基于CAN總線的電動(dòng)車電源設(shè)計(jì)

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，CAN總線的運(yùn)用也更加廣泛和便捷，特別是應(yīng)用在電動(dòng)車上。今天成都盤灃科技有限公司的小編將為大家介紹基于CAN總線的電動(dòng)車電源設(shè)計(jì)。

本文介紹的電動(dòng)車用三相逆變電源屬于車載輔助逆變電源。稱為“輔助電源”是因?yàn)樗呢?fù)載為電動(dòng)車上的一些輔助交流電機(jī)，如汽車轉(zhuǎn)向助力油泵、剎車氣泵、冷卻水循環(huán)中的水泵以及空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)等。對該三相逆變電源的工作要求是：正常運(yùn)行情況時(shí)獨(dú)立維持輔助電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠根據(jù)上位機(jī)的指令適當(dāng)調(diào)整工作狀態(tài);在負(fù)載發(fā)生故障(如電機(jī)短路)時(shí)迅速關(guān)系輸出、安全關(guān)機(jī)，同時(shí)能夠通過CAN總線向上位機(jī)和其它節(jié)點(diǎn)報(bào)告自身故障，引發(fā)車輛各系統(tǒng)的相關(guān)操作(例如：位于儀表臺上的人機(jī)界面顯示系統(tǒng)將立即顯示警告信息，報(bào)告車輛故障部位，并提示駕駛員減速;而整車能量管理系統(tǒng)則發(fā)出命令關(guān)閉輔助逆變電源的輸入，并將接收到的錯(cuò)誤代碼和當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行保存，便于維修人員進(jìn)行故障診斷。

由此看出，雖然選擇一個(gè)通用變頻器進(jìn)行改裝可以實(shí)現(xiàn)車用三相逆變電源的基本功能，但是要做成支持CAN總線各種功能的智能化節(jié)點(diǎn)必須從底層進(jìn)行開發(fā)，直接選擇支持CAN總線接口的控制芯片，在控制程序中集成CAN通訊功能，適應(yīng)整車通訊的要求。

德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)出一種CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場總線通訊結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在常規(guī)燃油汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE.同時(shí)，CAN總線也被認(rèn)為是電動(dòng)車最佳通訊結(jié)構(gòu)，我國“863計(jì)劃”關(guān)于電動(dòng)汽車的說明中已經(jīng)明確提出，新申報(bào)的電動(dòng)車開發(fā)項(xiàng)目必須采用CAN總線通訊模式。

CAN總線結(jié)構(gòu)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。圖1為一個(gè)典型的電動(dòng)汽車CAN總線結(jié)構(gòu)示意圖，包括整車動(dòng)力部分的主電機(jī)控制器、電池組管理系統(tǒng)、人機(jī)界面顯示系統(tǒng)等多個(gè)設(shè)備，這些子系統(tǒng)之間通過CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和命令傳輸。每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都能夠在脫離CAN總線的情況下獨(dú)立完成自身系統(tǒng)的運(yùn)行，從而滿足車輛運(yùn)行安全性的需要。同時(shí)，CAN總線也不會因?yàn)槟硞€(gè)設(shè)備的脫離而出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)崩潰的現(xiàn)象。

電動(dòng)車由于儲能設(shè)備容量有限，在運(yùn)行過程中對電能流向管理十分嚴(yán)格。精確的電能管理可以延長車輛運(yùn)行里程，減少電池充電頻率，從而節(jié)約運(yùn)行成本。車載能量管理系統(tǒng)需要隨時(shí)監(jiān)控電池電壓、電機(jī)輸出功率以及其它設(shè)備的用電情況。同時(shí)，電動(dòng)車電子控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息必須具有實(shí)時(shí)性，各子系統(tǒng)需要將車輛的公共數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)換、油門踏板位置等。但不同控制單元的控制周期不同，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、各控制命令優(yōu)先級也不同，因此需要一種具有優(yōu)先權(quán)競爭模式的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，并且本身具有極高的通信速率。此外，作為一種載人交通工具，電動(dòng)汽車必須具有極高的運(yùn)行穩(wěn)定性，整車通訊系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力和快速處理能力。

