CN107139778B - 一种纯电动汽车整车控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车用的整车控制器，其电路包含微控制器最小系统电路，模拟信号输入电路，脉冲信号输入电路，数字开关信号输入电路，电源及复位电路，高边输出电路，低边输出电路，高速CAN收发电路。所述整车控制器采集驾驶员信号，分析驾驶员意图，根据工况计算工作状态，并通过CAN总线与电机控制器，电池管理系统，仪表通讯，通过高低边输出电路和CAN通讯网络完成对电动汽车的控制和策略功能实现；所述整车控制器通过车辆OBD接口可以完成在线监控，控制代码更新。本发明通过合理的策略和布置，完成了有效可靠的控制。

Description

一种纯电动汽车整车控制系统
技术领域
本发明涉及一种纯电动汽车整车控制系统，属于新能源汽车技术领域。
背景技术
传统汽车消耗大量的石油资源，并排放尾气产生环境污染，在能源危机凸显的当今时代，电能作为一种可再生的能源受到各国青睐，在此基础上，电动汽车迎来了蓬勃的发展。
整车控制器电动汽车的核心部件之一，是电动汽车的大脑，指挥车辆进行运作。整车控制器的性能优劣直接影响到电动汽车的性能好坏。整车控制器必须具备可靠的运行状态，合理的策略分析以及有效的驱动控制。
现有的纯电动汽车整车控制器发展并不成熟，需要继续研发。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种纯电动汽车整车控制系统。
本发明为达到上述目的，所采用的技术手段是：一种纯电动汽车整车控制系统，包含整车控制器，模拟信号输入电路，脉冲信号输入电路，数字开关信号输入电路，电源及复位电路，高边开关输出电路，低边开关输出电路，高速CAN收发电路；所述高速CAN收发电路采用三路独立的隔离高速CAN总线，与电机控制器、电池管理单元、仪表组成电动车辆CAN网络，实现整车控制器同电机、电池、仪表的通讯，掌握车辆实时状态，并具有多个拓展接口；整车控制器通过输入电路采集加速、制动踏板信号输入，采集钥匙在各个挡的信号，采集前进、倒退、空挡的档位信号，并控制高边开关输出、低边开关输出进而控制继电器电路；其高边开关输出电路控制车辆动力系统主接触器和预充电继电器，进而控制车辆上下电；在车辆运行中，整车控制器通过采集油门踏板、制动踏板以及电池、电机的信息，进行制动策略的匹配节约电能；整车控制器采集档位信号，根据运行状态限定档位的变换规则，防止档位误挂。
进一步的，所述整车控制器采用MC9S12XEQ512单片机，控制器电源由车载12V蓄电池供电，并分为两路，其中一路为功率12V供电，由高低边驱动MOS芯片供电；另一路为12V转5V电源供给数字5V电路使用，包括可配置数字开关量输入电路、脉冲信号输入，以及给微控制器最小系统、看门狗电路及复位电路和EEPROM使用，其中电压模拟量输入电路为0～5V和4～20mA电流模拟量输入电路为数字5V经过电容电感滤波而成的模拟5V电路，其模拟地与数字地单点连接，降低电压扰动；
整车控制器设置接口和外围保护电路，在可配置数字开关量输入电路、电压模拟量输入电路、4～20mA电流模拟量输入电路、脉冲信号输入模块进口，都设置有针对于输入电路的电磁保护，可以抵御600W浪涌电流，防过压，并有EMC器件保证高频噪声不会干扰电路；在输出端口，高边开关输出、低边开关输出设置了针对功率输出电路的接口保护，包括采用回流二极管防止感性负载的断负载脉冲电压、输出过电压、输出短路保护；在驱动功率芯片时，采用数字逻辑触发器件74AHC245控制，建立了功率器件和数字电路间的隔离，保护核心控制器。
更进一步的，所述可配置数字开关量输入电路共有18路，通过一个配置电阻是否焊接改变高有效/低有效功能；电压模拟量输入电路共有6路，采样电压范围0～5V，精度0.02V，4～20mA电流模拟量输入电路共2路，精度0.1mA；脉冲信号输入2路，检测12V的脉冲或者方波输入；高边开关输出具备两个驱动等级，有10路具备2.1A驱动能力，另有2路具备11A驱动能力；低边开关输出具备1.2A输出能力；
整车控制器的CAN通讯模块采用了CAN隔离收发器，并由CAN隔离电源供电，共有三路各自独立的CAN线路，应用于三路独立的CAN网络，板上CAN总线收发器外端预留终端匹配电阻的位置以及共模滤波器件ACT45B，防止共模噪声干扰。
进一步的，所述CAN通讯模块的电源采用DCP010505B芯片进行隔离。
更进一步的，所述CAN总线连接电机控制器、电池管理系统和仪表，并与这些设备按照SAEJ1939扩展协议进行通讯。
