CN202728206U - 用于电动汽车的真空助力制动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于电动汽车的真空助力制动控制器。该控制器包括电源转换电路、微控芯片电路、压力开关信号采集电路、压力传感信号采集电路、CAN通讯电路、真空泵驱动电路、电压监测电路和电路监测电路。本实用新型控制器的压力信号采集部分采用压力开关与压力传感器冗余采集的方式实现，最大限度的保证采集信息的准确性；驱动部分的芯片内部集成驱动电流反馈电路，保证控制器具有大电流承受能力的同时实现了驱动电流的实时监测，提高了控制器的监控力；电源芯片与微控芯片通过硬件看门狗和电压监测电路互相监测，提升了控制器的可靠性和鲁棒性；本实用新型在实现真空助力功能的前提下保证了整车制动系统的安全性、可靠性。

Description

用于电动汽车的真空助力制动控制器

技术领域

本实用新型涉及电动汽车的真空助力制动技术领域，尤其涉及一种包含压力信号冗余采集、微控芯片监控、电源电压监测和驱动电流监测等多种安全设计的真空助力制动控制器及其所适用的电动汽车制动系统。

背景技术

制动系统的可靠性与整车的安全性能息息相关，当前电动汽车一般采用真空助力的手段构建制动系统实现整车制动功能。真空助力器通过橡胶通气管与真空罐组成密闭连通空间，真空助力制动控制器通过压力敏感器件监测真空罐内的压力信号，并驱动真空泵工作对真空罐密闭空间进行抽真空操作。当驾驶员踩踏制动踏板时将获取由真空罐负压密闭空间提供的制动助力，负压不足时真空泵对真空罐进行抽真空操作，维持真空罐内部空间的负压状态。

中国发明专利公布了一种在瞬间大电流条件下避免烧坏、维修简单的电动车助力制动所用真空助力制动控制器（张兴海，黄诚刚. 电动车助力制动所用电动真空助力制动控制器，申请号200920128225.X，申请日：2009.07.29）。该控制器利用压力敏感器电路转换开关采集真空罐内压力信号，再通过双继电器搭建自锁电路完成对真空泵电机的驱动控制。其能根据压力信号阈值安全有效的驱动真空泵电机，继电器构建的驱动电路，提高了纯单片机电路的电流负载能力；控制系统组件相对独立，损坏时仅需更换失效的器件，节约了维修成本。但这种真空助力制动控制器存在以下几点不足：(1)控制器的信号采集部分采用机械压力开关实现，该类信号采集方式可能造成制动系统在特殊工况（如意外造成的压力开关误导通、使用寿命较长或整车制动频繁所造成的机械疲劳等）下的功能异常，具有一定的安全隐患；(2)控制器对于系统关键参数（控制器电源供给电压、真空泵驱动电流、真空泵抽取真空效率等）没有相应的监控手段，制动系统不良状态出现时不能进行及时、有效处理，使得系统鲁棒性较低，大大增加了电动车行驶的安全隐患；(3)控制器不含微控电路和通讯电路，阻碍了复杂控制策略、制动系统故障码输出和驾驶员行车制动数据采集等高级功能的实现，限制了控制器功能、性能的进一步提升，使整车制动系统安全性、智能性较低。

实用新型内容

为了提高电动汽车整车制动系统的安全性、智能性，本实用新型提供一种采用压力开关与压力传感器冗余采集真空罐内压力信号、实时监控微控芯片状态、实时监测电源电压和驱动电流，以及对相应关键数据进行分析、处理和通讯的用于电动汽车的真空助力制动控制器。

用于电动汽车的真空助力制动控制器包括电源转换电路1、微控芯片电路2、压力开关信号采集电路3、压力传感信号采集电路4、CAN通讯电路5、真空泵驱动电路6、电压监测电路7和电流监测电路8；所述电源转换电路1对外部电源电压进行稳压转换后为微控芯片电路2、压力开关信号采集电路3、压力传感信号采集电路4和 CAN通讯电路5供电；微控芯片电路2通过压力开关信号采集电路3和压力传感信号采集电路4对真空罐12内压力信号进行冗余采集，当检测到真空罐12负压值不足时使能真空泵驱动电路6，使真空泵电机进行抽真空操作；当负压值过大时停止对真空泵驱动电路6的使能；整个过程中微控芯片电路2通过电压监测电路7和电流监测电路8分别对电源电压、驱动电流大小和时间进行监测，并将所采集的关键参数编码后通过CAN通讯电路5传输给CAN总线，上报给整车控制器，最终在电动仪表预警显示。

