燃料電池電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個(gè)汽車(chē)的控制部件，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(chē)正常行駛。純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)可分為組織層、中間層、執(zhí)行層，其系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。層是執(zhí)行層，由部件控制器和一些執(zhí)行單元組成，其任務(wù)是正確執(zhí)行中間層發(fā)送的指令，并且有一定的自適應(yīng)和極限保護(hù)作用；中間層是協(xié)調(diào)層，其就是VCU，VCU一方面對(duì)駕駛員的各種操作以及車(chē)輛當(dāng)前所處的狀態(tài)解釋出駕駛員的意圖，另一方面，根據(jù)執(zhí)行層當(dāng)前的狀態(tài)，做出的協(xié)調(diào)控制；層是組織層，為駕駛員或自動(dòng)駕駛儀。組織層、中間層、執(zhí)行層三者形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛控制。

　　燃料電池（FuelCell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。電池的性能參數(shù)主要有電動(dòng)勢(shì)、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢(shì)等于單位正電荷由負(fù)極通過(guò)電池內(nèi)部移到正極時(shí)，電池非靜電力（化學(xué)力）所做的功。電動(dòng)勢(shì)取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作單位。在電池反應(yīng)中，1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因?yàn)殡姵刂械姆磻?yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)電池內(nèi)阻也要引起電動(dòng)勢(shì)降，因此常把比能量高的電池稱(chēng)做高能電池。電池的面積越大，其內(nèi)阻越小。

　　1燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)

　　燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)行駛的主要?jiǎng)恿?；能源是?jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有能源工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現(xiàn)代文明。人類(lèi)為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷史上利用能源的方式有過(guò)多次革命性的變革，從原始的蒸汽機(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。 隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類(lèi)的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。

　　2整車(chē)控制器硬件功能電路設(shè)計(jì)

　　2.1整車(chē)控制器功能需求分析

　　整車(chē)控制器相當(dāng)于汽車(chē)的大腦，它是基于的汽車(chē)專(zhuān)用單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能混合動(dòng)力車(chē)輛控制器，具有強(qiáng)大的整車(chē)系統(tǒng)層的能量管理、轉(zhuǎn)矩管理和安全管理等功能。基于對(duì)駕駛員輸入、路面狀況、儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)的測(cè)量，根據(jù)智能能量管理策略對(duì)混合動(dòng)力總成的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制，保證車(chē)輛具有較高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和安全性。該控制器適用于全系列的混合動(dòng)力車(chē)輛和電動(dòng)車(chē)輛。盛能動(dòng)力科技設(shè)計(jì)和制造的智能整車(chē)控制器，可以提供高效、可靠和經(jīng)濟(jì)的整車(chē)控制功能。 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(chē)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(chē)具有保護(hù)功能，視故障的類(lèi)別對(duì)整車(chē)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(chē)上其他電器設(shè)備。

　　2.2MCU的選擇

　　MCU（Micro Control Unit）中文名稱(chēng)為微控制單元，又稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制MCU按其存儲(chǔ)器類(lèi)型可分為無(wú)片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無(wú)片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型（典型芯片為89C51）等類(lèi)型，一些公司還推出帶有片內(nèi)性可編程ROM（One Time Programming, OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。MASKROM的MCU價(jià)格便宜，但程序在出廠時(shí)已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場(chǎng)合；FALSHROM的MCU程序可以反復(fù)擦寫(xiě)，靈活性很強(qiáng)，但價(jià)格較高，適合對(duì)價(jià)格不敏感的應(yīng)用場(chǎng)合或做開(kāi)發(fā)用途；OTPROM的MCU價(jià)格介于前兩者之間，同時(shí)又擁有性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。 。

　　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)：

　?。?）采用STAR12CPU，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。

　?。?）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。

　?。?）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、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

　　2.3VCU硬件電路設(shè)計(jì)

　　整車(chē)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：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(chē)控制器的供電電源來(lái)自燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的鎳氫蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋12V。汽車(chē)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(chē)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，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車(chē)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。

　　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(chē)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。

　　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：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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(chē)運(yùn)行過(guò)程中，整車(chē)控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車(chē)輛的啟動(dòng)/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開(kāi)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(chē)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(kāi)關(guān)量輸出，該方式是目前常用的一種輸出方式。其特點(diǎn)如下：

　?。?）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)。

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

　?。?）自帶過(guò)溫切斷保護(hù)。

　　整車(chē)控制器在發(fā)出開(kāi)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(chē)控制器可靠性設(shè)計(jì)及測(cè)試

　　整車(chē)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(chē)整車(chē)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(chē)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：

　?。?）數(shù)據(jù)采集誤差加大。

　?。?）控制狀態(tài)失靈。

　?。?）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。

　?。?）程序運(yùn)行失常。

　　為保證整車(chē)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(chē)控制器的設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)芯片溫度范圍是汽車(chē)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)。如表1所示。

　　3.3電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　由于整車(chē)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。具體如下：

　?。?）選用集成度高的元器件?？梢越档碗娐钒逶骷臄?shù)目，使電路板布局簡(jiǎn)單，減少焊盤(pán)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。

　?。?）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。

　?。?）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(chē)動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的整車(chē)控制器做了初步的可靠性測(cè)試。測(cè)試過(guò)程如下：

　?。?）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，振幅0.78mm，在60～200Hz時(shí)加速度50，掃描時(shí)間15min。

　?。?）電磁兼容性測(cè)試：利用實(shí)車(chē)簡(jiǎn)單模擬各種汽車(chē)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(chē)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(chē)臺(tái)架試驗(yàn)

　　在進(jìn)行了可靠性測(cè)試之后，將整車(chē)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(chē)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)：

　?。?）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。

　?。?）整車(chē)控制器控制邏輯試驗(yàn)：按照與實(shí)際車(chē)輛相同的駕駛模式，重點(diǎn)進(jìn)行加速模式、啟車(chē)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(chē)控制器控制報(bào)警試驗(yàn)。

　?。?）整車(chē)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(chē)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(kāi)度信號(hào)，所采集的信號(hào)連續(xù)完整。整車(chē)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(chē)的整車(chē)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(lèi)電動(dòng)汽車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)起到了奠基工作。