CN102929167A - 一种增程式电动汽车整车智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增程式电动汽车整车智能控制器，包括微处理器、电源模块、开关量输入模块、电压模拟量输入模块、脉冲量输入模块、BDM调试接口、开关量输出模块、模拟量输出模块、PWM输出模块、CAN通信模块及IIC通信模块。通过对电源模块进行防反接等设计和开关量输入模块与开关量输出模块的处理，保证了电源模块安全稳定的工作；对开关量输入输出的处理，使得输入输出信号由并行信号转为串行信号，节省微处理器硬件资源，提高控制效率。

Description

一种增程式电动汽车整车智能控制器

技术领域

本发明主要涉及一种电动车辆技术领域的控制器，特指一种增程式电动汽车的整车智能控制器。

背景技术

增程式纯电动汽车是针对目前纯电动汽车受动力电池技术所限，导致续航里程短、成本高的现状，在纯电动汽车基础上，增加了小型发动机和发电机系统，亦称增程器，行驶动力完全由电动机提供的电动汽车。在汽车电量充足时，车辆能够以纯电动工况行驶数十公里，满足日常短途行驶需求，当车载电池电量消耗至最低临界限值时，增程器将自动启动并为电机继续提供电能，以实现高达数百公里的续驶能力。

整车智能控制器是整个汽车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、制动踏板信号等驾驶员行为，根据控制策略控制各动力部件的动作，给予能量最优控制，驱动汽车正常行驶。因此整车智能控制器的性能直接影响着整车性能。

电源模块中的防反接设计是汽车整车控制器的硬件设计中必须考虑的问题，目前汽车整车控制器中常采用的电源防反接设计方法是通过串联肖特基二极管或者并联齐纳二极管的方法予以实现，但这两种方法都有着不可避免的缺陷。同时目前整车控制器中开关量的输入输出通常是直接由微处理器的引脚直接控制，此方法占用微处理器大量IO接口硬件资源，软件轮询控制效率较低，并且为了实现总线隔离需要的大量光耦等硬件资源。

为此，本发明针对上述两个问题设计一种增程式电动汽车整车智能控制器，并通过硬件设计有效地将这两个问题加以改进。

发明内容

本发明一种增程式电动汽车整车智能控制器为了解决整车控制器中电源模块的防反接设计中存在的缺陷以及整车控制器的开关量输入输出模块通常是直接由微处理器的多个引脚直接进行并行控制的设计对微处理器资源要求较高的问题，采用以下技术方案：

一种增程式电动汽车整车智能控制器，该控制器包括微处理器、电源模块、开关量输入模块、电压模拟量输入模块、脉冲量输入模块、BDM调试接口、开关量输出模块、电压模拟量输出模块、PWM输出模块、CAN通信模块及IIC通信模块；

其中电压模拟量输入信号包括加速踏板信号、制动踏板信号、采集温度信号、供电电压V_Test信号；电压模拟量输出信号包括发动机油门控制信号、发电机油门控制信号、电机油门控制信号；

开关量输入信号包括钥匙ON信号、钥匙ACC信号、档位信号等；开关量输出信号包括继电器控制信号、离合器控制信号、发电机启停信号、发动机启动信号等；

脉冲量输入信号包括是主电机转速信号、发电机转速信号、发动机转速信号；

PWM输出模块输出不同占空比的PWM信号；

CAN通信模块负责微处理器与电机控制器、增程器控制器之间通信；

IIC通信模块负责微处理器与复位芯片之间的通信；

所述电源模块的结构为：P-MOS管的漏极经PTC保险丝R1接输入电源VAMS，P-MOS管的漏极通过用于抑制浪涌电压吸收浪涌脉冲的压敏电阻R2接地；第一电容C1和第二电容C2串联后跨接在P-MOS管的漏极与地之间，P-MOS管的栅极经电阻R5接地，第三电容C5跨接于P-MOS管的源极与栅极之间，续流二极管D1的正极和负极分别接P-MOS管的源极与栅极，P-MOS管的源极输出端经一个极性电容C4接地，P-MOS管的源极输出端与电源模块的输出端之间串接有一个隔离电感L1。

