张 建，江 昊，王修满，张 辉

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

混合动力公交车整车控制器设计与硬件仿真

张 建，江 昊，王修满，张 辉

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

根据MCU的特点、原理及电磁兼容性设计方法，研制了一款并联式混合动力公交车的整车控制器（HCU），并利用硬件在环仿真测试对硬件系统功能进行了验证。结果表明，该HCU性能稳定、工作可靠、能准确实现整车控制功能。

混合动力公交车；整车控制器；MC9S12XD512；电磁兼容性

混合动力公交车整车控制器（HCU）作为中央控制单元，是整个控制系统的核心。通过采集点火开关、加速踏板、制动踏板、AMT手柄、车速、电池SOC等信号，计算出发动机、电机间的功率/扭矩分配，完成整车的能量管理的基本功能，同时实现和车上其它电子控制单元的数据通讯，控制车辆高效、安全运行。因此，HCU的优劣直接影响整车可靠性和其他性能。作为电控单元(ECU）的核心微控制器（MCU），其功能日趋复杂化，嵌入式、高精度的高速MCU开始得到广泛应用。因此，利用高性能的MCU和新的技术开发HCU非常必要。

1 并联式HEV动力总成

并联式HEV的动力源有2个（图1）：发动机、超级电容和电动机，两者通过耦合器连接起来。根据公交车行驶工况，动力总成有3种工作模式：发动机模式、电动机单独驱动模式及混合驱动模式。3种模式的实时交换，以获得最佳燃油经济性和最小尾气排放［1］。

2 整车控制器硬件系统设计

2.1 整车控制器设计目标分析

硬件设计时，要实现HCU的控制功能；要考虑硬件的工程化特点，在汽车实际运行环境下，保证HCU可靠、稳定的工作［2］；系统要具有实时可调试性，发现错误，可以及时更改；要兼顾系统的通用性和标准化，使得不同HCU系统能相互兼容。HCU具体特点分析如下：

1）功能性 HCU接受来自驾驶员的信号，并向各控制单元发送指令，使得汽车能按预期行使；通过CAN总线，实现超级电容、电机控制器以及其他ECU信号共享和控制信号的总线传送方式；同时，HCU具有监视和故障诊断功能。

2）工程性 在整车控制器的设计中，绝大多数芯片温度范围是商业级（0～70℃），少数芯片选用工业级（-40～85℃）；采取电磁兼容性设计，提高系统的抗干扰能力；采用增加部分电路数量的冗余设计方法，在系统发生故障情况下，保证其能正常运行。

3）可调试性 预置BDM调试接口和重要信号的测试点。

4）通用性 电路功能模块化，具有标准连接器接口，支持CAN2.0B通信协议。

2.2 MCU的选型及特点简介

在设计整车控制器时，MCU的选型是最重要的一步，本文选用freescale公司的16位HCS12X系列的单片机MC9S12XD512作为整车控制器的MCU。HCS12X采用增强型内核和增强型外围设备，并且具备完全的CAN功能，改进了中断处理功能,同时增加了一个平行处理的XGATE模块。

MC9S12XD512主要特点概述如下：

1）具有增强型的CPU，提高了总线速度（最高可达40 MHz，HCS12只能达到25 MHz）。

2）XGATE模块是一个智能模的、可编程的直接存储器存取模块，可以进行中断处理及通讯和数据预处理，并为其他任务释放一部分CPU空间，从而提高了性能［3］。

3）512 kB的Flash、32 kB的RAM、4 kB的EEPROM。

4）2个串行通信接口 （SCI）、2个串行外设接口（SPI）、8路10位模/数转换器（ADC）、8信道的脉宽调制（PWM）、背景调试模块（BDM）等。

2.3 整车控制器硬件电路设计

图2描述了整车控制器总体结构形式以及各个模块要接收和处理的信号［4］。整车控制器是一个多功能系统。电路结构复杂，要处理多种输入输出信号（数字信号和模拟信号），但是电路功能相对比较独立，可以实现模块化设计。根据HCU的功能需求，把硬件电路划分为7个模块：MCU最小系统模块、电源模块、模拟信号采样隔离模块、CAN通讯模块、SCI串行通信模块 （SCI模块）、SPI串行外设接口模块（SPI模块）、数字信号输入/出模块［5］。

