CN203616603U - 一种纯电动大型车整车控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种纯电动大型车整车控制器，包括：电源模块、处理模块、IO开关量输入模块及IO开关量输出模块、第一直流斩波器DC/DC隔离模块、AD模拟输入采集模块、脉冲宽度调制PWM输出模块、第二DC/DC隔离模块、控制器局域网络CAN通讯模块、串行通讯接口SCI通讯模块和第三DC/DC隔离模块。本实用新型保证了整车控制器的稳定性，进而保证了汽车在行驶过程中的动力性和安全性。

Description

一种纯电动大型车整车控制器

技术领域

本实用新型涉及车辆技术领域，特别涉及一种纯电动大型车整车控制器。

背景技术

随着化石燃料的短缺，时代的发展以及人们节能、环保意识的日益增强等问题，对于纯电动汽车的需求也随之增多。虽然小型轿车在汽车行业所占比例越来越重，但公交车、旅游车、客车等大型车依然是人们生活中不可或缺的重要交通工具。因此开发纯电动大巴就成为了纯电动汽车行业的一个重要方向。

整车控制器作为纯电动汽车的核心控制单元，需要采集驾驶员的操作意识(启动开关、加速踏板、制动踏板等)，结合动力总成各子系统的状态，高效安全地驱动汽车行驶，集汽车电子、网络化、信息化、智能化等控制技术于一体。而提高整车在复杂环境下的抗干扰性和可靠性、稳定性则是汽车安全行驶的基础。其中，整车控制器的主要功能有：驾驶员操作意图识别、通信管理、电池管理、电机驱动、制动能量回馈控制、错误诊断、安全控制、状态监视、系统标定。

在整车控制器设计中，电源模块的隔离保护设计是汽车整车控制器的硬件设计必须考虑的问题，而目前汽车整车控制器中对于电源模块的保护最常用的方法是防反接设计方法，将电源模块输入的电源与整车控制器中其他芯片直接相连接，从而导致了当防反接失效时，可能导致的其他芯片损毁的缺陷。同时，目前整车控制器中的模拟输入采集通道中，是采用运放器件自身的特点，却没有相应的隔离措施，这使得芯片采集到的数据不准确。而整车控制器中开关量IO的输入输出隔离措施基本采用的是光耦隔离措施，但是光耦隔离具有很多缺陷，例如光耦器件通常具有的电流传输比不确定、非线性函数传输以及温度和使用寿命等问题，而且IO输出功率电路的稳定也是非常重要的问题。在整车控制器中，通讯是无比重要的一环，而对于通讯方面的隔离与保护是非常值得注意的地方。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种纯电动大型车整车控制器，包括：电源模块；处理模块，所述处理模块包括：微处理器、BDM调制电路、时钟电路和看门狗电路；IO开关量输入模块及IO开关量输出模块；第一直流斩波器DC/DC隔离模块，所述第一DC/DC隔离模块的一端与所述IO开关量输入模块及IO开关量输出模块相连，所述第一DC/DC隔离模块的另一端与所述处理模块相连；AD模拟输入采集模块；脉冲宽度调制PWM输出模块；第二DC/DC隔离模块，所述第二DC/DC隔离模块的一端与所述AD输入采集模块和所述PWM输出模块相连，所述第二DC/DC隔离模块的另一端与所述处理模块相连；控制器局域网络CAN通讯模块；串行通讯接口SCI通讯模块；第三DC/DC隔离模块，所述第三DC/DC隔离模块的一端与所述CAN通讯模块和所述SCI通讯模块相连，所述第三DC/DC隔离模块的另一端与所述处理模块相连。

根据本实用新型的纯电动大型车整车控制器，解决了整车控制器中电源模块的隔离缺陷以及AD采集、IO输入输出和通讯模块方面存在的隔离以及其他问题。通过采用电源过压保护、电源防反接保护、电源隔离稳压保护、全隔离保护、ESD保护、功率器件过压保护、过流保护等手段，保证了整车控制器的稳定性，进而保证了汽车在行驶过程中的动力性和安全性。

