1、2005004基于MPC555的混合動力電動汽車整車控制器硬件系統設計3潘凱,張俊智,甘海云,李雅博,朱海濤(清華大學,汽車安全與節能國家重點實驗室,北京100084摘要介紹了一種基于32位MPC555微控制器的并聯式混合動力電動汽車整車控制器(HCU 硬件系統的設計。闡述了幾個重要模塊的電路原理和系統的電磁兼容性設計方法。給出了利用硬件在環仿真測試和發動機臺架試驗進行硬件系統功能驗證的結果。試驗證明,所開發的HCU 工作可靠、能夠實現目標控制功能。關鍵詞:混合動力電動汽車,動力總成,硬件系統,電磁兼容Hardware Design of Vehicle Control Unit for Hy

2、brid Electric Vehicle Based on MPC555Pan K ai ,Zhang Junzhi ,G an H aiyun ,Li Yabo &Zhu H aitaoTsi nghua U niversity ,State Key L aboratory of A utomotive S af ety and Energy ,Beiji ng 100084AbstractThe hardware design of vehicle control unit for a parallel hybrid electric vehicle based on a 322

3、bit micro 2controller MPC555is presented.The method of electro 2magnetic compatibility design for the system and its major modules is discussed.A hardware 2in 2the 2loop simulation is performed and verified by engine bench test.The results proved that the developed hardware system is reliable and ca

4、n fulfill the objective control func 2tion.K eyw ords :H ybrid electric vehicle ,Pow ertrain ,H ardw are system ,Electro 2magnetic compatibility3國家863計劃電動汽車重大專項資助項目(2003AA501212。原稿收到日期為2003年12月17日,修改稿收到日期為2004年3月11日。1前言具有高精度、高速度、高可靠性的混合動力電動汽車整車控制器(HCU ,hybrid electric vehicle con 2trol unit 是實現HEV 整

5、車控制的基礎。微控制器(MCU ,micro 2controller unit 作為電控單元(ECU 的核心,其功能日趨復雜化,嵌入式、高精度的高速MCU 開始得到廣泛應用,32位MCU 已成為汽車動力系統的發展趨勢。Motorola 公司于1996年推出的具有32位浮點運算內核的PowerPC500(MPC500系列MCU ,代表了汽車電子的發展趨勢,在近幾年被廣泛應用到了BMW 、Ford 、GM 等汽車公司的發動機和動力傳輸控制系統中。2并聯式HEV 及其控制系統簡介并聯式HEV 的動力源有兩個(圖1: 一個是發動機,另一個是蓄電池和電動機,二者之間通過轉矩合成裝置相連。根據不同的汽車行

6、駛工況,動力總2005年(第27卷第1期汽車工程Automotive Engineering 成可以采取發動機、電動機單獨驅動或聯合驅動模式,以獲得最佳燃油經濟性、減小排氣污染。為達到這一目的,需要建立一套高效而可靠的控制系統。如圖2所示,并聯式HEV 控制系統由HCU 和各部件ECU 組成(包括發動機、電動機、電池、AM T 、ABS 、動力轉向以及智能儀表等各部件的控制系統,各ECU 之間通過CAN 總線通信。HCU 是控制系統的樞紐,它要通過CAN 通信或直通方式接收來自不同ECU 的信號并按照一定的控制策略發送控制信號,以完成HEV 不同工作狀態的切換和切換過程的協調控制 。作者基于M

7、PC555MCU ,為并聯式HEV 設計出了一款HCU 。3HCU 硬件系統設計311設計目標分析作為硬件設計,首先要滿足整車控制的功能性需求;其次要考慮系統的工程化特點,使HCU 具有較高可靠性、滿足汽車運行環境;第三,系統要具有可調試性,容易發現錯誤和不足,便于進一步改進。此外,要兼顧系統的標準化和平臺化設計,使HCU 能夠與不同的HEV 控制系統兼容。HCU 硬件系統應具有以下特點。(1功能性采用32位嵌入式MPC555微控制器,滿足運算量大、實時性高的系統程序運行需求;可以處理從傳感器接收的各種信號,并能向執行器輸出具有足夠的驅動能力的各類控制信號;具有電控節氣門控制功能和一定的AM

