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【摘要】本文基于模块化设计思想，设计了混合动力客车整车控制器（HCU）硬件电路。在此基础上利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行了测试，测试结果表明所开发的HCU硬件控制电路能够稳定工作， 能够满足混合动力客车的目标控制功能并实现目标控制策略。
【关键词】混合动力客车;整车控制器;硬件电路;硬件在环仿真
1.引言
混合动力客车整车控制器（HCU）是整车系统的控制核心，对整车各个环节进行管理、协调和监控，其性能好坏直接决定着HEV能否达到理想的控制目标。因而，设计精度高、速度快、可靠性好的整车控制器是实现混合动力客车整车控制的前提和基础。本文以吉林省科技厅项目为依托，针对混合动力客车试验台架进行整车控制器硬件电路设计。试验结果表明所设计的HCU运行精度、速度及可靠性能够满足混合动力客车的控制要求。
2.整车控制器硬件电路总体设计方案
由于整车各电控系统的电路功能相对独立，可以清晰地划分为不同的单元，故整车控制器的硬件设计方案采用了模块化的设计方法。本文硬件电路包括：以MC9S12XS128作为主控芯片的最小系统模块、输入开关信号处理电路，输出开关信号处理电路、输入模拟信号处理电路，输出模拟信号处理电路、输入脉冲信号处理电路，输出脉冲信号处理电路、CAN总线通讯模块及SCI串行口通信模块。控制系统总体结构框图如图1所示。
图1 整车控制器结构原理框图
3.整车控制器硬件电路主要模块设计
3.1 电源电路的设计
电源模块的作用是给整车控制器主控芯片及各外围功能芯片供电。如图2所示，本文采用LM2940-12V和LM2576-5V二级降压式电源电路相结合的方式[80，81]，该电路具有去除电源纹波、抗电磁干扰、性价比高和稳定性强的特点，具有广泛的车载电源适应性。
图2 电源电路
3.2 输入信号处理模块设计
3.2.1 输入开关信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的开关信号包括：钥匙位置开关、变速器档位开关、充电开关、空调开关和制动开关等。发动机、离合器、电动机以及蓄电池的ECU等都是通过开关量来进行控制。本文采用光电隔离的方法对来自各传感器的开关信号进行处理， 以防止混合动力汽车上的强电磁干扰，同时对电路进行了滤波处理，滤除信号上的毛刺干扰。
图3 输入开关信号处理电路
3.2.2 输入模拟信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的模拟信号包括：加速与制动踏板位置信号、节气门位置信号等。为增强系统的可靠性，需要先经过滤波、放大整形及限幅等处理，再送入微处理器进行A/D转换处理。
图4 输入模拟信号处理电路
3.2.3 输入脉冲信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的脉冲信号包括：车速信号、发动机与电机的转速信号等，这些信号均通过霍尔传感器来测量。霍尔传感器根据转速信号盘上的转速产生相应频率的脉冲，再经过整形、稳压、滤波处理后送入运算放大器，信号进一步通过光电耦合器隔离后，传输至HCU主控芯片。
图5 输入脉冲信号处理电路
3.3 输出信号处理模块设计
3.3.1 输出开关信号处理电路
混合动力汽车上的蓄电池组、电机及其控制器等部件在工作时需要风扇或水循环散热，常用的方法是通过电子开关来控制相应风扇及水泵的继电器。本文采用TPL251进行光电隔离以防止混合动力汽车上的强电磁干扰，采用SSR 1N60B进行驱动，用于提高输出电路的带负载能力。
图6 输出开关信号处理电路
3.3.2 输出模拟信号处理电路
由于微控制器不能直接输出模拟信号，故本文选用DAC0832首先将数字量转化为模拟信号，并进一步通过RC低通滤波电路以及电压跟随器的阻抗匹配后向发动机管理系统发送模拟信号。
图7 输出模拟信号处理电路
3.3.3 输出脉冲信号处理电路
混合动力汽车中油道压力的控制及离合器的接合均需要电磁阀来控制。本文选用IRF540作为电磁阀驱动器件，选用TLP250作为MOS管的驱动芯片，共同构成PWM电磁阀驱动电路，通过调节PWM值，改变MOS管栅极与源极间电压有效值，进而改变漏极电流，最终实现PWM信号对电磁阀的控制。
图8 输出脉冲信号处理电路
3.4 CAN通讯模块设计
CAN总线用于实现整车控制器与各二级控制器之间的通讯，本文采用PCA82C250芯片作为CAN收发器， CAN通讯模块电路图如图9所示。