所述开关量输入模块至少包括1个并行读入串行输出移位寄存器与第一隔离光耦U18，并行读入串行输出移位寄存器的串行数据输出引脚与第一隔离光耦U18的输入端相连，第一隔离光耦U18的输出端与微处理器的SPI模块的输入端相连；

所述开关量输出模块至少包括1个串行输入并行输出移位寄存器与第二隔离光耦U17，串行输入并行输出移位寄存器的串行数据输入引脚与第二隔离光耦U17的输出端相连，第二隔离光耦U17的输入端与微处理器的SPI模块的输出端相连。

所述开关量输入模块中包含多个并行读入串行输出移位寄存器时，并行读入串行输出移位寄存器采用级联的形式进行依次连接；

所述开关量输出模块中包含多个串行输入并行输出移位寄存器时，串行输入并行输出移位寄存器采用级联的形式进行依次连接。

第三隔离光耦U21输入端与微处理器的SPI模块相连，用于控制并行读入串行输出移位寄存器和串行输入并行输出移位寄存器的片选信号，第三隔离光耦U21输出端与并行读入串行输出移位寄存器的片选信号输入端相连，同时与NPN三极管基极相连，集电极接上拉电阻与串行输入并行输出移位寄存相连；

第四隔离光耦U22输入端与微处理器的SPI模块相连，用于为并行读入串行输出移位寄存器和串行输入并行输出移位寄存器提供时钟信号，第四隔离光耦U22输出端与串行输入并行输出移位寄存器和并行读入串行输出移位寄存器的时钟输入引脚相连。

所述并行读入串行输出移位寄存器和串行输入并行输出移位寄存器的片选信号置反连入电路。

所述电源模块中电阻R3和电阻R4串联后跨接于输入电源VAMS端与地之间，电容C3与电阻R4并联，在电容C3上设置电源电压采集点V_Test。

电气系统的级联，是指把二个以上的设备通过某种方式连接起来，能起到扩容的效果就是级联。

有益效果

本发明一种增程式电动汽车整车智能控制器采用高集成度模块化设计，结构清晰，功能

电源模块的防反接电路设计可在保证正向供电电压的情况下完全抑制反向电压，在电源正向连接时该P-MOS管在导通电流3A情况下电源压降只有21mV，远优于串联肖特基二极管的效果；同时在电源反接时P-MOS管漏极源极导通截止，有效保护后面电路和电源，远优于并联齐纳二极管的效果，可以有效地保证整板安全供电以及电源安全。该电源模块设计中设计有续流二极管D1，钳制电源关断时感性负载产生瞬间反向高压保护电源模块的安全。电源电压采集点V_Test通过电阻R3、R4串联分压可以时时监控供电电压。

开关量输入与输出模块通过微处理器的SPI模块以及串行并行转换芯片将并行信号转换为串行信号传输，并通过高速光耦隔离芯片实现总线隔离。微处理器硬件资源以及外围资源要求少，只用到微处理器的一个SPI模块、四个隔离光耦以及74HC165和74HC595，软件控制简单效率高，只需通过读写SPI模块数据寄存器即可实现开关量输入输出，并且在串行信号高速传输时不会产生相互干扰，数据传输稳定。节省微处理器硬件资源提高控制效率，并且从技术发展来看串行通信是未来的发展趋势。

整车智能控制器通过感知驾驶员控制意图以及车辆各器件的工作状况，并根据控制策略给予相应的控制信号，通过CAN总线实现整车各个模块之间通信以及仪表显示，提供实时信息。此外，该整车智能控制器还具备高可靠性的冗余设计、体积小巧等优点。