在本实用新型的一个实施例中，所述电源模块包括电源转换电路和电源隔离稳压电路，其中，所述电源转换电路和所述电源隔离电路相连。

在本实用新型的又一个实施例中，所述IO开关量输入模块包括钥匙ON档、钥匙ACC档、钥匙START档、制动踏板档、档位信号D档、档位信号N档和档位信号R档。

在本实用新型的再一个实施例中，所述IO开关量输出模块包括空调开关、倒车灯开关和延时继电器开关。

在本实用新型的一个实施例中，所述AD模拟输入采集模块包括：隔离电感；分压电路，所述分压电路的一端与所述隔离电感相连；TVS二极管，所述TVS二极管的一端与所述分压电路的另一端相连；滤波电容，所述滤波电容的一端与所述分压电路的另一端相连；隔离电阻，所述隔离电阻的一端分别与所述TVS二极管的另一端和所述滤波电容的另一端相连；运算放大器，所述运算放大器的一组放大器的一端与所述隔离电阻的另一端相连，所述运算放大器的一组放大器的另一端与线性光耦相连，所述线性光耦进一步与所述运算放大器的另一组放大器相连。

在本实用新型的一个实施例中，所述PWM输出模块包括转速仪表盘和转矩仪表盘。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的结构框图；

图2为根据本实用新型实施例的电源模块电源转换电路的示意图；

图3（a）^～图3（c）为根据本实用新型实施例的电源隔离稳压电路的示意图；

图4为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的AD模拟输入电路图；

图5为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的IO开关量输入电路图；

图6为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的IO开关量输出电路图；

图7为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的PWM输出电路图；

图8为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的CAN通讯电路图；

图9为根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器的SCI通讯电路图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考图1至图9对本实用新型的纯电动大型车整车控制器进行描述。其中，纯电动大型车可以为纯电动大巴。换言之，本实用新型提出了一种纯电动大巴的整车控制器。

如图1所示，本实用新型的纯电动大型车整车控制器包括：电源模块100、处理模块200、IO开关量输入模块300、IO开关量输出模块400、第一DC/DC隔离模块500、AD模拟输入采集模块600、PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）输出模块700、第二DC/DC隔离模块800、CAN（Controller Area Network,控制器局域网络）通讯模块900、SCI（Serial Communication Interface，串行通信接口）通讯模块1000和第三DC/DC隔离模块1100。

具体地，电源模块100包括电源转换电流和电源隔离稳压电路。其中，电源转换电路和电源隔离稳压电路相连，通过电源模块100进行防反接、电源隔离稳压等设计，从而可以有效地隔离外部电源与内部电源并输出稳定的功率，保证了电源模块100可以安全稳定的工作。

如图2所示，电源转换电路采用型号为MP2482电源转换芯片。电源转换电路由+24V外部电源通过串联一个肖特基二极管与一个PTC保险丝并联一个TVS（瞬态电压抑制器，Transient Voltage Suppressor）二极管，可以起到防反接、过压、浪涌保护的作用，然后通过两个铝电解电容和一个共模电感组成的π型滤波电路，不仅可以起到滤波作用，而且可以防静电以及电磁干扰的作用，

在本实用新型的一个实施例中，在MP2482电源转换芯片输出端加入电源隔离稳压电路，电源隔离稳压电路采用型号为IB0505S-2W、IB0505S-1W和B0505S-1W的电源隔离稳压芯片，不仅可以完全隔离外部电源与内部电源，而且可以使电源端输出稳定的电流和电压以保证稳定的功率输出。

由MP2482电源转换芯片8引脚输入后从1引脚输出，再经过并联一个TVS二极管和串联一个限流电感而后输出到图3（a）^～图3（c）中的3个隔离稳压输出器件，可以起到隔离外部输入电源和内部芯片及通讯所需电源，而且可以保证稳定的输出功率。其中LC组成的滤波电路可以减少输入和输出的纹波，但是LC滤波网络其自身的频率应与DC/DC隔离模块的频率错开，从而避免互相干扰。

处理模块200包括微处理器MCU210、BDM(Background Debugging Mode)调制电路220、时钟电路230和外置的看门狗电路240。此外，需要说明的是，在所有外部与微处理器MCU（Micro Control Unit)）210进行通讯的接口，都采用了DC/DC隔离模块进行隔离，从而有效地减少了外部环境对整车控制器的影响，进而提高了整车控制器的稳定性，保证车辆具有较高的动力性和安全性。