图9 CAN通讯模块电路设计
4.硬件系统功能验证
利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行测试，测试结果如图10所示。
从万有特性可以看出，随着发动机扭矩的提升，其燃油消耗率降低，且其经济区较为宽广。从发动机工作点分布可以看出，发动机工作运行点大部分处于高效区域内，节油潜力得到充分发挥。
图10 发动机万有特性及工作点
图11 发动机转矩动态时间历程曲线
从混合动力客车转矩动态响应时间历程可以看到，发动机能够很快的响应驾驶员的需求转矩，其转矩波动很小，整车动力性及舒适性较好。
图12 SOC时间历程曲线
从SOC时间历程曲线可以看出，SOC平衡性满足要求。从而达到了在保证整车动力性和SOC平衡性的前提下，提高HEV的经济性的控制目标。
5.结论
本章首先提出了混合动力客车整车控制器硬件电路总体设计方案，在此基础上按照模块化设计思想对HCU最小系统模块、输入信号处理模块、输出信号处理模块、CAN总线通讯模块进行了设计。最后利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行测试，测试结果表明所开发的混合动力客车硬件控制电路能够稳定工作， 能夠满足混合动力客车的目标控制功能并实现目标控制策略。
参考文献
[1]张翔.纯电动汽车整车控制器进展[J].汽车电器，2011 （2）：1-5.
[2]潘凯.基于MPC555的混合动力电动汽车整车控制器硬件系统设计[J].汽车工程，2005，27（1）：20-23.
[3]刘伟.基于MC9S12XS128微控制器的智能车硬件设计[J].电子设计工程，2010，18（1）：102-105.
[4]吴清荣，丁跃军.PIC单片机低功耗设计[J].制造业自动化，2011，33（3）：140-142.
[5]张良.用MAX813L设计单片机看门狗与电源监控电路[J].单片机与嵌入式系统应用，2001（5）：51-52.
[6]李至浩.混联式混合动力汽车整车控制器硬件系统设计[J].机械与电子，2011（9）：16-20.
基金项目：本课题系吉林省科技厅（201205046）;教育厅（2012266）科研项目的研究成果。
作者简介：张允（1973—），女，吉林长春人，长春工程学院电气与信息工程学院副教授，吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室博士。
【关键词】混合动力客车;整车控制器;硬件电路;硬件在环仿真
1.引言
混合动力客车整车控制器（HCU）是整车系统的控制核心，对整车各个环节进行管理、协调和监控，其性能好坏直接决定着HEV能否达到理想的控制目标。因而，设计精度高、速度快、可靠性好的整车控制器是实现混合动力客车整车控制的前提和基础。本文以吉林省科技厅项目为依托，针对混合动力客车试验台架进行整车控制器硬件电路设计。试验结果表明所设计的HCU运行精度、速度及可靠性能够满足混合动力客车的控制要求。
2.整车控制器硬件电路总体设计方案
由于整车各电控系统的电路功能相对独立，可以清晰地划分为不同的单元，故整车控制器的硬件设计方案采用了模块化的设计方法。本文硬件电路包括：以MC9S12XS128作为主控芯片的最小系统模块、输入开关信号处理电路，输出开关信号处理电路、输入模拟信号处理电路，输出模拟信号处理电路、输入脉冲信号处理电路，输出脉冲信号处理电路、CAN总线通讯模块及SCI串行口通信模块。控制系统总体结构框图如图1所示。
图1 整车控制器结构原理框图
3.整车控制器硬件电路主要模块设计
3.1 电源电路的设计
电源模块的作用是给整车控制器主控芯片及各外围功能芯片供电。如图2所示，本文采用LM2940-12V和LM2576-5V二级降压式电源电路相结合的方式[80，81]，该电路具有去除电源纹波、抗电磁干扰、性价比高和稳定性强的特点，具有广泛的车载电源适应性。
图2 电源电路
3.2 输入信号处理模块设计
3.2.1 输入开关信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的开关信号包括：钥匙位置开关、变速器档位开关、充电开关、空调开关和制动开关等。发动机、离合器、电动机以及蓄电池的ECU等都是通过开关量来进行控制。本文采用光电隔离的方法对来自各传感器的开关信号进行处理， 以防止混合动力汽车上的强电磁干扰，同时对电路进行了滤波处理，滤除信号上的毛刺干扰。
图3 输入开关信号处理电路