所述电源转换电路1由两部分组成，上半部分为车载蓄电池直流+12V转+5V的电压转换电路，它由电源稳压芯片U1、二极管D1、TVS管D2、滤波电容C3、C5、C6、C7、C8组成，实现对蓄电池+12V电压的转换，对后续多个数字芯片提供稳定的+5V电压；下半部分为压力传感器电压跟随电路，所述传感器电压跟随电路由电压跟随芯片U4、分压电阻R14、R15、滤波电容C18、C19、C20、C21组成，提供外部压力传感器的单独电源供给，以减少压力传感信号采集电路与其他电路的电气耦合。

所述微控芯片电路2由8位微控芯片U2及其基本外围接口电路组成，外围接口电路包括芯片电源电路、16MHz晶振电路、电压参考电路、复位电路，用以驱动微控芯片正常工作。

所述压力开关信号采集电路3由箝位二极管组D4、分压电阻R7、R8、R11、上拉电阻R5、滤波电容C15、C17和三极管T1组成，主要实现对真空罐12内预先标定好的上下限压力值进行检测：压力开关信号电压逻辑值为“1”表征真空罐负压值不足，压力开关信号电压逻辑值为“0”表征真空罐负压值充足，进而被微控芯片电路2检测。其中通过对分压电阻设置合适的阻值配比使微控芯片能够对由进水造成的开关误导通情况进行识别。

所述压力传感信号采集电路4由箝位二极管组D5、上拉电阻R13、限流R17及滤波电容C22、C23组成，电路主要实现对压力传感信号Sensor的钳位、去杂波处理及采集。

所述CAN通讯电路5由CAN收发器U6、共模扼流圈L1、抗干扰三极管D7、电阻R21、R23、R25、R26、电容C28、C29、C30组成，实现控制器与CAN总线间的数据交互。

所述真空泵驱动电路6由第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7、三极管T2、二极管D6、电阻R19、R20、R24、电容C24、C25组成，实现微控芯片对真空泵电机的驱动。

所述电压监测电路7由分压电阻R16、R18、电容C24组成，实现微控芯片对电源转换芯片输出电压的监测。

所述电流监测电路8由箝位二极管组D3、电阻R9、R10、电容C14、C16组成，将驱动电流信号变为电压信号被微控芯片采集，实现微控芯片对驱动电流大小和持续时间的实时监控。

所述芯片U1的型号为TLE4268。

 所述电压跟随芯片U4的型号为TLE4250。

所述8位微控芯片的型号为MC9S08DZ60。

所述第一电机驱动芯片U5和第二电机驱动芯片U7均为智能高边电源开关BTS443P。

所述CAN收发器U6的型号为TJA1040。

本实用新型与现有技术产品相比较具有以下方面的优点：

1.本实用新型控制器的压力信号采集部分采用压力开关与压力传感器冗余采集的方式实现，最大限度的保证采集信息的准确性；

2.本实用新型控制器的驱动部分选用两块专用真空泵电机驱动芯片，其内部集成驱动电流反馈电路，实现了控制器对驱动电流大小和持续时间两个关键参数的监测，提高了控制器的监控力；

3.本实用新型控制器的电源芯片与微控芯片通过硬件看门狗和电压监测电路互相监测，提升了控制器的可靠性和鲁棒性；

4.本实用新型从真空助力制动控制器安全设计的角度对控制器硬件进行优化设计，在实现真空助力功能的前提下保证了整车制动系统的安全性、可靠性。

附图说明

图1是本实用新型用于电动汽车制动系统方框示意图。

图2是本实用新型控制器硬件总体方框示意图。

图3是图2的电源转换电路原理图。

图4是图2的微控芯片电路原理图。

图5是图2的压力开关信号采集电路原理图。

图6是图2的压力传感信号采集电路原理图。

图7是图2的CAN通讯电路原理图。

图8是图2的驱动电路原理图。

图9是图2的电压监测电路原理图。

图10是图2的电流监测电路原理图。

上图中序号：电源转换电路1、微控芯片电路2、压力开关信号采集电路3、压力传感信号采集电路4、CAN通讯电路5、真空泵驱动电路6、电压监测电路7、电流监测电路8、制动踏板10、真空助力器11、真空罐12、真空助力制动控制器13、真空泵14、整车控制器15、电动仪表16、蓄电池17、橡皮管18、CAN通讯总线19。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步地说明。