在本实用新型的一个示例中，MCU210可以采用型号为MC9S12XEP100的微处理器芯片。看门狗电路240可以采用型号为X540X的看门狗芯片。

IO开关量输入模块300和IO开关量输出模块400均采用DC/DC隔离保护。

第一DC/DC隔离模块500的一端与IO开关量输入模块300和IO开关量输出模块400相连以对IO开关量输入模块300和IO开关量输出模块400进行隔离保护，并且第一DC/DC隔离模块500的另一端与处理模块200相连。

具体地，第一DC/DC隔离模块500包括IO输入隔离芯片和IO输出隔离芯片。其中，IO输入隔离芯片可以对IO开关量输入模块300进行DC/DC隔离保护，型号为ADuM1410的芯片，将输入通道与通讯通道和板内输入通道与板内通讯完全隔离，由此无论板外环境如何，都将无法影响到板内的通讯。

IO输出隔离芯片可以对IO开关量输出模块400进行DC/DC隔离保护，型号为TLP521的芯片。由于IO开关量输出模块400只需要板内输出正确，板内输出与板外完全隔离就可以，所以IO开关量输出模块400所用IO输出隔离芯片为光耦TLP521-4。

具体地，IO开关量输入模块300包括钥匙ON档、钥匙ACC档、钥匙START档、制动踏板档、档位信号D档、档位信号N档和档位信号R档。

如图5所示，输入开关信号经过一个分压电路，可以将输入开关信号的电压由0、12V降低到0、2V，将分压后的开关信号经过一个过电压保护、一个滤波电容与一个隔离电阻输入到IO输入隔离芯片ADuM1410中。IO输入隔离芯片ADuM1410因为不需要外部驱动器和其他分立器件，而且在信号数据速率相当的情况下，IO输入隔离芯片ADuM1410的功耗只有光耦合器件的1/10至1/6，且IO输入隔离芯片ADuM1410可确保不存在逻辑转换时及上电/关断条件下的直流正确性。所以输入IO输入隔离芯片ADuM1410的开关信号经过ADuM1410隔离输出到MCU微处理器210的引脚。

IO开关量输出模块400包括空调开关、倒车灯开关和延时继电器开关。

具体地，如图6所示，输出开关信号经过限流电阻R605输入到隔离光耦TLP521-4，输出5V的电压。然后经过两个限流电阻和并联一个开关二极管D609进入NPN三极的基极。该三极管D1集电极经过一个限流电阻R625上拉到5V电源，而该三极管D1的发射极输出到一个功率三极管D2的基极，该功率三极管D2的型号为2SD2212，采用功率输出三极管2SD2212，可以保证足够的输出功率要求。该功率三极管D2的发射极接地，集电极经过一个整流二极管D605接到24V外部电源。当该路开关输出信号输出为高电平时，三极管D1基极到发射极不导通，则集电极到发射极不导通，则功率三极管D2基极到发射极不导通，该功率三极管的集电极到发射极不导通，则此时开关量输出为高电平。当该路开关输出信号输出为低电平时，三极管D1基极到发射极导通，则集电极到发射极导通，则功率三极管D2基极到发射极导通，该功率三极管的集电极到发射极导通，则此时开关量输出为低电平。而由于功率三极管的输出功率很大，足以满足驱动各种如继电器、空调开关等大功率器件。

AD模拟输入采集模块600和PWM输出模块700均采用了DC/DC隔离保护。

第二DC/DC隔离模块800的一端与AD模拟输入采集模块600和PWM输出模块700相连以对AD模拟输入采集模块600和PWM输出模块700进行隔离保护，并且第二DC/DC隔离模块800的另一端与处理模块200相连。

具体地，第二DC/DC隔离模块800包括AD采集隔离芯片和PWM输出隔离芯片。其中，AD采集隔离芯片可以对AD模拟输入采集模块600进行DC/DC隔离保护，型号为HCNR20X、HCNR201的芯片。AD模拟输入采集模块600是模拟输入，所以选用的隔离器件为线性光耦HCNR20X，可以很好的隔离AD外部输入和内部输入。由上可知，型号为TLP250的隔离光耦作为PWM输出隔离芯片，可以对PWM输出模块700进行光耦隔离保护。