3.2.2 输入模拟信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的模拟信号包括：加速与制动踏板位置信号、节气门位置信号等。为增强系统的可靠性，需要先经过滤波、放大整形及限幅等处理，再送入微处理器进行A/D转换处理。
图4 输入模拟信号处理电路
3.2.3 输入脉冲信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的脉冲信号包括：车速信号、发动机与电机的转速信号等，这些信号均通过霍尔传感器来测量。霍尔传感器根据转速信号盘上的转速产生相应频率的脉冲，再经过整形、稳压、滤波处理后送入运算放大器，信号进一步通过光电耦合器隔离后，传输至HCU主控芯片。
图5 输入脉冲信号处理电路
3.3 输出信号处理模块设计
3.3.1 输出开关信号处理电路
混合动力汽车上的蓄电池组、电机及其控制器等部件在工作时需要风扇或水循环散热，常用的方法是通过电子开关来控制相应风扇及水泵的继电器。本文采用TPL251进行光电隔离以防止混合动力汽车上的强电磁干扰，采用SSR 1N60B进行驱动，用于提高输出电路的带负载能力。
图6 输出开关信号处理电路
3.3.2 输出模拟信号处理电路
由于微控制器不能直接输出模拟信号，故本文选用DAC0832首先将数字量转化为模拟信号，并进一步通过RC低通滤波电路以及电压跟随器的阻抗匹配后向发动机管理系统发送模拟信号。
图7 输出模拟信号处理电路
3.3.3 输出脉冲信号处理电路
混合动力汽车中油道压力的控制及离合器的接合均需要电磁阀来控制。本文选用IRF540作为电磁阀驱动器件，选用TLP250作为MOS管的驱动芯片，共同构成PWM电磁阀驱动电路，通过调节PWM值，改变MOS管栅极与源极间电压有效值，进而改变漏极电流，最终实现PWM信号对电磁阀的控制。
图8 输出脉冲信号处理电路
3.4 CAN通讯模块设计
CAN总线用于实现整车控制器与各二级控制器之间的通讯，本文采用PCA82C250芯片作为CAN收发器， CAN通讯模块电路图如图9所示。
图9 CAN通讯模块电路设计
4.硬件系统功能验证
利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行测试，测试结果如图10所示。
从万有特性可以看出，随着发动机扭矩的提升，其燃油消耗率降低，且其经济区较为宽广。从发动机工作点分布可以看出，发动机工作运行点大部分处于高效区域内，节油潜力得到充分发挥。
图10 发动机万有特性及工作点
图11 发动机转矩动态时间历程曲线
从混合动力客车转矩动态响应时间历程可以看到，发动机能够很快的响应驾驶员的需求转矩，其转矩波动很小，整车动力性及舒适性较好。
图12 SOC时间历程曲线
从SOC时间历程曲线可以看出，SOC平衡性满足要求。从而达到了在保证整车动力性和SOC平衡性的前提下，提高HEV的经济性的控制目标。
5.结论
本章首先提出了混合动力客车整车控制器硬件电路总体设计方案，在此基础上按照模块化设计思想对HCU最小系统模块、输入信号处理模块、输出信号处理模块、CAN总线通讯模块进行了设计。最后利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行测试，测试结果表明所开发的混合动力客车硬件控制电路能够稳定工作， 能夠满足混合动力客车的目标控制功能并实现目标控制策略。
参考文献
[1]张翔.纯电动汽车整车控制器进展[J].汽车电器，2011 （2）：1-5.
[2]潘凯.基于MPC555的混合动力电动汽车整车控制器硬件系统设计[J].汽车工程，2005，27（1）：20-23.
[3]刘伟.基于MC9S12XS128微控制器的智能车硬件设计[J].电子设计工程，2010，18（1）：102-105.
[4]吴清荣，丁跃军.PIC单片机低功耗设计[J].制造业自动化，2011，33（3）：140-142.
[5]张良.用MAX813L设计单片机看门狗与电源监控电路[J].单片机与嵌入式系统应用，2001（5）：51-52.
[6]李至浩.混联式混合动力汽车整车控制器硬件系统设计[J].机械与电子，2011（9）：16-20.
基金项目：本课题系吉林省科技厅（201205046）;教育厅（2012266）科研项目的研究成果。
作者简介：张允（1973—），女，吉林长春人，长春工程学院电气与信息工程学院副教授，吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室博士。