燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個(gè)汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)及其他部件信號(hào)，并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件控制器的動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著整車性能。

　　燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器的研制是“十五”期間國(guó)家電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對(duì)于搶占新一代電動(dòng)汽車制高點(diǎn)、促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要意義。

　　1燃料電池電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

　　燃料電池電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車輪等部件組成，各部件通過(guò)CAN（ControllerAreaNetwork）總線組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。燃料電池電動(dòng)汽車采用主輔雙動(dòng)力源形式：燃料電池作為主動(dòng)力源，提供汽車行駛的主要?jiǎng)恿Γ绘嚉湫铍姵亟M是輔助動(dòng)力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。

　　2整車控制器硬件功能電路設(shè)計(jì)

　　2.1整車控制器功能需求分析

　　整車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，它在汽車行駛過(guò)程中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛期望行駛。（2）與電機(jī)、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通訊，通過(guò)CAN總線（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個(gè)零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。（4）系統(tǒng)故障的判斷和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。（5）對(duì)整車具有保護(hù)功能，視故障的類別對(duì)整車進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線高壓系統(tǒng)。（6）協(xié)調(diào)管理車上其他電器設(shè)備。

　　針對(duì)整車控制器的各項(xiàng)具體功能，進(jìn)行了如圖2所示的硬件設(shè)計(jì)整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個(gè)功能電路的設(shè)計(jì)。

　　2.2MCU的選擇

　　MCU是整車控制器的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運(yùn)算以及控制的實(shí)現(xiàn)等，MCU的選取是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機(jī)　　MC9S12DP256，在運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間、數(shù)字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現(xiàn)，并具有較高的性價(jià)比，使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。

　　這款單片機(jī)具有預(yù)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間大、接口資源豐富等諸多特點(diǎn)［1］：

　　（1）采用STAR12CPU，核心運(yùn)算能力可以達(dá)到50MHz，總線速度可以達(dá)到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運(yùn)算速度得到很大提高。

　　（2）片內(nèi)集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的要求。

　　（3）諸多對(duì)外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線接口、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

　　2.3VCU硬件電路設(shè)計(jì)

　　整車控制器是一個(gè)多輸入、多輸出、數(shù)模電路共存的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個(gè)功能電路相對(duì)獨(dú)立。因此，按照模塊化思想設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊，主要包括：最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數(shù)模輸入輸出模塊。

　　2.3.1電源模塊

　　整車控制器的供電電源來(lái)自燃料電池電動(dòng)汽車的鎳氫蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋12V。汽車在運(yùn)行過(guò)程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩(wěn)定，波動(dòng)非常大，高壓時(shí)可達(dá)到＋17V，低壓時(shí)只有＋9V。電源電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致整車控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設(shè)計(jì)時(shí)使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩(wěn)壓作用，并具有短路、過(guò)壓、過(guò)流及溫度過(guò)載保護(hù)等功能。通過(guò)使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。

　　2.3.2CAN通訊模塊

　　由于MC9S12DP256片內(nèi)集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設(shè)計(jì)的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個(gè)溫度保護(hù)電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過(guò)大約165℃時(shí)，會(huì)斷開與發(fā)送器的連接（當(dāng)總線短路時(shí)，更需此溫度保護(hù)電路）［2］。

　　為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過(guò)高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當(dāng)總線上有多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：

　　（1）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1040免受過(guò)流的沖擊。

　　（2）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。

　　（3）在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí)，通過(guò)二極管的短路可起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用。

　　2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

　　在燃料電池電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，整車控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車輛的啟動(dòng)/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開等信號(hào)，即數(shù)字量的輸出。為保證信號(hào)穩(wěn)定可靠，整車控制器置有四路數(shù)字量輸出，并且都大于50mA。設(shè)計(jì)時(shí)采用了繼電器方式的開關(guān)量輸出，該方式是目前最常用的一種輸出方式。所采用的繼電器芯片是Infineon公司的BTS824R，其特點(diǎn)如下［3］：

　　（1）寬電壓范圍輸入，兼容CMOS和TTL電平。

　　（2）加強(qiáng)型電磁兼容設(shè)計(jì)。

　　（3）自帶短路保護(hù)，過(guò)載保護(hù)，ESD保護(hù)。

　　（4）自帶過(guò)溫切斷保護(hù)。

　　整車控制器在發(fā)出開和關(guān)信號(hào)的同時(shí)，也在接收相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。在主芯片MC9S12DP256和外面信號(hào)之間采用高速光耦HCPL-0630連接的方式實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以及信號(hào)隔離。

　　3整車控制器可靠性設(shè)計(jì)及測(cè)試

　　整車控制器在功能完善的基礎(chǔ)上，可靠性是其質(zhì)量好壞的主要技術(shù)指標(biāo)。在燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器的工作環(huán)境中，電機(jī)、變頻器和鎳氫蓄電池組傳輸?shù)哪妇€電流變化較大（特別是當(dāng)變頻器進(jìn)行高頻調(diào)制時(shí)），產(chǎn)生的空間電磁干擾很強(qiáng)；另外，其工作空間的溫度變化范圍廣、振動(dòng)強(qiáng)度大。以上種種不利因素對(duì)整車控制器可能造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：