附图说明

图1是本发明涉及的增程式电动汽车整车智能控制器结构框图；

图2是现有串联肖特基二极管实现电源防反接设计电路原理图；

图3是现有并联齐纳二极管实现电源防反接设计电路原理图；

图4是本发明涉及的电源防反接设计电路原理图；

图5是本发明中开关量输入74HC165级联原理图，其中（a）、（b）、（c）、（d）图分别是四块依次级联的74HC165芯片；

图6是本发明中开关量输出74HC595级联原理图，其中（a）、（b）、（c）图分别是三块依次级联的74HC595芯片；

图7是本发明中隔离光耦设计电路原理图，其中（a）、（b）、（c）、（d）图分别是开关量输出信号与输入信号与第一隔离光耦、第二隔离光耦、第三隔离光耦及第四隔离光耦的连接电路图。

具体实施方式

以下将结合具体实例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种增程式电动汽车整车智能控制器，该控制器包括微处理器、电源模块、开关量输入模块、电压模拟量输入模块、脉冲量输入模块、BDM调试接口、开关量输出模块、电压模拟量输出模块、PWM输出模块、CAN通信模块及IIC通信模块；

所述电源模块中包括P-MOS管、PTC保险丝、压敏电阻及电容；电源VAMS串接PTC保险丝并联压敏电阻后接P-MOS管漏极，并联两个串联的防静电电容，栅极串联电阻接地，续流二极管与一个电容并联接于漏极与栅极之间，源极输出端并联一个极性电容后串联一个隔离电感实现电源输出。

整车控制器的电源模块一般是利用二极管的单向导通特性实现电源防反接设计：一种是通过串联肖特基二极管实现，如图2所示，但该方案由于二极管的正向导通压降而拉低电源电压影响电源效率，目前导通电流在3A的情况下导通压降只能达到0.5V左右；另一种是通过并联齐纳二极管实现，如图3所示，在电源反接情况下该二极管正向导通，以短路外部电源来保护后面电路安全，但是如果发生电源反接则造成电源正负极直接连通，瞬间产生强大电流会严重损坏电源，并且当外部电源为蓄电池时正负极短接极易引起电池爆炸等危险。

电源模块中的电源保护电路的主要功能是为整板供电提供防反接保护、静电和浪涌保护、防止供电电压跌落、抑制功率电源端的旁路干扰。如图4所示，电源正向连接时Q1栅极电平为0V，P-MOS管漏极源极导通，电源由漏极输入源极输出提供供电。电源VAMS经过3A的自恢复保险丝PTC R1为整板供电提供过流保护。R2为钳制电压为18V的压敏电阻，它的主要作用是吸收能量较大的浪涌脉冲，如ISO7637中规定的脉冲5b和其他电源线上的正脉冲干扰。Q1为Vds=-30V，Id=-50A的P-MOS，它的作用是为整板供电提供防反接保护，在电源正向连接时该P-MOS管漏极源极电阻R_on只有7mΩ故导通电流在3A情况下电源压降只有21mV，对电源影响可以忽略。图4中V_Test是电源电压采集点，微处理器用以监控电源电压工作状况。

开关量输入模块中的开关量输入由并行读取串行输出移位寄存器74HC165实现多路开关量的串行输入，经U18第一隔离光耦HCPL-M600实现总线隔离后，微处理器通过SPI模块接收开关量数据。该整车智能控制器设计32路开关量输入，故由四片74HC165级联获得串行信号，级联方式如图5所示，(a)所示的74HC165的输出脚Q7接(b)图所示的74HC165的输入脚DS，(b)图所示的74HC165的Q7输出脚接(c)图所示的74HC165的输入脚DS，(c)图所示的片74HC165的输出引脚Q7接(d)所示的74HC165的输入脚DS，以此实现四片级联。

开关量输出模块。开关量输出由微处理器的SPI模块将开关量信号串行信号经U17第二隔离光耦HCPL-M600实现总线隔离后输出至串行输入并行输出移位寄存器74HC595实现多路开关量串行信号到并行信号的转换并输出。该整车智能控制器设计24路开关量输出，故由3片74HC595级联输出并行信号，级联方式如图6所示，(a)所示的74HC595的输出引脚Q7'接(b)图所示的74HC595的DS输入脚，(b)图所示的74HC595的输出引脚Q7'接(c)图所示的片74HC595的DS输入脚，以此实现级联。