进一步的，所述整车控制器使用TPS3823芯片作为硬件看门狗芯片和复位芯片，采用12V电源两路供电，一路经降压给数字电路供电，一路给功率输出电路供电。
进一步的，所述整车控制器根据CAN总线在车辆OBD的接口进行在线诊断监控和控制代码的更新，代码更新的通讯采用CAN通讯方式；操作人员将CAN下载连接器连接至车辆OBD端口，闭合连接器接口上的开关，使整车控制器数字输入9端口与12V电平短接，此端口输入为高电平；接着复位整车控制器，并打开上位机CAN程序下载软件，选择需要更新的文件并点击开始下载，软件运行会显示下载进度，当完成时弹出下载成功；当出现故障导致无法成功下载时，可以重置下载软件并复位控制器，再操作一次；整车控制器程序更新完成后，断开下载连接器即可按照更新的程序正常工作。
进一步的，所述整车控制器所有输入端口采用一类电路设计的保护，防止其受到ESD和过电压过电流的干扰或损坏。整车控制器接口设置抗电磁干扰、抗浪涌的保护电路；整车控制器监控电池和电机控制器状态，并通过功率匹配计算限制电机输出功率，保护电池的最大输出能力，整车控制器采集驾驶员踩踏油门踏板的频率，并根据实时工况判断驾驶员意图，控制电机响应速度，降低电池瞬间输出的大电流，从而达到保护电池的目的；整车控制器采用汽车级的接插件接口，接口具备IP67的防护等级；控制器整体具备IP65的防护等级；整车控制器监控电池和电机控制器状态，并通过功率匹配计算限制电机输出功率，保护电池的最大输出能力，进而延长电池的使用寿命；整车控制器监控车辆上电池、电机、DCDC的状态，并对故障进行分级处理，针对不同故障做出不同的应对方案，一级故障警告、二级故障降功率运行、三级故障停车断电。
进一步的，所述整车控制器采用的控制策略包含车辆上下电控制、车辆驱动制动控制、车辆能源管理控制、车辆故障检测诊断；其中车辆上电的流程是指，当钥匙从ON拧到START并达到一定时间，此时钥匙会回弹，整车控制器成功检测到START信号，此时将首先判断电机、电池以及CAN总线是否存在故障，如果有故障则不能成功上电，整车控制器报出相应的故障，如果没有故障则整车控制器控制闭合预充电继电器，此时电机侧电压逐渐上升，判断电机侧电压是否达到动力电池侧电压的±15V，如达到则控制闭合主接触器，在短暂的延迟后确保主继电器吸合完成，断开预充电继电器，完成高压电上电过程。
本发明有益效果在于：本系统通过采集钥匙信号、档位信号、制动踏板信号、油门踏板信号、手刹信号、电机状态信息、电池状态信息、DCDC信息等对电动车辆进行高压上下电、驱动、回馈制动、能量优化管理、故障诊断控制，完成电动车功能；并能通过车辆OBD接口对整车控制器的代码进行更新。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1 是本发明的结构框图；
图2 是本发明控制器硬件的原理框图；
图3 是本发明控制车辆上电路程图；
图4 是本发明在线更新代码流程图。
具体实施方式
如图1所示的，整车控制器101在电动汽车各部件中处于核心的位置，其通过采样电路采集加速、制动踏板信号输入102，其中油门踏板信号包括踏板开度模拟值和踏板开关踩下的开关量，采集钥匙在各个挡的信号，采集前进、倒退、空挡等档位信号103，并控制高边开关输出105、低边开关输出106进而控制继电器电路，通讯方面，整车控制器101通过CAN总线与仪表107、电池管理系统108、电机控制器109进行通讯，掌握车辆实时状态，其通讯速率为250kbps，通讯协议按照SAEJ1939扩展协议制定，CAN总线支持多主设备通讯，可以很方便地在总线上加入其它设备，增加车辆的功能。
如图2所示的，本实施例中，整车控制器构成核心控制器采用MC9S12XEQ512单片机，控制器电源由车载12V蓄电池供电，并分为两路，其中一路为功率12V供电212，即为高低边驱动MOS芯片供电；另一路为12V转5V电源211，主要为供给数字5V电路使用，包括可配置数字开关量输入电路202、脉冲信号输入205，以及给微控制器最小系统207、看门狗电路及复位电路208和EEPROM209使用，其中电压模拟量输入电路203为0～5V和4～20mA电流模拟量输入电路204为数字5V经过电容电感滤波而成的模拟5V电路，其模拟地与数字地单点连接，降低电压扰动。
整车控制器设计了接口和外围保护电路201，在可配置数字开关量输入电路202、电压模拟量输入电路203、4～20mA电流模拟量输入电路204、脉冲信号输入205模块进口，都设置有针对于输入电路的电磁保护，可以抵御600W浪涌电流，防过压，并有EMC器件保证高频噪声不会干扰电路；在输出端口，高边开关输出213、低边开关输出214设置了针对功率输出电路的接口保护，包括采用回流二极管防止感性负载的断负载脉冲电压、输出过电压、输出短路保护；在驱动功率芯片时，采用数字逻辑触发器件74AHC245控制，建立了功率器件和数字电路间的隔离，保护核心控制器。
