CN104354654A

CN104354654A - 基于纯电动汽车的集成控制装置

Info

Publication number: CN104354654A
Application number: CN201410482717.4A
Authority: CN
Inventors: 吕振华; 杜晓佳; 王可峰; 尹颖; 王海川
Original assignee: Beijing Electric Vehicle Co Ltd
Current assignee: Beijing Electric Vehicle Co Ltd
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: CN104354654B

Abstract

本发明是一种用于纯电动汽车的集成控制装置，它将整车控制器和电池管理系统主控板集成在同一电路板上，使之具有整车控制器和电池管理系统两者的功能；其中，微处理器VBU是集成控制装置的核心，它包括两个独立的微控制器；由两个独立的电源芯片各自单独地为所述的两个微控制器供电。两个微控制器之间通过SPI进行通讯并能互相检测是否发生异常，并实时对异常情况进行处理，以使整个系统保持正常工作状态。本发明的优点是：为纯电动汽车的零部件布置节省了更大的空间，更为整车的成本节约带来更大的益处；保留了原来整车控制器与电池管理系统所必备的功能及安全等级；可采集到更多的输入信号和控制更多的输出信号，最大限度地实现了两个功能控制器的深层次集成。

Description

基于纯电动汽车的集成控制装置

技术领域

本发明属于纯电动汽车中的设备，具体属于纯电动汽车中的集成控制装置。

背景技术

纯电动汽车整车控制器(Vehicle Control Unit，简称VCU)是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，它对汽车的正常行驶、再生能量回收、网络管理、故障诊断与处理、车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。一方面，VCU通过自身数据采集模块获取驾驶员需求信息，另一方面与电机控制器、电池管理系统、电动辅助系统等部件组成CAN总线网络，可以实时获取当前整车状态、电机、电池、电动辅助等部件的参数，采用优化算法协调电动辅助部件和电机运行，在满足驾驶员对整车的动力性和舒适性需求的前提下，最大限度的节约电能的消耗。

纯电动汽车电池管理系统(Battery Management System，简称BMS)是电池与用户之间的纽带，能准确评估电池剩余电量，通过自动充电控制保证电池电量维持在合理的范围内。当电池系统出现过流、过压和过温时，能自动切断电池充放电回路，在充电过程中，通过单体电池均衡充电，使电池组中每个单体电池都达到均衡的状态。并且能自动检测电池功能是否正常，采用CAN总线的方式与整车其他部件进行通讯。

在石油资源枯竭和环境污染严重的双重压力下，纯电动汽车的高节能、低污染的优点，使其成为了当代汽车发展的主要方向，对纯电动汽车关键技术进行开发和研究具有非常重要的意义。纯电动车的三大核心电控技术：电机控制器、电池管理系统和整车控制器，承担整个纯电动汽车的综合控制，其可靠性直接影响纯电动汽车的整车可靠性，关系到纯电动汽车的整车安全性。一般情况下，在传统车上不同功能的控制器都是独立安装在车上不同的位置。近年来，随着纯电动车各种控制器的开发技术趋于成熟，在纯电动车上不同功能控制器的集成已成为一种必然的趋势，为纯电动汽车的零部件布置节省了更大的空间，并减少整车零部件的装配数量，更为整车的成本节约带来更大的益处，且保证了整个控制系统的性能和安全可靠性。

在国外，丰田、日产、通用等整车企业，德尔福、博世等汽车电子零部件巨头，都在进行纯电动车控制系统的研发和生产，并不同程度地将两个不同功能控制器集成在一起。国内市场纯电动汽车电控产品主要由整车厂自主开发，或者由一些高校进行研发。整车控制器、电机控制器和电池管理系统之间通过CAN总线通信。目前已有的相近似的方案是：将整车控制器与电机控制器集成在一起，整车控制器对纯电动汽车动力链的各个环节进行管理、协调和监控，通过硬线采集驾驶员驾驶信号，通过CAN总线获得电机、电池、仪表、车身、其他辅助系统的相关信息，进行分析和运算，通过CAN总线给出管理指令，通过汽车级驱动芯片控制继电器实现整车驱动控制、能量优化控制和制动回馈控制。同时对电机控制器进行安全性能监测以及辅助管理和控制。电机控制器通过硬线采集旋变信号、相电流信号、温度检测、母线电压检测等信号，驱动电动的运转和旋转，通过CAN总线数据交互实现电机驱动控制和自身故障诊断。同时对整车控制器进行安全性能监测以及辅助管理和控制。