该电路设计中开关量串行输入与开关量串行输出共用微处制器的一个SPI模块，故74HC165与74HC595共用SPI时钟脉冲信号，如图7（c）所示；由于74HC165与74HC595的控制时序差异，需要将74HC165与74HC595的片选信号置反以实现同步通信，如图7(d)所示。

通过上述外围模块与微处理器之间的数据通信，从硬件上已经满足增程式纯电动汽车的整车控制，再根据整车智能控制器策略达到增程式电动汽车的最优控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种增程式电动汽车整车智能控制器，其特征在于，该控制器包括微处理器、电源模块、开关量输入模块、电压模拟量输入模块、脉冲量输入模块、BDM调试接口、开关量输出模块、电压模拟量输出模块、PWM输出模块、CAN通信模块及IIC通信模块；

所述电源模块的结构为；P-MOS管的漏极经PTC保险丝（R1）接输入电源VAMS，P-MOS管的漏极通过用于抑制浪涌电压吸收浪涌脉冲的压敏电阻（R2）接地；第一电容（C1）和第二电容（C2）串联后跨接在P-MOS管的漏极与地之间，P-MOS管的栅极经电阻（R5）接地，第三电容（C5）跨接于P-MOS管的源极与栅极之间，续流二极管D1的正极和负极分别接P-MOS管的源极与栅极，P-MOS管的源极输出端经一个极性电容（C4）接地，P-MOS管的源极输出端与电源模块的输出端之间串接有一个隔离电感（L1）。

2.根据权利要求1所述的增程式电动汽车整车智能控制器，其特征在于，所述开关量输入模块至少包括1个并行读入串行输出移位寄存器与第一隔离光耦（U18），并行读入串行输出移位寄存器的串行数据输出引脚与第一隔离光耦（U18）的输入端相连，第一隔离光耦（U18）的输出端与微处理器的SPI模块的输入端相连；

所述开关量输出模块至少包括1个串行输入并行输出移位寄存器与第二隔离光耦（U17），串行输入并行输出移位寄存器的串行数据输入引脚与第二隔离光耦（U17）的输出端相连，第二隔离光耦（U17）的输入端与微处理器的SPI模块的输出端相连。

3.根据权利要求1或2任一项所述的增程式电动汽车整车智能控制器，其特征在于，所述开关量输入模块中包含多个并行读入串行输出移位寄存器时，并行读入串行输出移位寄存器采用级联的形式进行依次连接；

所述开关量输出模块中包含多个串行输入并行输出移位寄存器时，串行输入并行输出移位寄存器采用级联的形式进行依次连接。

4.根据权利要求3所述的增程式电动汽车整车智能控制器，其特征在于，第三隔离光耦（U21）输入端与微处理器的SPI模块相连，用于控制并行读入串行输出移位寄存器和串行输入并行输出移位寄存器的片选信号，第三隔离光耦（U21）输出端与并行读入串行输出移位寄存器的片选信号输入端相连，同时与NPN三极管基极相连，集电极接上拉电阻与串行输入并行输出移位寄存相连；

第四隔离光耦（U22）输入端与微处理器的SPI模块相连，用于为并行读入串行输出移位寄存器和串行输入并行输出移位寄存器提供时钟信号，第四隔离光耦（U22）输出端与串行输入并行输出移位寄存器和并行读入串行输出移位寄存器的时钟输入引脚相连。

5.根据权利要求4任一项所述的增程式电动汽车整车智能控制器，其特征在于，所述并行读入串行输出移位寄存器和串行输入并行输出移位寄存器的片选信号置反连入电路。

6.根据权利要求5所述的增程式电动汽车整车智能控制器，其特征在于，所述电源模块中电阻（R3）和电阻（R4）串联后跨接于输入电源VAMS端与地之间，电容（C3）与电阻（R4）并联，在电容（C3）上设置电源电压采集点V_Test。

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