2.3.1 电源模块

整车控制器所需的电压有2种：5V和±12 V。5 V是为MCU提功工作电压以及作为A/D转换的参考电压；±12 V是为其它芯片提供工作电压。并联式超级电容混合动力公交车供给HCU的电压是24 V，所以电源模块要具有电压转换功能。同时，电源噪声是电磁干扰的一种，在设计时要对电路进行滤波处理，提高模块的稳定性。

本文选用金升阳公司的 DC-DC模块电：VRB2405LD-15W和WRA2412YMD-6W，该模块具有高低温特性好、宽电压输入，同时能实现隔离稳压，满足设计需求。前者可以将24 V电压转换成5 V,后者能把24 V转换为±12 V。24 V/5 V电压转换模块如图3所示，在模块电源输入端设置了一个稳压二级管，当蓄电池电压高于35 V时，能将其反向击穿，起保护模块电源的作用；C1、C2起消除差模干扰信号的作用；L1能够衰减共模干扰信号；C1、C2和L1组成的滤波器对频率较高的干扰信号有较大的衰减。

图3 电源模块24V/5V转换原理图

2.3.2 模拟信号采样隔离模块

由HCU功能性分析可知，它要采集加速踏板和制动踏板信号，然后传送给MCU的A/D转换器。MCU的A/D转换器对输入的模拟信号的准确性和稳定性有较高的要求，而从加速踏板和制动踏板采集到的信号含有干扰信号，这就要对其进行滤波和隔离处理后，再传送给MCU。图4设计了一个模拟信号采样隔离模块。该模块选取惠普公司的HCNR201线性光耦对模拟信号进行线性隔离，C1、C2起滤波作用。通过改变电位计R1的阻值，实现模拟信号输入与输出成1：1关系。该模块经过实物调试，效果良好，达到了设计要求。

图4 模拟信号采样模块原理图

2.4 电磁兼容性设计

电磁兼容性设计（EMC）是指电子装置在预定的工作环境条件下，即不受周围电磁场的影响，也不影响周围环境，不发生性能变异或误动作，而按设计要求正常工作的能力［6］。干扰源主要有两类：系统自身干扰源，如电路布局不合理或元器件质量差，而引起的电阻热噪声干扰和接触噪声干扰等；系统外部干扰源，如电源噪声、电磁波信号发射、雷电等。为了避免上述两类干扰源对HCU产生干扰，在设计HCU的电磁兼容性时，采取了以下几种抗干扰措施，来提高HCU的可靠性和耐久性。

1）选用集成度高的元器件。如在设计电源模块时，选用模块电源以及加上低通滤波器进行滤波，大大减少了故障率和受干扰的概率。

2）MCU的外部晶振是高频噪声源，为了降低噪声干扰，将晶振放置在MCU晶振引脚较近的位置；同时选用低频率晶振，选值为8 MHz。

3）数字量输入输出电路采用了光电隔离；模拟信号输入电路使用了线性光耦HCNR201进行隔离。通过隔离可以切断干扰通道，避免强电流对回路的冲击。

4）对集成电路，在芯片的电源和地引脚之间并接大容量钽电容和小容量非电解电容，以去除输入电源耦合噪声，减小干扰。

5）在设计PCB板时，电源线和地线加粗，并且地线宽度大于电源线宽度；电路板铜模线使用45°折线而不用90°折线；数字地、模拟地分开设计，在电源端2种地线相连；采用敷铜技术，既减小回路面积，又可以减小导线之间的串扰［7］。