现有的一种技术是纯电动车没有单独设计整车控制器，而是集成在电机控制器内部，这种设计方案缺点是不能保证对整个系统进行能量管理及各部件的协调控制的准确性，当系统数据交换量大时，实时性和可靠性不能满足要求，从而影响整车性能。另一种技术是纯电动车将不同功能控制器集成，这种集成方式的缺点是仅仅实现了简单层面的集成，在集成度深入方面需要进一步研究，集成后的控制器在功能安全等级方面仍需要独立考虑才能达到原有的等级。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种性能安全可靠的用于纯电动汽车的集成控制装置。

本发明的技术方案为：

一种用于纯电动汽车的集成控制装置，将整车控制器和电池管理系统主控板集成在同一电路板上，使之具有整车控制器和电池管理系统两者的功能；其中，微处理器VBU是集成控制装置的核心，它包括两个独立的微控制器；由两个独立的电源芯片各自单独地为所述的两个微控制器供电。

两个微控制器分别采用TC1782和XC2234芯片，其中，TC1782为主芯片，XC2234为从芯片；两个电源芯片分别采用TLE7368和MAX6795芯片；电源芯片TLE7368单独给微控制器TC1782供电，电源芯片MAX6795单独给微控制器XC2234供电。

两个微控制器之间通过SPI进行通讯并能互相检测是否发生异常，并实时对异常情况进行处理，以使整个系统保持正常工作状态。

微控制器TC1782采集输入信号并进行处理，微控制器XC2234通过SPI与TC1782之间进行安全性能监测和安全监控信息的交互，若TC1782发生异常，XC2234则对整个控制系统进行辅助管理和控制；同时，微控制器XC2234采集输入信号并进行处理，微控制器TC1782通过SPI与XC2234之间进行安全性能监测和安全监控信息的交互，若XC2234发生异常，TC1782则对整个控制系统进行辅助管理和控制。

两个微控制器芯片均达到32位性能；均支持在线仿真调试；主芯片和从芯片的特点是：主频分别可达180MHz和80MHz；芯片上FLASH程序存储器分别为2.5Mbyte和160Kbytes；AD通道分别为32通道和19通道；拥有CAN模块分别为三路和两路；用于数字信号的处理I/O通道分别可达到86通道和48通道。

微控制器TC1782采集的输入信号包括：加速踏板信号、档位信号、快慢充唤醒监控、主、从芯片供电电压监控、真空助力压力传感器信号、空调冷暖选择、蒸发器温度传感器信号、快慢充连接确认信号、充电门板信号、转向助力压力开关、制动踏板信号、制动灯信号、PTC开关、空调管路压力、DC/DC故障信号、空调A/C请求信号；控制的输出信号为：高低速风扇继电器、冷却水泵上电控制、空调系统继电器、倒车灯继电器、总负继电器开关、EPS助力转向车速、仪表充电灯点亮；其他信息，如车速、电机扭矩、电机转速、电机故障状态、电池SOC、电池电压、电池电流和电机控制器温度信息是通过高速CAN总线与整车其他控制器进行通讯。

微控制器XC2234采集的输入信号包括：加速踏板信号、加速踏板电源监控、档位信号、档位信号电源监控、主、从芯片供电电压监控、真空助力压力传感器信号、制动踏板信号、制动灯信号、DC/DC故障信号、高低压互锁信号、EPS故障信号、安全带信号；控制的输出信号为：高低速风扇继电器、冷却水泵上电控制、空调系统继电器、倒车灯继电器、总负继电器开关、EPS助力转向车速、仪表充电灯点亮；其他信息，如车速、电机扭矩、电机转速、电机故障状态、电池SOC、电池电压、电池电流和电机控制器温度信息是通过高速CAN总线与整车其他控制器进行通讯。

VBU电路中使用SPI预驱动芯片作为低边驱动，由两个微控制器同时使用能和主芯片的SPI通讯，用来控制车载充电状态灯、高低速风扇继电器、EPS助力转向车速、空调压缩机转速控制、冷却水泵上电控制、倒车灯继电器、心跳信号、快充正负极继电器、PTC上电和空调压缩机上电控制。

本发明既保留了原来整车控制器与电池管理系统所必备的功能及安全等级，又最大限度地实现了两个功能控制器的深层次集成，降低了纯电动车零部件生产成本，节省了总布置空间。本发明就是在满足纯电动汽车整车控制器和电池管理系统这些功能的情况下，开发了一种将整车控制器和电池管理系统两者集成的控制器，为纯电动汽车的零部件布置节省了更大的空间，更为整车的成本节约带来更大的益处，且保证了整个控制系统的性能安全可靠。本发明的优点综合为：一是开发了一种将整车控制器和电池管理系统主控板集成在同一电路板上的控制器，为纯电动汽车的零部件布置节省了更大的空间，更为整车的成本节约带来更大的益处；二是提出一种性能安全可靠的用于纯电动汽车的集成控制装置，两个微控制器之间通过SPI进行通讯并能互相检测是否发生异常，并实时对异常情况进行处理，以使整个系统保持正常工作状态，保留了原来整车控制器与电池管理系统所必备的功能及安全等级；三是集成控制装置中使用两个独立的电源芯片TLE7368和MAX6795为两个微控制器TC1782和XC2234分别供电，可采集到更多的输入信号和控制更多的输出信号，最大限度地实现了两个功能控制器的深层次集成。