具体地，AD模拟输入采集模块600包括：隔离电感、分压电路、TVS二极管、滤波电容、隔离电阻和运算放大器LM124。其中，分压电路的一端与隔离电感相连，另一端与TVS二极管的一端相连。滤波电容的一端与分压电路的另一端相连，TVS二极管的另一端和滤波电容的另一端分别与隔离电阻的一端相连。运算放大器的一组放大器的一端与隔离电阻的另一端相连，运算放大器的一组放大器的另一端与线性光耦相连，线性光耦进一步与运算放大器的另一组放大器相连。

参考图4，AD采集输入模块600的输入包括车载24V电压信号和加速踏板信号。具体地，输入模拟信号通过一个隔离电感L404，再通过两个电阻组成的分压电路，输入模拟信号由0-12V降低到0-5V，将分压后的模拟信号经过过电压保护TVS二极管D40及滤波电容C410后再经过一个隔离电阻R418输入到运算放大器LM124中的一组放大器中，再经过线性光耦HCNR201输出到运算放大器的另一组放大器中。该线性光耦是为了隔离输入输出，而运算放大器LM124则是保证电路的带负载能力，从而增强信号量，然后从运算放大器LM124中输出的模拟信号量最后传输到MCU微处理器210的ADC模块。

PWM输出模块700包括转速仪表盘和转矩仪表盘。

参考图7，PWM输出脉冲经过一个功率IGBT（(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）驱动光耦TLP250，可以起到隔离的作用，虽然TLP250功率光耦输出电流较小，但是驱动的确是功率较低的转速仪表盘和转矩仪表盘，而且TLP250的过电流保护功能强大，由过电流到IGBT可靠关断可以在10us以内完成，可以对仪表盘起到保护作用。

CAN通讯模块900和SCI通讯模块1000均采用了DC/DC隔离保护。第三DC/DC隔离模块1100的一端与CAN通讯模块900和SCI通讯模块1000相连以对CAN通讯模块900和SCI通讯模块1000进行隔离保护，并且第三DC/DC隔离模块1100的另一端与处理模块200相连。

具体地，第三DC/DC隔离模块1100采用型号为ADuM1201的通信隔离芯片对CAN通讯模块900和SCI通讯模块1000进行DC/DC隔离保护。CAN通讯模块900与电机控制器、动力电源控制器、车载其他器件都可以做到隔离通讯，SCI通讯模块1000则与车显示屏隔离通讯。

如图8所示，CAN通讯模块900可以用于处理MCU微处理器芯片210与电机控制器、动力电源控制器以及其他车载信号之间的通讯。在本实用新型的一个实施例中，CAN通讯模块900采用型号为TJA1050的CAN收发器芯片。

微处理器MCU210采用的MC9S12XEP100芯片使用的集成的MSCAN控制器模块。CAN通讯模块900通过隔离器件ADuM1201与CAN收发器模块TJA1050相连，经TJA1050的电平转换后，输出CAN通信信号，ADuM1201隔离器件与ADuM1410隔离器件的功能完全相同。不同点在于，ADuM1201隔离器件为1路隔离器件，ADuM1410隔离器件为两路隔离器件。使用3路CAN收发器TJA1050，可以配置成高低3种速度的CAN通信电路。其中两路高速CAN的传输波特率范围在125Kb/s～1Mb/s，一般设置为500Kb/s，与动力电池控制器和大功率电机控制器进行通信。低速CAN的传输波特率范围在0～125Kb/s，波特率一般设置10kb/s，其用途是车载电器设备。设计不同的通信速率，便可满足车辆本身不同通信模块速率不同的情况。

如图9所示，SCI通讯模块1000可以用于处理MCU微处理器芯片210与车载显示屏之间的通讯。在本实用新型的一个实施例中，SCI通讯模块1000采用型号为MAX3232的SCI转换芯片。