实施例：

参见图1，实施例的电动汽车制动系统包括制动踏板10、真空助力器11、含有压力开关及压力传感器的真空罐12、真空助力制动控制器13、真空泵14、整车控制器15、电动仪表16、蓄电池17、橡皮管18以及CAN通讯总线19。其中制动踏板10、真空助力器11、真空罐12及真空泵14之间以橡皮管18连接成连通空间, 当真空泵完成抽真空操作后以此负压连通空间对驾驶员踩踏制动踏板动作提供制动助力。制动踏板10与真空助力器11、真空助力器11与真空罐12以及真空罐12与真空泵14两两之间均利用单向阀实现空气单向流动，橡皮管18的箭头方向表征空气的流动方向，例如：当驾驶员踩踏制动踏板动作发生时空气由制动踏板10外部的大气流入真空助力器11；当驾驶员松开制动踏板动作发生时真空助力器11的空气流入真空罐12；当真空罐12内负压值不足时真空泵对真空罐进行抽真空操作，空气由真空罐12流入真空泵14，由此真空罐内负压环境始终维持在较佳的范围。其中包含压力开关及压力传感器的真空罐12、真空助力制动控制器13、真空泵14、及蓄电池17之间以低压线束实施电气连接，借以实现压力信号采集、真空泵驱动、电源供给动作，例如：通过蓄电池17能够实现真空助力制动控制器13、真空泵14、整车控制器15、电动仪表16的电源供给；通过真空助力制动控制器能够实现对真空罐12内的压力开关、压力传感器信号的采集，以及对真空泵14的驱动。其中真空助力制动控制器13、整车控制器15与电动仪表16之间为整车CAN拓扑的部分CAN网络连接，其中真空助力制动控制器13和电动仪表16为整车控制器的CAN网络节点，整车控制器为较高级别控制部件。

参见图2，真空助力制动控制器13包括电源转换电路1、微控芯片电路2、压力开关信号采集电路3、压力传感信号采集电路4、CAN通讯电路5、真空泵驱动电路6、电压监测电路7和电路监测电路8。通过电源转换电路1将+12V外部电源电压转换为稳定的+5V电压，为其后的微控芯片电路2、压力开关信号采集电路3中的箝位二极管组、压力传感信号采集电路4中的箝位二极管组和上拉电阻、CAN通讯电路5中的CAN收发器供电；微控芯片电路2为微控芯片正常工作的外围接口电路；微控芯片通过压力开关信号采集电路3和压力传感信号采集电路4对真空罐内压力信号进行冗余采集，当检测负压值不足时使能真空泵驱动电路6，让真空泵进行抽真空操作；当负压值足够大时停止对驱动电路6的使能。整个过程中微控芯片通过电压监测电路7和电流监测电路8分别对电源电压、驱动电流进行监测，并将所采集的重要参数编码后通过CAN通讯电路5传输给CAN总线，告知整车系统中更高级别的整车控制器15。

参见图3，电源转换电路1的上半部分为+12V转+5V的电压转换电路，下半部分为+5V电压跟随电路。电压转换电路由电源稳压芯片U1、二极管D1、TVS管D2、滤波电容C3、C5、C6、C7、C8组成。其中, 电源稳压芯片U1的型号为TLE4268，实现对蓄电池+12V电压的稳压转换，为控制器的各主动芯片、箝位管正极和上拉电阻提供+5V电源。电源芯片内置硬件看门狗电路，能够实时监测微控芯片U2是否处于正常工作状态，当微控芯片U2异常时电源稳压芯片U1通过其管脚输出低电平信号对微控芯片U2进行复位操作，复位3次则形成故障码经由CAN通讯电路5上报整车控制器15，进而通过电动仪表16对驾驶员进行预警。电压跟随电路提供外部压力传感器的+5V电源供给，由电压跟随芯片U4、分压电阻R14、R15、滤波电容C18、C19、C20、C21组成，其中电压跟随芯片U4 TLE4250将经过转换的+5V电压经过比较、提纯后作为压力传感器电源电压SensorPower，防止由大功率负载真空泵14工作造成的电源污染，保证压力传感信号的准确性。