1逆變電源系統(tǒng)硬件構(gòu)成

電動(dòng)車用輔助三相逆變電源從結(jié)構(gòu)上可以分為三個(gè)部分：(1)DC/DC多路電源——自動(dòng)適應(yīng)直流輸入端的大范圍電壓浮動(dòng)，為系統(tǒng)的其它電路提供彼此隔離且電壓穩(wěn)定的低壓電源;(2)主控制板——檢測各路輸出的電壓、電流，根據(jù)運(yùn)行情況智能調(diào)整逆變電路的輸出，通過CAN總線參與整車數(shù)據(jù)通訊;(3)主功率逆變電路——由高度集成的三相逆變模塊IPM組成，完成主電路的逆變功能。

DC/DC多路電源采用開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，配合具有不同變的多抽頭高頻變壓器，對外輸出5V、12V、20V等多路隔離直流電。同時(shí)考慮到電動(dòng)車電池組電壓的波動(dòng)范圍相對較大(充滿時(shí)為400V，使用過程中可能降低到280V)，在設(shè)計(jì)中選擇了適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)，取得較好的輸入電壓適應(yīng)能力。

控制板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用P8xC592單片機(jī)系統(tǒng)中無片內(nèi)ROM的P80C592、脈寬調(diào)制專用芯片SA8282、CAN總線收發(fā)器82C250以及主電路電壓、電流數(shù)據(jù)采集模塊等。

控制板通過SA8282專用芯片向三相逆變模塊IPM提供6路PWM信號。SA8282芯片由MITEL公司開發(fā)生產(chǎn)，其特點(diǎn)是控制簡單、頻率精度高、運(yùn)行可靠性高，它支持標(biāo)準(zhǔn)8位MOTEL復(fù)用數(shù)據(jù)總線，可以方便地和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)。單片機(jī)只需對芯片內(nèi)部的5個(gè)數(shù)據(jù)寄存器賦值，就可以完成對 PWM波形輸出的初始化和實(shí)時(shí)控制。SA8282芯片為標(biāo)準(zhǔn)28腳雙列直插式封裝，管腳RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB輸出三相可獨(dú)立控制的TTL驅(qū)動(dòng)信號，可對應(yīng)驅(qū)動(dòng)三相逆變橋上的六路IGBT.

將SA8282專用芯片與IPM連接后，P80C592只需要在啟動(dòng)時(shí)對其進(jìn)行初始化，三相輸出達(dá)到預(yù)定值后，SA8282即可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng) IPM模塊。只有在調(diào)整PWM輸出時(shí)，P80C592才需要對SA8282進(jìn)行控制。同時(shí)，SA8282芯片的SET TRIP管腳能夠響應(yīng)IPM發(fā)出的故障信號，迅速關(guān)斷所有PWM波形輸出，對逆變電路進(jìn)行快速保護(hù)，并通過TRIP狀態(tài)輸出管理通知P80C592單片機(jī)，確保系統(tǒng)安全。

分布于主電路直流輸入端和三相輸出端的數(shù)據(jù)采集模塊可對各路電壓、電流進(jìn)行采集，經(jīng)P80C592進(jìn)行A/D變換后保存到數(shù)據(jù)存儲器中，便于CPU判斷系統(tǒng)輸入/輸出是否正常，并進(jìn)行相應(yīng)操作。

CAN總線收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，最初為汽車高速通信設(shè)計(jì)，具許多針對車輛應(yīng)用設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)包括：有效減小汽車環(huán)境瞬間干擾對信號的影響，具有保護(hù)總線能力;防護(hù)電池與地之間發(fā)生短路;支持低電流待機(jī)方式等，因此十分適合電動(dòng)車輔助逆變電源的需要。將 82C250與P80C592的CAN接口輸入、輸出端相連，便構(gòu)成了輔助逆變電源對外通訊的接口。

2P8xC592芯片介紹

在電動(dòng)車用輔助逆變電源的設(shè)計(jì)中，控制電路不僅要支持CAN總線通訊，還要對負(fù)載電壓、電流等模擬量進(jìn)行檢測，進(jìn)行各種邏輯判斷，并驅(qū)動(dòng)其它芯片完成三相逆變功能。因此簡單選擇一個(gè)單獨(dú)的CAN控制器是不夠的，最方便的選擇是使用帶有在片CAN功能的控制器。

P8xC592是由PHILIPS公司開發(fā)生產(chǎn)的8位微處理器，主要包括：

?一個(gè)80C51中央處理單元(CPU)

?兩路分辨率為8位的脈沖寬度調(diào)制輸出

?兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

?具有兩級優(yōu)先權(quán)的15個(gè)中斷源

?包括四個(gè)捕獲和三個(gè)比較寄存器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器