2.3.3 數(shù)模輸入輸出模塊

　　在燃料電池電動汽車運(yùn)行過程中，整車控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車輛的啟動/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開等信號，即數(shù)字量的輸出。為保證信號穩(wěn)定可靠，整車控制器置有四路數(shù)字量輸出，并且都大于50mA。設(shè)計(jì)時采用了繼電器方式的開關(guān)量輸出，該方式是目前最常用的一種輸出方式。所采用的繼電器芯片是Infineon公司的BTS824R，其特點(diǎn)如下^[3]：

　　(1)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)。

　　(3)自帶短路保護(hù)，過載保護(hù)，ESD保護(hù)。

　　(4)自帶過溫切斷保護(hù)。

　　整車控制器在發(fā)出開和關(guān)信號的同時，也在接收相應(yīng)的數(shù)字信號。在主芯片MC9S12DP256和外面信號之間采用高速光耦HCPL-0630連接的方式實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以及信號隔離。

3 整車控制器可靠性設(shè)計(jì)及測試

　　整車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)。在燃料電池電動汽車整車控制器的工作環(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），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、振動強(qiáng)度大。以上種種不利因素對整車控制器可能造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面：

　　(1)數(shù)據(jù)采集誤差加大。

　　(2)控制狀態(tài)失靈。

　　(3)數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。

　　(4)程序運(yùn)行失常。

　　為保證整車控制器運(yùn)行正常，此次的可靠性設(shè)計(jì)采用了元器件級可靠性設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級可靠性設(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

　　在整車控制器的設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)芯片溫度范圍是汽車級（-40℃～+125℃），其他極少數(shù)芯片因?yàn)閮r格原因選擇工業(yè)級（-40℃～+85℃）。

　　3.2 冗余設(shè)計(jì)

　　冗余設(shè)計(jì)是指通過在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增加冗余資源來減小故障造成的影響，或?qū)⒐收细綦x并校正錯誤，使得系統(tǒng)即使發(fā)生了故障或差錯，其功能仍不受影響的技術(shù)^[4]。本冗余設(shè)計(jì)采用增加功能電路的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，整體冗余量達(dá)50%以上，如表1所示。

　　3.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　由于整車控制器應(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。設(shè)計(jì)中采取了濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)等抗干擾技術(shù)^[5][6]，具體如下：

　　(1)選用集成度高的元器件?？梢越档碗娐钒逶骷臄?shù)目，使電路板布局簡單，減少焊盤和連線，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，以減少對地電容。

　　(3)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)。相對于兩層板而言，有獨(dú)立的地平面和電源平面，并且信號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。

　　(5)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 可靠性測試

　　吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對所開發(fā)設(shè)計(jì)的整車控制器做了初步的可靠性測試。測試過程如下：

　　(1)高低溫測試：在低溫-25℃、高溫125℃中分別保持6個小時。

　　(2)振動測試：掃描頻率范圍17～200Hz，最大振幅0.78mm，在60～200Hz時加速度50，一次掃描時間15min。

　　(3)電磁兼容性測試：利用實(shí)車簡單模擬各種汽車電磁干擾工況，做初步測試。

　　在整個測試過程中，整車控制器工作正常，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。在振動測試時，元器件無脫落及損壞現(xiàn)象。

4 整車臺架試驗(yàn)

　　在進(jìn)行了可靠性測試之后,將整車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)了整個燃料電池電動汽車的動力總成試驗(yàn)臺架。在臺架上做了以下的試驗(yàn)：

　　(1)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)的信號采集。

　　(2)整車控制器控制邏輯試驗(yàn)：按照與實(shí)際車輛相同的駕駛模式，重點(diǎn)進(jìn)行加速模式、啟車模式、充電模式、再生制動模式、動力蓄電池充電模式、巡航行駛模式的控制邏輯單模式調(diào)試。

　　(3)整車控制器控制報警試驗(yàn)。

　　(4)整車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。

　　在整個臺架試驗(yàn)測試過程中，整車控制器運(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)過程中采集的踏板開度信號，所采集的信號連續(xù)完整。整車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汽車的整車控制器，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，為今后各類電動汽車控制器的開發(fā)起到了奠基工作。

參考文獻(xiàn)

　　[1] MC9S12DP256B Device User′s Guide V02.11.Motorola Inc，USA，2002

　　[2] TJA1040 DATA SHEET.Philips Semiconductors，2003.

　　[3] BTS824R DATA SHEET.Infineon Technologies AG，2003.

　　[4] 李海泉，李剛．系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì)．北京：科學(xué)出版社，2003.

　　[5] 王幸之.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

　　[6] MONTROSE M I著，劉元安譯．電磁兼容和印制電路板理論、設(shè)計(jì)和布線．北京：人民郵電出版社，2002.