SCI通讯模块1000经过隔离器件ADuM1201与RS232转换器件MAX3232相连，经过MAX3232电平转换，输出一路SCI信号到车载显示屏。

综上可以看出，本实用新型上述实施例提供的整车控制器是整个大型车的控制核心，该整车控制器通过CAN通讯模块900与动力电池控制器和电机控制器通讯，从而获得动力电池与电机的各种数据，例如动力电池输出的最大电压、SOC电池能量、电机温度、电机转速等重要数据，从而对整车安全采取措施。同时通过SCI通讯模块1000将数据发送到车载显示屏，且通过PWM输出模块700将电机转速与车速发送至仪表盘显示，而IO开关量输入模块300则可以接收来自驾驶员的操作指令如钥匙ON信号、钥匙STRAT信号，而IO开关量输出模块400则可以控制继电器、空调等开关信号，AD模拟输入采集模块600则可以采集加速踏板、12V/24V电源电压，从而让驾驶员安全的驾驶整车。

IO开关量输入模块300、CAN通讯模块900和SCI通讯模块1000通过数字隔离器ADuM410和ADuM1201将输入通道与通讯通道和板内输入通道与板内通讯完全隔离，由此无论板外环境如何，都将无法影响到板内的通讯。

IO开关量输出模块400与AD模拟输入采集模块600，由于IO开关量输出模块400只需要板内输出正确，板内输出与板外完全隔离就可以，所以IO开关量输出模块400所用隔离器为光耦TLP521-4。AD模拟输入采集模块600是模拟输入，所以选用的隔离器件为线性光耦HCNR20X，可以很好地隔离AD外部输入和内部输入。

根据本实用新型实施例的纯电动大型车整车控制器，解决了整车控制器中电源模块的隔离缺陷以及AD采集、IO输入输出和通讯模块方面存在的隔离以及其他问题。通过采用电源过压保护、电源防反接保护、电源隔离稳压保护、全隔离保护、ESD保护、功率器件过压保护、过流保护等手段，保证了整车控制器的稳定性，进而保证了汽车在行驶过程中的动力性和安全性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (6)

1.一种纯电动大型车整车控制器，其特征在于，包括：

电源模块；

处理模块，所述处理模块包括：微处理器、BDM调制电路、时钟电路和看门狗电路；

IO开关量输入模块及IO开关量输出模块；

第一直流斩波器DC/DC隔离模块，所述第一DC/DC隔离模块的一端与所述IO开关量输入模块及IO开关量输出模块相连，所述第一DC/DC隔离模块的另一端与所述处理模块相连；

AD模拟输入采集模块；

脉冲宽度调制PWM输出模块；

第二DC/DC隔离模块，所述第二DC/DC隔离模块的一端与所述AD输入采集模块和所述PWM输出模块相连，所述第二DC/DC隔离模块的另一端与所述处理模块相连；

控制器局域网络CAN通讯模块；

串行通讯接口SCI通讯模块；

第三DC/DC隔离模块，所述第三DC/DC隔离模块的一端与所述CAN通讯模块和所述SCI通讯模块相连，所述第三DC/DC隔离模块的另一端与所述处理模块相连。

2.如权利要求1所述的纯电动大型车整车控制器，其特征在于，所述电源模块包括电源转换电路和电源隔离稳压电路，其中，所述电源转换电路和所述电源隔离电路相连。

3.如权利要求1所述的纯电动大型车整车控制器，其特征在于，所述IO开关量输入模块包括钥匙ON档、钥匙ACC档、钥匙START档、制动踏板档、档位信号D档、档位信号N档和档位信号R档。

4.如权利要求1所述的纯电动大型车整车控制器，其特征在于，所述IO开关量输出模块包括空调开关、倒车灯开关和延时继电器开关。

5.如权利要求1所述的纯电动大型车整车控制器，其特征在于，所述AD模拟输入采集模块包括：

隔离电感；

分压电路，所述分压电路的一端与所述隔离电感相连；

TVS二极管，所述TVS二极管的一端与所述分压电路的另一端相连；

滤波电容，所述滤波电容的一端与所述分压电路的另一端相连；

隔离电阻，所述隔离电阻的一端分别与所述TVS二极管的另一端和所述滤波电容的另一端相连；

运算放大器，所述运算放大器的一组放大器的一端与所述隔离电阻的另一端相连，所述运算放大器的一组放大器的另一端与线性光耦相连，所述线性光耦进一步与所述运算放大器的另一组放大器相连。

6.如权利要求1所述的纯电动大型车整车控制器，其特征在于，所述PWM输出模块包括转速仪表盘和转矩仪表盘。

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