参见图4，微控芯片电路2参见飞思卡尔官方数据手册推荐电路设计（参见MC9S06DZ60芯片数据手册第30页），由8位微控芯片及其基本外围接口电路组成，外围接口电路包括芯片电源电路、16MHz晶振电路、电压参考电路、复位电路和程序刷写电路，用以保证微控芯片的正常工作。其中芯片电源电路由滤波电容C1、C2、C9、C10构成，用以对芯片提供电源供给；晶振电路由低电感性的R1、R2，典型容值在5pF至25pF的C1、C2及一个晶振片U3组成，为微控芯片提供外部震荡源；复位电路由0Ω电阻R4、上拉电阻R3和滤波电容C13构成，当微控芯片状态异常时能够接受到来自电源芯片的复位信号；程序刷写电路由程序刷写头J1、上拉电阻BKGD构成，为微控芯片提供应用程序的外部刷写接口。

参见图5，压力开关信号采集电路3由箝位二极管组D4、分压电阻R7、R8、R11、上拉电阻R5、滤波电容C15、C17和三极管T1组成，Switch1为压力开关信号，SW为压力逻辑信号。通过设置R7、R8、R11 3个分压电阻的阻值配比为2.2:1:1，能够对由压力进水造成的开关误导通失效模式的预防。压力开关信号采集电路3的工作过程为：当真空罐12内负压值充足时，压力开关导通使得三极管T1导通，压力逻辑信号SW为逻辑“0”并被微控芯片电路2采集；当真空罐12内负压值不足时，压力开关由导通状态变为断开，使得三极管T1截止，压力逻辑信号SW通过上拉电阻R5被拉至+5V为逻辑“1”，被微控芯片电路2采集。

参见图6，压力传感信号采集电路4由箝位二极管组D5、上拉电阻R13、限流电阻R17以及滤波电容C22、C23组成，Sensor为压力传感信号，SE为压力模拟信号。该部分电路对压力传感信号Sensor的箝位、滤波，最终输出范围在0到+5V范围的压力模拟信号SE被微控芯片电路2采集。

参见图7， CAN通讯电路5同飞利浦半导体官方数据手册推荐电路设计（参见TJA1040芯片数据手册第8页），由CAN收发器U6、共模扼流圈L1、抗干扰三极管D7、电阻R21、R23、R25、R26、电容C28、C29、C30组成，其中CAN收发器U6的型号为TJA1040。该部分电路为一种通用标准电路，是控制器局域网络（CAN）协议控制器和物理总线间的接口，主要为控制器提供差分发送数据至CAN总线及差分接收数据至CAN控制器的能力。其中共模扼流圈和抗干扰三极管用于减少CAN高速数据传输时高低数据线间的共模和差模干扰，提高数据报文的准确性。

参见图8，真空泵驱动电路6由第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7、三极管T2、蓄流二极管D6、电阻R19、R20、R24、滤波电容C25、C27组成，IN_DO为真空泵控制信号，IN为第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7使能信号，M+为真空泵驱动信号。真空泵驱动电路6的工作过程为：微控芯片的普通输入输出管脚作为真空泵控制器信号IN_DO输出+5V电压，使得三极管T2导通，第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7使能信号IN拉低有效，使能第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7内部场效应管导通，最终外部电源电压与真空泵驱动信号M+接通，真空泵开始抽真空操作其中，第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7均为智能高边电源开关BTS443P（参见英飞凌官方数据手册），该芯片特有的电流反馈管脚IS能输出与真空泵驱动信号M+的电流成严格线性关系且比例为8000比1的电流，利用电流监测电路10能够简便的实现控制器对真空泵驱动信号M+电流的监控。

参见图9，电压监测电路7对通过电源转换电路后的+5V电压进行监测。电压监测电路7由分压电阻R16、R18、滤波电容C24组成，稳压芯片输出电压值为（5V±0.1V），微控芯片管脚的接收电压范围为0到+5V，利用R16、R18进行简单分压即可实现微控芯片对电源稳压芯片U1的输出电压监测。当电源稳压芯片U1输出电压异常时，微控芯片电路2停止对其的喂狗操作，由此电源稳压芯片U1的3#管脚REST拉低使能微控芯片电路2的外部复位管脚。其中，微控芯片电路2停止喂狗动作前一定周期内通过CAN通讯电路5告知整车控制器15真空助力制动控制器13即将复位并被其计数，若一个较短时间内真空助力制动控制器13被外部复位超过3次，则整车控制器15通过CAN通讯总线19给电动仪表16发送预警灯高亮请求报文，由此对驾驶员进行预警。

参见图10，电流监测电路8用以防止意外工况（如真空泵电机卡死）所导致的真空泵驱动电流M+明显高于真空泵额定工作电流的失效模式。电流监测电路8由箝位二极管组D3、分压电阻R9、R10、滤波电容C14、C16组成，IS为真空泵驱动电流M+的反馈电流，IS_AI为反馈电流模拟信号。该电路将反馈电流IS滤波后变为加载于R10端电压信号，再通过箝位、滤波后被微控芯片具有AD采样能力的输入输出管脚采集。