附图说明

图1为集成控制装置微控制器TC1782的结构框图。

图2为集成控制装置微控制器XC2234的结构框图。

图3为数字量处理电路框图。

图4为CAN总线通信接口电路框图。

图5为集成控制装置供电方案方框图。

具体实施方式

纯电动汽车整车控制器(VCU，Vehicle Control Unit)，即动力总成控制器。是整个汽车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作，驱动汽整车控制器通过采集司机驾驶信号和车辆状态，通过CAN总线对网络信息进行管理，调度，分析和运算，针对车型的不同配置，进行相应的能量管理，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动回馈控制和网络管理等功能。

纯电动汽车电池管理系统(BMS)作为电池系统的重要组成部分，具有实时监控电池状态、优化使用电池能量、延长电池寿命和保证电池的使用安全等重要作用。电池管理系统对整车的安全运行、整车控制策略的选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大影响。电池管理系统无论在车辆运行过程中还是在充电过程中都要可靠地完成电池状态的实时监控和故障诊断，并通过总线的方式告知车辆集成控制装置或充电机，以便采用更加合理的控制策略，达到有效且高效使用电池的目的。

本发明是一种将整车控制器和电池管理系统两者集成在同一电路板上的控制装置，具有整车控制器和电池管理系统两者的功能；微处理器VBU是集成控制装置的核心，它包括两个微控制器。集成控制装置为纯电动汽车电控系统的两大核心部件VCU与BMS的集成，负责数据的采集和处理、逻辑运算以及控制的实现等，集成控制装置的设计是整个电控系统设计过程中最重要的任务。根据集成控制装置的功能和要求，本发明的集成控制装置在设计开发过程中采取模块化的设计思想。图1和图2为集成控制装置两个微控制器的结构框图。

微处理器是集成控制装置的核心，VBU中的微处理器芯片必须满足以下条件：功能强大的指令系统、丰富的实时中断资源、高速的输入输出能力、适合复杂的工作环境、价格适宜等。综合性能和价格的因素，此版VBU控制系统选用英飞凌TriCore平台的32位单片机TC1782为主芯片，选用英飞凌功能强大的16位单片机XC2234为从芯片，TC1782和XC2234分别具有以下优点：

两款芯片均达到32位性能，主频可达180MHz和80MHz；

芯片上FLASH程序存储器分别为2.5Mbyte和160Kbytes；

AD通道分别为32通道和19通道；

拥有CAN模块分别为三路和两路；

用于数字信号的处理I/O通道可达到86通道和48通道；

支持在线仿真调试。

集成控制装置采集的模拟量信息包括：加速踏板信号、真空助力压力传感器信号、空调冷暖选择、蒸发器温度传感器信号、快慢充连接确认信号和鼓风机调速信号等。采集到的数字量包括充电门板信号、转向助力压力开关、制动踏板信号、制动灯信号、PTC开关、空调管路压力、DC/DC故障信号、空调A/C请求信号等，数字量处理电路框图如图3所示。数字信号从外部插件进来，经过ESD保护电容后，滤除干扰。电路设置为高低有效可配置，根据数字信号的类型，选择上拉电阻到电源或者下拉电阻接地。并经过电阻限流和电容组成的一阶低通滤波器后，滤除输入信号上的高频干扰进入微控制器进行信号采集。

其他输入信息，如档位信息、车速、电机扭矩、电机转速、电机故障状态、电池SOC、电池电压、电池电流和电机控制器温度等信息是通过高速CAN总线与整车控制器进行通讯，CAN总线通信接口电路如图4所示。Rx和Tx引脚与微控制器的引脚相连，CAN_H和CAN_L是外部CAN总线的高和低，CAN_SHLD为CAN屏蔽层。C1～C5为电容，根据匹配电路配置不同的电容值。R1和R2为终端电阻，电阻值在58-64欧姆之间，且R1和R2的电阻值应尽量相等，用于保证CAN信号线的高对称性，以获得好的EMC特性。R3的值为1欧姆。Z1和Z2为ESD过压保护，推荐型号为NXP公司的PESD1CAN。L为共模扼流圈，推荐型号为EPCOS的B82793。