3 整车控制器硬件系统功能验证

3.1 实验室控制器硬件功能调试

功能调试的内容如下：

1）上电后，检测电源模块电压转换结果。

2）通过BDM接口向MCU烧写程序，控制MCU其中一个I/O接口，测试MCU功能完好性及基本运行情况。

3）编写程序，进行CAN通讯调试，检验CAN通讯模块能否正常通讯。

4）编写MCU底层驱动程序，包括A/D转换模块、PWM模块、PIT中断功能以及I/O模块。

实验结果证明：MCU性能完好，各模块能进行正常工作。

3.2 硬件在环仿真测试

由于传统的离线仿真的诸多局限性，采用硬件再环仿真来检测开发的HCU。将dSPACE与HCU连接，dSPACE向HCU发送仿真数据，HCU则将仿真得到的结果进行分析处理后反馈，然后由软件或人工对采集的数据进行分析，从而判断HCU的运行情况。

硬件在环仿真过程（图5）采用CAN总线来发送和接受数据。整车控制器采集发动机、电动机、电容及整车发出的报文，通过分析处理，回馈油门开度、电机期望扭矩、期望发电电流到整车，并实时调整，以实现在环仿真。

表1中，帧OxOc02ala7是HCU向整车模型发送控制指令；帧 Ox1818ala4、Ox00f00350、Ox-Oc19a7a6是整车模型向HCU发送的反馈数据。［8］

表1 CAN总线部分实验结果

图6反应了车速与超级电容电流、发动机扭矩、挡位信号和油门开度的关系。如图6a所示，当车子制动时，超级电容充电至饱和状态；加速时，超级电容放电，电机产生工作电流。如图6b～d所示，当车子减速时，发动机扭矩和油门开度为零，并且挡位逐级降挡；当车子加速行驶时，发动机提供扭矩，挡位逐级升挡。

HL仿真试验结果表明，HCU硬件系统运行良好，HEV仿真模型与实际HCU之间的信号能够正常通信且通信完全符合信号通信协议。

4 结 论

所研制的整车控制器用于混合动力公交车，不仅实现了所需功能，而且具有良好的工程实用性。模块化设计方法降低了成本、缩短了研发周期，有利于硬件设计的标准化、系列化，为HCU的平台化设计打下了基础。通过硬件在环仿真测试证明：HCU的硬件和底层驱动的设计符合既定的设计要求，又能够准确及时地采集输入信号和输出控制信号，实现整车控制功能。

［1］潘 凯，张俊智，甘海云，等.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.

［2］宋君花，唐航波，敖国强，等.混合动力汽车整车控制器硬件电路与CAN总线通信的设计开发［J］.汽车工程，2007，29（7）：590-593.

［3］王宜怀，刘晓升，范仲祥，等.嵌入式系统：使用HCS12微控制器的设计与应用［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2008：21.

［4］张劲博.纯电动客车整车控制器研究［D］.吉林：吉林大学汽车工程学院，2008.

［5］郭孔辉，靳 鹏，张建伟.基于 MC9S12DP256的燃料电池电动汽车整车控制器硬件研制 ［J］.嵌入式技术，2007（6）：28-30.

［6］王幸之，王 雷，翟 成，等.单片机应用系统抗干扰技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2000：13.

［7］汪胜聪，滕 勤，左承基.综述单片机控制系统的抗干扰设计［J］.现代电子技术，2003，1（144）：7-9.

［8］袁银南，王 忠，钱恒荣，等.ISG混合动力汽车整车控制器的设计［J］.汽车工程，2009，31（7）：601-605.

Design and Hardware-simulation of Vehicle Control Unit for Hybrid Electric Bus

Zhang Jian,Jiang Hao,Wang Xiuman,Zhang Hui
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A control unit was designed for a parallel hybrid electric bus based on the characteristic and working principle of MCU and the method of electromagnetic compatibility design.The performance of the system was testified by hardware-in-the-loop simulations.The simulation results show that the HCU has good stability and reliability and meets the requirements of the vehicle control.

HEV；vehicle control unit；MC9S12XD512；electromagnetic compatibility

U469.72

A

1008-5483（2010）04-0005-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.002

2010-11-15

张 建（1985-），男，河南固始人，硕士生，从事电动汽车技术研究。