具体的，可配置数字开关量输入电路202共有18路，通过一个配置电阻是否焊接改变高有效/低有效功能；电压模拟量输入电路203共有6路，采样电压范围0～5V，精度约0.02V、4～20mA电流模拟量输入电路204共两路，精度约0.1mA；脉冲信号输入205有两路，检测12V的脉冲或者方波输入；高边开关输出213具备两个驱动等级，有10路具备2.1A驱动能力，另有2路具备11A驱动能力；低边开关输出214具备1.2A输出能力；
整车控制器的CAN通讯模块采用了CAN隔离收发器206，并由CAN隔离电源210供电，共有三路各自独立的CAN线路，可以应用于三路独立的CAN网络。板上CAN总线收发器外端预留了终端匹配电阻的位置以及共模滤波器件ACT45B，防止共模噪声干扰。
整车控制器控制策略包含车辆上下电控制、车辆驱动制动控制、车辆能源管理控制、车辆故障检测诊断等。
如图3所示的车辆上电的流程：当钥匙从ON拧到START并达到一定时间，此时钥匙会回弹，整车控制器成功检测到START信号，此时将首先判断电机、电池以及CAN总线是否存在故障，如果有故障则不能成功上电，整车控制器报出相应的故障，如果没有故障则整车控制器控制闭合预充电继电器，此时电机侧电压逐渐上升，判断电机侧电压是否达到动力电池侧电压的±15V，如达到则控制闭合主接触器，在短暂的延迟后确保主继电器吸合完成，断开预充电继电器，完成高压电上电过程。
整车控制器通过控制策略控制车辆运行的状态，以达到最佳的运行效率。整车控制器可以通过监测电机转矩需求、当前转速、驾驶员驾驶意图捕捉，匹配电池的最佳工作电流区间，采用分段匹配的策略限制电机的最大输出功率，进而保护电池工作在低损耗区域，增加电池的续航能力，增加电池的工作寿命。
整车控制器具备在线监控、诊断、代码更新功能，上位机可利用CAN转接连接器接入车辆OBD接口，使用匹配的上位机软件在线监控、诊断车辆故障；同样可以通过OBD接口进行整车控制器代码的更新，其更新过程如图4所示：操作人员将特殊的CAN下载连接器连接至车辆OBD端口，闭合连接器接口上的开关，使整车控制器数字输入9端口与12V电平短接，此端口输入为高电平；接着复位整车控制器，并打开上位机CAN程序下载软件，选择需要更新的文件并点击开始下载，软件运行会显示下载进度，当完成时弹出下载成功；当出现故障导致无法成功下载时，可以重置下载软件并复位控制器，再操作一次。整车控制器程序更新完成后，断开下载连接器即可按照更新的程序正常工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纯电动汽车整车控制系统，包含整车控制器，模拟信号输入电路，脉冲信号输入电路，数字开关信号输入电路，电源及复位电路，高边开关输出电路，低边开关输出电路，高速CAN收发电路；所述高速CAN收发电路采用三路独立的隔离高速CAN总线，与电机控制器、电池管理单元、仪表组成电动车辆CAN网络，实现整车控制器同电机、电池、仪表的通讯，掌握车辆实时状态，并具有多个拓展接口；整车控制器通过输入电路采集加速、制动踏板信号输入，采集钥匙在各个挡的信号，采集前进、倒退、空挡的档位信号，并控制高边开关输出、低边开关输出进而控制继电器电路；其高边开关输出电路控制车辆动力系统主接触器和预充电继电器，进而控制车辆上下电；在车辆运行中，整车控制器通过采集油门踏板、制动踏板以及电池、电机的信息，进行制动策略的匹配节约电能；整车控制器采集档位信号，根据运行状态限定档位的变换规则，防止档位误挂；
所述整车控制器根据CAN总线在车辆OBD的接口进行在线诊断监控和控制代码的更新，代码更新的通讯采用CAN通讯方式；操作人员将CAN下载连接器连接至车辆OBD端口，闭合连接器接口上的开关，使整车控制器数字输入9端口与12V电平短接，此端口输入为高电平；接着复位整车控制器，并打开上位机CAN程序下载软件，选择需要更新的文件并点击开始下载，软件运行会显示下载进度，当完成时弹出下载成功；当出现故障导致无法成功下载时，可以重置下载软件并复位控制器，再操作一次；整车控制器程序更新完成后，断开下载连接器即可按照更新的程序正常工作。
