用于显示整车运行状况，显示内容包括有转向、挡位、车速、储电池电压等。LCD12864带中文字库的128×64是一种具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式的点阵图形液晶显示模块［2］。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示汉字、图形，同时具有人际交互好、低电压、低功耗、成本低的特点［3］。

图8 128×64液晶显示屏

2）电动仪表显示电路 （图9）：电动仪表用于直观反映当前车速和蓄电池电压，采用0～180km／h、0～15V模拟量进行控制。

图9 电动仪表显示电路

3）空调控制系统：结合实际电动汽车空间有限，设计示教装置的空间有限，这里采用半导体制冷片来进行模拟空调制冷和制热效果，在驱动电路方面由于半导体制冷片的驱动电流较大，这里选用低导通电阻的MOSFET场效应管来控制。汽车空调系统驱动电路见图10。

图10 汽车空调系统驱动电路

3 系统软件设计

新能源汽车基础电气系统软件设计主要通过单片机作为核心控制器对所有信号进行采集、处理、分析，发出指令让系统进行相应状态运行，如：车速、蓄电池电压检测、前进、后退、停止等信号。新能源汽车基础电气系统平台软件运行流程图如图11所示。

图11 新能源汽车基础电气系统平台软件运行流程图

4 系统调试分析

经过综合设计，整个控制系统以ECU控制器为中心，充分展现新能源汽车“三电”核心，即电池、电机、电驱控制系统为核心的控制系统。新能源汽车基础电气系统示教平台实物调试如图12所示。首先给新能源汽车基础电气控制系统进行充电，然后上电后将开关放置在运行挡，示教装置控制系统开始初始化，之后打开电源，将车速挡位开关放置在一挡，方向选择前进或后退，则可以控制车轮的前行和后退，同样可以通过不同功能开关控制汽车照明与信号系统各个信号，当车辆运行时示教装置的转速表、电量表结合实际运行状态都有相应的指示数据，同时显示屏将采集的数据实时准确地显示，方便以不同形式实时查看检测的相关数据。

图12 新能源汽车基本电气控制系统实物调试图