Claims (6)

1.用于电动汽车的真空助力制动控制器，其特征在于：包括电源转换电路（1）、微控芯片电路（2）、压力开关信号采集电路（3）、压力传感信号采集电路（4）、CAN通讯电路（5）、真空泵驱动电路（6）、电压监测电路（7）和电流监测电路（8）；所述电源转换电路（1）对外部电源电压稳压转换后为微控芯片电路（2）、压力开关信号采集电路（3）、压力传感信号采集电路和CAN通讯电路（5）供电；微控芯片电路（2）通过压力开关信号采集电路（3）和压力传感信号采集电路（4）对制动真空罐内压力信号进行冗余采集，当检测到制动真空罐负压值不足时使能真空泵驱动电路（6），使真空泵电机进行抽真空操作；当负压值过大时停止对真空泵驱动电路(6)的使能；整个过程中微控芯片电路（2）通过电压监测电路（7）和电流监测电路（8）分别对电源电压、驱动电流大小和时间进行监测，并将所采集的关键参数分析、编码后通过CAN通讯电路（5）传输给CAN总线，上报给整车控制器，最终在电动仪表预警显示；

所述电源转换电路（1）由两部分组成，上半部分为车载蓄电池直流+12V转+5V的电压转换电路，它由电源稳压芯片U1、二极管D1、TVS管D2、滤波电容C3、C5、C6、C7、C8组成，实现对蓄电池+12V电压的转换，对后续多个数字芯片提供稳定的+5V电压；下半部分为压力传感器电压跟随电路，所述传感器电压跟随电路由电压跟随芯片U4、分压电阻R14、R15、滤波电容C18、C19、C20、C21组成，提供外部压力传感器的单独电源供给，以减少压力传感信号采集电路与其他电路的电气耦合；

所述微控芯片电路（2）由8位微控芯片U2及其基本外围接口电路组成，外围接口电路包括芯片电源电路、16MHz晶振电路、电压参考电路、复位电路，用以驱动微控芯片正常工作；

所述压力开关信号采集电路（3）由箝位二极管组D4、分压电阻R7、R8、R11、上拉电阻R5、滤波电容C15、C17和三极管T1组成，主要实现对真空罐（12）内预先标定好的上下限压力值进行检测：压力开关信号电压逻辑值为“1”表征真空罐负压值不足，压力开关信号电压逻辑值为“0”表征真空罐负压值充足，进而被微控芯片电路（2）检测；

其中通过对分压电阻设置合适的阻值配比使微控芯片能够对由进水造成的开关误导通情况进行识别；

所述压力传感信号采集电路（4）由箝位二极管组D5、上拉电阻R13、限流R17及滤波电容C22、C23组成，电路主要实现对压力传感信号Sensor的钳位、去杂波处理及采集；

所述CAN通讯电路（5）由CAN收发器U6、共模扼流圈L1、抗干扰三极管D7、电阻R21、R23、R25、R26、电容C28、C29、C30组成，实现控制器与CAN总线间的数据交互；

所述真空泵驱动电路（6）由第一电机驱动芯片U5、第二电机驱动芯片U7、三极管T2、二极管D6、电阻R19、R20、R24、电容C24、C25组成，实现微控芯片对真空泵电机的驱动；

所述电压监测电路（7）由分压电阻R16、R18、电容C24组成，实现微控芯片对电源转换芯片输出电压的监测；

所述电流监测电路（8）由箝位二极管组D3、电阻R9、R10、电容C14、C16组成，将驱动电流信号变为电压信号被微控芯片采集，实现微控芯片对驱动电流大小和持续时间的实时监控。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车的真空助力制动控制器，其特征在于：所述芯片U1的型号为TLE4268。

3.根据权利要求1所述的用于电动汽车的真空助力制动控制器，其特征在于：所述电压跟随芯片U4的型号为TLE4250。

4.根据权利要求1所述的用于电动汽车的真空助力制动控制器，其特征在于：所述8位微控芯片的型号为MC9S08DZ60。

5.根据权利要求1所述的用于电动汽车的真空助力制动控制器，其特征在于：所述第一电机驱动芯片U5和第二电机驱动芯片U7均为智能高边电源开关BTS443P。

6.根据权利要求1所述的用于电动汽车的真空助力制动控制器，其特征在于：所述CAN收发器U6的型号为TJA1040。

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