2.根据权利要求1所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述整车控制器采用MC9S12XEQ512单片机，控制器电源由车载12V蓄电池供电，并分为两路，其中一路为功率12V供电，由高低边驱动MOS芯片供电；另一路为12V转5V电源供给数字5V电路使用，包括可配置数字开关量输入电路、脉冲信号输入，以及给微控制器最小系统、看门狗电路及复位电路和EEPROM使用，其中电压模拟量输入电路为0～5V和4～20mA电流模拟量输入电路为数字5V经过电容电感滤波而成的模拟5V电路，其模拟地与数字地单点连接，降低电压扰动；
整车控制器设置接口和外围保护电路，在可配置数字开关量输入电路、电压模拟量输入电路、4～20mA电流模拟量输入电路、脉冲信号输入模块进口，都设置有针对于输入电路的电磁保护，可以抵御600W浪涌电流，防过压，并有EMC器件保证高频噪声不会干扰电路；在输出端口，高边开关输出、低边开关输出设置了针对功率输出电路的接口保护，包括采用回流二极管防止感性负载的断负载脉冲电压、输出过电压、输出短路保护；在驱动功率芯片时，采用数字逻辑触发器件74AHC245控制，建立了功率器件和数字电路间的隔离，保护核心控制器。
3.根据权利要求2所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述可配置数字开关量输入电路共有18路，通过一个配置电阻是否焊接改变高有效/低有效功能；电压模拟量输入电路共有6路，采样电压范围0～5V，精度0.02V，4～20mA电流模拟量输入电路共2路，精度0.1mA；脉冲信号输入2路，检测12V的脉冲或者方波输入；高边开关输出具备两个驱动等级，有10路具备2.1A驱动能力，另有2路具备11A驱动能力；低边开关输出具备1.2A输出能力；整车控制器的CAN通讯模块采用了CAN隔离收发器，并由CAN隔离电源供电，共有三路各自独立的CAN线路，应用于三路独立的CAN网络，板上CAN总线收发器外端预留终端匹配电阻的位置以及共模滤波器件ACT45B，防止共模噪声干扰。
4.根据权利要求1所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述CAN通讯模块的电源采用DCP010505B芯片进行隔离。
5.根据权利要求4所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述CAN总线连接电机控制器、电池管理系统和仪表，并与这些设备按照SAEJ1939扩展协议进行通讯。
6.根据权利要求1所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述整车控制器使用TPS3823芯片作为硬件看门狗芯片和复位芯片，采用12V电源两路供电，一路经降压给数字电路供电，一路给功率输出电路供电。
7.根据权利要求1所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述整车控制器所有输入端口采用一类电路设计的保护，防止其受到ESD和过电压过电流的干扰或损坏； 整车控制器接口设置抗电磁干扰、抗浪涌的保护电路；整车控制器监控电池和电机控制器状态，并通过功率匹配计算限制电机输出功率，保护电池的最大输出能力，整车控制器采集驾驶员踩踏油门踏板的频率，并根据实时工况判断驾驶员意图，控制电机响应速度，降低电池瞬间输出的大电流，从而达到保护电池的目的；整车控制器采用汽车级的接插件接口，接口具备IP67的防护等级；控制器整体具备IP65的防护等级；整车控制器监控电池和电机控制器状态，并通过功率匹配计算限制电机输出功率，保护电池的最大输出能力，进而延长电池的使用寿命；整车控制器监控车辆上电池、电机、DCDC的状态，并对故障进行分级处理，针对不同故障做出不同的应对方案，一级故障警告、二级故障降功率运行、三级故障停车断电。
8.根据权利要求1所述的纯电动汽车整车控制系统，其特征在于：所述整车控制器采用的控制策略包含车辆上下电控制、车辆驱动制动控制、车辆能源管理控制、车辆故障检测诊断；其中车辆上电的流程是指，当钥匙从ON拧到START并达到一定时间，此时钥匙会回弹，整车控制器成功检测到START信号，此时将首先判断电机、电池以及CAN总线是否存在故障，如果有故障则不能成功上电，整车控制器报出相应的故障，如果没有故障则整车控制器控制闭合预充电继电器，此时电机侧电压逐渐上升，判断电机侧电压是否达到动力电池侧电压的±15V，如达到则控制闭合主接触器，在短暂的延迟后确保主继电器吸合完成，断开预充电继电器，完成高压电上电过程。
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