8、T 控制能力;具有CAN 總線接口,以實現與動力總成不同ECU 間的信號共享和控制信號的總線方式傳送;具有診斷接口,可以對動力總成進行故障診斷。(2工程性MCU 具有高度的靈活性和可靠性,可以在高速移動、苛刻的汽車運行環境下工作;具有較大容量的SRAM ,方便程序調試和控制參數的在線標定,滿足實時內核對靜態隨機存儲器的容量要求;具有較強的抗干擾能力,電磁兼容性滿足國家及行業標準;控制器溫度范圍和尺寸滿足車用要求。(3可調試性設置BDM 調試接口,預留重要信號的測試點,對MCU 啟動配置和復位操作進行冗余設計。(4平臺化電路功能模塊化,具有標準連接器接口,支持CAN210B 通信協議。312硬件

9、接口的模塊化設計31211總體方案HCU 是一個多輸入多輸出的非線性系統,待處理的信號較多、電路結構較為復雜,但是電路功能相對獨立、可以清晰地劃分為不同的單元,從而實現電路的模塊化設計。電路的模塊化設計可以降低設計難度、縮短研發周期,同時有利于優化PCB 布局、提高系統抗干擾能力,也便于軟件的模塊化設計。在功能分析的基礎上,將HCU 硬件電路劃分為以下模塊。(1電源管理模塊將+12V 蓄電池電源轉換為+5V 和+313V ,為MCU 和各電路模塊提供工作電源。(2MCU 配置模塊MCU 正常工作的基本維護電路,包括時鐘配置、啟動配置、復位以及SRAM 擴展等電路。(3SCI 串行通信模塊符合R

10、S232通信標準,提供軟件調試、數據標定的通信接口。(4CAN 通信模塊符合CAN210B 通信協議,提供HCU 與各ECU 間的CAN 通信接口以及用于CCP 標定系統。(5模擬量信號調理電路(A I 模塊接收來自各傳感器或ECU 的模擬量信號,并進行調理。(6輸入數字量信號調理電路(DI 模塊接收來自各傳感器或ECU 的數字量信號,并進行調理。(7輸入脈沖信號調理電路(PI 模塊接收來自傳感器的轉速信號,并進行調理。(8輸出數字量信號隔離與驅動模塊(DO 模塊向執行器輸出具有一定驅動能力的數字量信號。(9節氣門H 橋驅動模塊H 橋驅動電路,輸出驅動節氣門的PWM 信號。HCU 硬件系統總體

11、方案如圖3所示1,由圖中可看到各電路模塊應用MCU 內部資源的情況。下面詳細介紹幾個重要電路模塊的設計原理。122005年(第27卷第1期汽車工程31212電源管理模塊HCU的工作電壓為+5V和+313V,而其輸入電源為車載+12V蓄電池,電源管理模塊要具有電壓轉換功能;同時,輸入電源是噪聲的重要來源,電源管理模塊要能隔離干擾、保持電壓穩定。電源管理模塊電路包括+12V到+5V和+5V 到+313V兩個電壓轉換電路,兩個電路都采用了智能集成電路芯片。其中+12V到+5V電壓轉換通過一個降壓轉換器來實現,該芯片的內部結構保證反饋端SENSE具有+2142V穩定參考電壓,選擇合適的電阻值就可在輸出

12、端VSW得到理想的輸出電壓。該芯片具有較高的開關頻率,可滿足高速瞬態響應并具有良好的回路穩定性,能夠承受蓄電池較高的電壓波動。得到的+5V電壓經過一個低功耗三態整流穩壓器后得到+313V電壓。電路中,+ 12V二級管起反接保護作用,穩壓管起穩壓作用、可防止輸入電壓過高,鉭電容可有效地濾除電源噪聲。輸入電源經過電源管理模塊后得到了穩定而可靠的需求電壓。31213CAN通信模塊HEV各控制系統之間依靠CAN總線通信, HCU是其中一個非常重要的節點單元。由于MPC555片內集成了兩個CAN210B總線控制器模塊(TouCAN,所以HCU的CAN通信模塊不需要添加片外CAN控制器、電路設計較為簡單。