　　（1）數(shù)據(jù)采集誤差加大。

　　（2）控制狀態(tài)失靈。

　　（3）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。

　　（4）程序運(yùn)行失常。

　　為保證整車控制器運(yùn)行正常，此次的可靠性設(shè)計(jì)采用了元器件級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，具體表現(xiàn)在：芯片的溫度范圍控制、部件的冗余設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)等。

　　3.1芯片的溫度范圍

　　在整車控制器的設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)芯片溫度范圍是汽車級(jí)（-40℃～+125℃），其他極少數(shù)芯片因?yàn)閮r(jià)格原因選擇工業(yè)級(jí)（-40℃～+85℃）。

　　3.2冗余設(shè)計(jì)

　　冗余設(shè)計(jì)是指通過(guò)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增加冗余資源來(lái)減小故障造成的影響，或?qū)⒐收细綦x并校正錯(cuò)誤，使得系統(tǒng)即使發(fā)生了故障或差錯(cuò)，其功能仍不受影響的技術(shù)［4］。本冗余設(shè)計(jì)采用增加功能電路的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，整體冗余量達(dá)50%以上，如表1所示。

　　3.3電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　由于整車控制器應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，干擾嚴(yán)重，存在多種噪聲和耦合方式，所以電磁兼容性設(shè)計(jì)在所有可靠性設(shè)計(jì)中占有很重要的地位。設(shè)計(jì)中采取了濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)等抗干擾技術(shù)［5］［6］，具體如下：

　　（1）選用集成度高的元器件。可以降低電路板元器件的數(shù)目，使電路板布局簡(jiǎn)單，減少焊盤和連線，因而可以大大減少受干擾的概率，增加電路板的抗干擾能力。

　　（2）加粗電源線和地線，數(shù)據(jù)線、地址線及控制線盡量短，以減少對(duì)地電容。

　　（3）數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)布置，并加入濾波和去耦電路。

　　（4）采用四層電路板的設(shè)計(jì)。相對(duì)于兩層板而言，有獨(dú)立的地平面和電源平面，并且信號(hào)線和地線間距可以很緊密，因此能有效減小共模阻抗和感性耦合。

　　（5）采用敷銅技術(shù)。既減小回路面積（因而減小了輻射），又可以減小導(dǎo)線之間的串?dāng)_。

　　3.4可靠性測(cè)試

　　吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)所開發(fā)設(shè)計(jì)的整車控制器做了初步的可靠性測(cè)試。測(cè)試過(guò)程如下：

　　（1）高低溫測(cè)試：在低溫-25℃、高溫125℃中分別保持6個(gè)小時(shí)。

　　（2）振動(dòng)測(cè)試：掃描頻率范圍17～200Hz，最大振幅0.78mm，在60～200Hz時(shí)加速度50，一次掃描時(shí)間15min。

　　（3）電磁兼容性測(cè)試：利用實(shí)車簡(jiǎn)單模擬各種汽車電磁干擾工況，做初步測(cè)試。

　　在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，整車控制器工作正常，未出現(xiàn)復(fù)位現(xiàn)象，各功能模塊發(fā)送、接收數(shù)據(jù)正常。在振動(dòng)測(cè)試時(shí)，元器件無(wú)脫落及損壞現(xiàn)象。

　　4整車臺(tái)架試驗(yàn)

　　在進(jìn)行了可靠性測(cè)試之后，將整車控制器與燃料電池及其控制器、電機(jī)及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器等部件連接在一起，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架。在臺(tái)架上做了以下的試驗(yàn)：

　　（1）通信聯(lián)調(diào)試驗(yàn)：控制系統(tǒng)CAN通訊試驗(yàn)；數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)采集。

　　（2）整車控制器控制邏輯試驗(yàn)：按照與實(shí)際車輛相同的駕駛模式，重點(diǎn)進(jìn)行加速模式、啟車模式、充電模式、再生制動(dòng)模式、動(dòng)力蓄電池充電模式、巡航行駛模式的控制邏輯單模式調(diào)試。

　　（3）整車控制器控制報(bào)警試驗(yàn)。

　　（4）整車控制器控制模式切換試驗(yàn)：重點(diǎn)考核各種控制模式間的切換。

　　在整個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，整車控制器運(yùn)行穩(wěn)定，各功能模塊按照指定程序完成任務(wù)，未出現(xiàn)復(fù)位及數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。圖3是試驗(yàn)過(guò)程中采集的踏板開度信號(hào)，所采集的信號(hào)連續(xù)完整。整車控制器不僅在功能上實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)，而且在可靠性方面也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。

　　所研制的用于燃料電池電動(dòng)汽車的整車控制器，不僅實(shí)現(xiàn)了所需功能，而且具有良好的可靠性和工程實(shí)用性。其中一些重要電路模塊的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)所采用的方法，為今后各類電動(dòng)汽車控制器的開發(fā)起到了奠基工作。