VBU电路中使用SPI预驱动芯片NCV7513B作为低边驱动，由两个微控制器同时使用能和主芯片的SPI通讯，用来控制车载充电状态灯、高低速风扇继电器、EPS助力转向车速、空调压缩机转速控制、冷却水泵上电控制、倒车灯继电器、心跳信号、快充正负极继电器、PTC上电和空调压缩机上电控制等。VBU电路中使用SPI预驱动芯片A3942作为高边驱动，由两个微控制器同时使能和单片机I/O输出高低电平，用来控制DC/DC充电使能、真空泵、电机使能等高边信号。

VBU电路中使用两个独立的电源芯片TLE7368和MAX6795为两个微控制器分别供电，这样可以保证整个控制器的功能安全等级，两个微控制器之间通过SPI进行通讯并能互相检测是否发生异常，并实时对异常情况进行处理，以使整个系统保持正常工作状态。供电方案如图5所示。

本发明集成控制装置中改进的三项优点如6所述与现有技术不尽相同，其它各功能控制单元实现技术功能与现有技术大致相同，因此本发明中除外，其它实现相应功能的现有技术电路单元，均可以在本发明中被应用，本发明不再一一详述。

Claims

1.一种用于纯电动汽车的集成控制装置，其特征在于：将整车控制器和电池管理系统主控板集成在同一电路板上，使之具有整车控制器和电池管理系统两者的功能；其中，微处理器VBU是集成控制装置的核心，它包括两个独立的微控制器；由两个独立的电源芯片各自单独地为所述的两个微控制器供电。

2.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于：两个微控制器分别采用TC1782和XC2234芯片，其中，TC1782为主芯片，XC2234为从芯片；两个电源芯片分别采用TLE7368和MAX6795芯片；电源芯片TLE7368单独给微控制器TC1782供电，电源芯片MAX6795单独给微控制器XC2234供电。

3.根据权利要求1或2所述的集成控制装置，其特征在于：两个微控制器之间通过SPI进行通讯并能互相检测是否发生异常，并实时对异常情况进行处理，以使整个系统保持正常工作状态。

4.根据权利要求3所述的集成控制装置，其特征在于：微控制器TC1782采集输入信号并进行处理，微控制器XC2234通过SPI与TC1782之间进行安全性能监测和安全监控信息的交互，若TC1782发生异常，XC2234则对整个控制系统进行辅助管理和控制；同时，微控制器XC2234采集输入信号并进行处理，微控制器TC1782通过SPI与XC2234之间进行安全性能监测和安全监控信息的交互，若XC2234发生异常，TC1782则对整个控制系统进行辅助管理和控制。

5.根据权利要求2-4任一项所述的集成控制装置，其特征在于，两个微控制器芯片均达到32位性能；均支持在线仿真调试；主芯片和从芯片的特点是：主频分别可达180MHz和80MHz；芯片上FLASH程序存储器分别为2.5Mbyte和160Kbytes；AD通道分别为32通道和19通道；拥有CAN模块分别为三路和两路；用于数字信号的处理I/O通道分别可达到86通道和48通道。

6.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于：微控制器TC1782采集的输入信号包括：加速踏板信号、档位信号、快慢充唤醒监控、主、从芯片供电电压监控、真空助力压力传感器信号、空调冷暖选择、蒸发器温度传感器信号、快慢充连接确认信号、充电门板信号、转向助力压力开关、制动踏板信号、制动灯信号、PTC开关、空调管路压力、DC/DC故障信号、空调A/C请求信号；控制的输出信号为：高低速风扇继电器、冷却水泵上电控制、空调系统继电器、倒车灯继电器、总负继电器开关、EPS助力转向车速、仪表充电灯点亮；其他信息，如车速、电机扭矩、电机转速、电机故障状态、电池SOC、电池电压、电池电流和电机控制器温度信息是通过高速CAN总线与整车其他控制器进行通讯。

7.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于：微控制器XC2234采集的输入信号包括：加速踏板信号、加速踏板电源监控、档位信号、档位信号电源监控、主、从芯片供电电压监控、真空助力压力传感器信号、制动踏板信号、制动灯信号、DC/DC故障信号、高低压互锁信号、EPS故障信号、安全带信号；控制的输出信号为：高低速风扇继电器、冷却水泵上电控制、空调系统继电器、倒车灯继电器、总负继电器开关、EPS助力转向车速、仪表充电灯点亮；其他信息，如车速、电机扭矩、电机转速、电机故障状态、电池SOC、电池电压、电池电流和电机控制器温度信息是通过高速CAN总线与整车其他控制器进行通讯。

8.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于：VBU电路中使用SPI预驱动芯片作为低边驱动，由两个微控制器同时使用能和主芯片的SPI通讯，用来控制车载充电状态灯、高低速风扇继电器、EPS助力转向车速、空调压缩机转速控制、冷却水泵上电控制、倒车灯继电器、心跳信号、快充正负极继电器、PTC上电和空调压缩机上电控制。