13、CAN通信接口采用Philips的PCA82C250作為CAN收發器,該芯片適合汽車中的高速應用(高達1M baud,可以對總線提供不同的發送能力和對CAN控制器提供不同的接收能力,它符合CAN210標準,完全與“ISO11898”標準兼容。PCA82C250可以承受汽車環境中可能產生的高瞬變電壓,具有總線保護瞬變、對電池和地的短路保護、熱保護等功能,抗電磁干擾能力強,是專為汽車電子環境設計的芯片。為了保護系統電路、提高抗干擾能力,在MCU 與CAN收發器之間采用了高速光隔器件4N25,可以消除CAN總線網絡對系統的影響。31214電控節氣門H橋驅動電路電控節氣門的開度控制是HCU要實現的重要

14、功能之一,其控制策略采用文獻2中研究的方法,由MCU產生兩路PWM信號來控制電控節氣門的直流驅動電機。MCU直接輸出的PWM信號電流僅為幾mA,必須通過搭建H橋驅動電路來提高其驅動能力。該電路主芯片采用了Motorola的MC33186,它是一個H橋驅動集成電路,該芯片具有40V瞬時過電壓保護、過熱保護、短路保護和欠壓禁用等功能,直流電流負載達到5A、工作頻率可達20kHz,具有診斷輸出功能,能夠滿足ETC驅動電機大電流、高開關頻率的要求。313電磁兼容性設計在汽車電子環境中,HCU會面臨來自多方面的干擾,包括電源噪聲、各種功率執行器產生的瞬變脈沖電壓、電磁波信號發射等,這對系統的可靠性會產生

15、非常不利的影響。為了提高控制系統的工作可靠性和耐久性,就必須在硬件系統設計階段采取相應的措施以提高其抗干擾能力。電磁兼容性已成為汽車電子控制系統設計中越來越得到重視的一個問題。HCU硬件系統對電磁兼容性做了全面考慮,在不同的設計階段采取了相應的抗干擾措施3,4。(1設計安全可靠的電源管理模塊智能電源芯片的使用,以及防反接、穩壓、電容濾波及解耦等措施可有效抑制外界電磁干擾,提高電源可靠性。22汽車工程2005年(第27卷第1期 (2進行信號調理通過RC濾波、電容濾波、穩壓管穩壓等電路,對進出HCU的I/O信號進行濾波及穩壓調理,濾除信號噪聲。(3集成電路芯片電源解耦對集成電路,在芯片的電源和地引

16、腳之間并接大容量鉭電容和小容量非電解電容,以去除輸入電源耦合噪聲,減小干擾。(4合理的PCB布局和模塊隔離模擬電路、數字電路以及大功率驅動電路等電路模塊互相獨立并隔離,避免相互干擾;HCU的PCB設計采用6層制板工藝,留有獨立的電源平面和地平面;并根據不同的電源和地類型將電源平面和地平面進行分割,采用多點接地。采取以上措施后,HCU硬件單元獲得了良好的抗干擾性能,已經通過符合G B/T176191998標準的電磁兼容檢測試驗。4硬件系統功能驗證411實驗室硬件功能測試首先對HCU進行了實驗室環境的硬件功能調試,調試內容包括:(1上電后,電源管理模塊電壓轉換結果;(2編制簡單程序,測試MCU啟動

17、、復位以及基本運行情況;(3編制MCU的底層驅動程序(包括AD模塊,TPU3模塊PWM功能、頻率測量功能,M IOS模塊PWM功能、I/O功能,M GPIO模塊以及PIT中斷功能,測試各模塊的信號質量;(4利用Windows超級終端和SCI驅動程序,測試SCI串行通信。調試結果表明:MCU各個通道可以正常工作, HCU通過了實驗室環境的測試。412硬件在環仿真測試在dSPACE實時硬件平臺中建立HEV仿真模型,包括:整車動力學模型、各部件及其控制器模型、通信信號處理模型等。利用此硬件在環仿真系統(HIL S對HCU進行信號通信測試和控制功能測試,測試過程如圖4所示。HCU信號轉接板dSPACE

18、硬件平臺監控計算機圖4HIL S測試示意圖對通信信號的測試結果顯示,HEV仿真模型與實際HCU之間的信號能夠正常通信且通信完全符合信號通信協議;對HCU的控制功能測試包括純電機起步、ISG啟動發動機、固定擋位發動機單獨驅動、固定擋位混合驅動、行車充電、制動能量回饋和起步急加速等。測試結果表明:設計的HCU硬件系統能夠正常工作,具有良好的響應特性,可以完成目標控制功能并實現目標控制策略。413發動機臺架試驗在通過實驗室環境測試和硬件在環仿真測試之后,HCU與各部件ECU(包括發動機ECU、電機ECU、電池管理系統、儀表ECU等在發動機臺架上實現了整個并聯式HEV動力總成的聯合試驗。試驗內容包括:

19、(1ISG啟動發動機試驗;(2蓄電池供電,電動機單獨驅動試驗;(3發動機單獨驅動,發電機為蓄電池充電試驗;(4發動機單獨驅動,ISG對蓄電池充電試驗;(5電機單獨驅動,發動機驅動ISG對蓄電池充電試驗;(6發動機和電機聯合驅動試驗;(7制動能量回收試驗。試驗結果表明:HCU與各部件ECU之間可以實現正常的CAN通信;HCU能夠實現對電控節氣門的控制;HCU響應速度快、實時性強,可以較好地實現動力總成控制策略以及控制參數的標定。另外,在發動機臺架試驗中,電機、蓄電池和配電系統運行時的強電高達300400V,電池充放電過程中產生的交變電流也有數十安培,HCU能夠在這樣惡劣的電磁環境中長期穩定地運行

20、,說明它具有良好的電磁兼容性。5結論具有高性能、高可靠性的HCU是實現HEV控制的基本保障。文中的硬件設計兼顧功能性和工程性,HCU具有良好的電磁兼容性;模塊化設計方法降低了成本、縮短了研發周期,有利于硬件設計的標準化、系列化,為HCU的平臺化設計打下了基礎; HIL S測試和臺架試驗表明HCU硬件系統滿足混合動力系統要求,并為實車試驗做好了前期準備。(下轉第27頁下的車速對比。圖6為制動距離比較,圖7、圖8分別為車輛加速度比較與加速度變化率比較。圖6制動距離比較由圖5、圖6可見,在能量回饋輔助制動力矩的作用下,制動時間減少了17%,制動距離縮短了22%。從圖7、圖8可見,能量回饋輔助制動力矩

21、作用后,車輛加速度及其變化率的變化過程均與原車制動系統(即無制動能量回饋相似,說明兩者的制動感覺、駕駛柔順性相近,車速不會出現突變(圖5,采用圖2控制策略,制動能量回饋力矩的加入沒有影響制動過程的柔順性。 圖7加速度變化趨勢圖8加速度變化率的趨勢圖9工況循環后電池電量圖9是能量回饋控制對蓄電池能量消耗的比較。試驗在采用能量回饋策略前后,樣車分別按歐洲城市循環ECE 2EUDC工況連續運行3個循環,試驗前蓄電池的S OC 均為100%。可見,采用能量回饋控制策略,可使蓄電池S OC 少消耗3%,蓄電池能量消耗可相對減少10%,證明能量回饋的控制是成功而有效的。6結論(1文中設計了基于常規汽車制動

22、系統的能量回饋控制方式,該方式已成功地運用于國家科技部“863”計劃中開發的純電動轎車上。(2實車試驗證明,提出的能量回饋控制策略是成功且安全可靠的,車輛駕駛柔順性較好。(3利用能量回饋技術,純電動轎車按城市循環工況運行,能有效延長車輛一次充電的續駛里程。參考文獻1宋小慶等1電動裝甲車無刷直流電機驅動系統的再生制動1微電機,2001,34(12Cikanek S R ,Bailey K E 1Regenerative Braking System for a HybridVehicle 1Proceedings of the American Control Conference Anchor

23、 2age ,A K May 8210,20023Panagiotidis M ,et al 1Development and Use of a Regenerative Brak 2ing Model for a Parallel Hybrid Electric Vehicle 1Paper 2000-01-09954Paterson John ,Ramsay Mike 1Electric Vehicle Braking by FuzzyLogic Control 1IAS Anaual Meering ,Manufacturing Systems Devel 2opment and Applications ,1993(上接第23頁參考文獻Literature Distribution ,20002李雅博.發動機電控節氣門控制器的研發.公路交通科技,2004,(33Stevan D.EMC Guidelines for MPC5002Based Automotive Power 2train Systems.Motorola Semiconductor Application Note ,AN2127,20014王幸之,王雷,翟成等.單片機應用系