基于SAEJ1939的混合動力客車ABS控制系統(tǒng)

尚保衛(wèi)，梁濤年，李 玄

(1.陜西電子工業(yè)研究院產(chǎn)業(yè)發(fā)展部，陜西西安 710065;2.西安電子科技大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安 710071;3.西安正昌電子有限責任公司技術(shù)部，陜西西安 710119)

開發(fā)電動汽車(Electric Vehicle，EV)是實現(xiàn)汽車能源多元化和零排放的最終選擇。由于車用動力電池性能難以滿足使用要求，使其成為嚴重制約電動汽車應(yīng)用與發(fā)展的“瓶頸”。20世紀90年代后，世界許多汽車生產(chǎn)商把重點轉(zhuǎn)向了可實施性強的混合動力電動汽車的研究與開發(fā)[1]?；旌蟿恿ζ?Hybrid-Electric Vehicle，HEV)是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)，達到節(jié)省燃料和降低排氣污染的目的。此種混合動力汽車與電動汽車相比較，既能保持電動汽車的超低排放的優(yōu)點，又能發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機持續(xù)時間長、動力性能好的優(yōu)點，同時采用制動時的能量回收，降低制動能耗，提高續(xù)駛里程。

為提高混合動力汽車燃油經(jīng)濟性和能量回收的利用率，并保證汽車制動過程中行駛方向的穩(wěn)定與安全性，將混合動力車輛能量回收策略與防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)控制策略集成于一個控制器中，稱為ABS控制器。混合動力汽車采用兩個動力源，機構(gòu)復(fù)雜，車上大量采用電子裝置，如整車控制器(HECU)、ATM控制器、電機控制器、電池控制器、CAN儀表控制器、ABS控制器等。這些復(fù)雜的控制器需要檢測及不斷地交換大量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的連接方式不但繁瑣、昂貴而且可靠性差、維護成本高，無法滿足車輛通訊的要求。因此，用網(wǎng)絡(luò)連接各種電子系統(tǒng)以實現(xiàn)通訊是現(xiàn)代汽車發(fā)展的必然趨勢。在混合動力汽車中，以J1939通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，實現(xiàn)ABS控制器與其他控制器之間的通訊，以達到在車輛運行或制動過程中回收能量且使車輛處于最佳的控制狀態(tài)。

1 混合動力客車ABS控制系統(tǒng)

1.1 混合動力汽車概況

混合動力汽車(Hybrid-Electric Vehicle，HEV)一般是指使用蓄電池的電能和汽(柴)油兩種動力源的車輛，在車輛的行駛過程中存在蓄電池電能和內(nèi)燃機機械能能量分配和能量存儲的過程，而且一般有制動能量回收的過程[2]。混合動力汽車根據(jù)運行工況合理利用內(nèi)燃機和電機驅(qū)動力驅(qū)動汽車，使每個動力源在分別發(fā)揮各自優(yōu)點的同時，彌補另一個動力源的不足。這樣二者互補工作，可使汽車的熱效率提高10%以上，廢氣排放可改善30%以上。它既是燃油發(fā)動機汽車向電動汽車的一種過渡車型，也是一種相對獨立的車型。

整車控制器是混合動力電動客車的核心，它根據(jù)輸入信號，判斷混合動力汽車的當前狀態(tài)，并經(jīng)過一定的控制邏輯和控制算法的判斷分析，確定向各個子系統(tǒng)發(fā)出當前控制信號的量值[3]。由于在城市道路上，混合動力汽車是頻繁在起步、行駛、加速、減速和怠速停車各個工況之間運行，因此通過整車控制器的任務(wù)分配，將發(fā)動機和電機按一定的策略進行能量分配，從而可以使發(fā)動機盡量工作在高效區(qū)，減少汽車尾氣的排放。由于混合動力汽車在啟動時采用電機提供動力，并在啟動發(fā)動機后以較高的怠速運轉(zhuǎn)，從而減少了發(fā)動機在啟動時的廢氣排放;在紅綠燈時可以自動關(guān)閉發(fā)動機，減少怠速空轉(zhuǎn)時間;在低于預(yù)定車速時，可以使用純電動驅(qū)動，避免發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下工作。減速時，剎車裝置可以將剎車時的機械能轉(zhuǎn)化為電能，回收了部分能量，這些都提高了整車的燃料經(jīng)濟性，并且與同類發(fā)動機車型相比，也減低了排放。

1.2 混合動力客車ABS控制策略

混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車相比，可以在制動過程中將牽引電機作為發(fā)電機，依靠車輪的反相拖動產(chǎn)生電能和車輪制動力矩，從而在減緩車輛速度的同時將部分動能轉(zhuǎn)化為電能，回收一部分車輛在傳統(tǒng)制動過程中損失的能量，以備再利用。因此，制動能量回收系統(tǒng)能夠改善HEV的能量回收利用率，有效減少車輛的排放并提高燃油經(jīng)濟性和車輛的形式里程。

ABS參與制動過程的目的是為了增加混合動力汽車的能量回收部分。與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力汽車的制動需求與傳統(tǒng)汽車有所差異。在混合動力汽車中，當駕駛員抬起油門踏板，則說明駕駛員有制動需求。若此時整車電子控制單元(HECU)判斷電池不需要充電，則不要求電機參與并提供任何制動力矩與能量回收。在這種情況下，如果駕駛員踩下制動踏板時，整個制動過程由剎車氣壓系統(tǒng)來實現(xiàn)。當車輛的減速度達到了ABS系統(tǒng)激活的門限值的時候，ABS系統(tǒng)被激活并獨立調(diào)節(jié)車輛的剎車過程。如果車輛的制動強度比較弱而沒有達到ABS系統(tǒng)激活的條件時，則整車的制動力矩維持原車的制動力矩。上述制動過程不參與能量回收。

若駕駛員抬起油門踏板且有制動需求時，且此時整車電子控制單元(HECU)判斷電池處于虧電狀態(tài)或電池有充電需求，這時整車HECU給電機電子控制單元ECU發(fā)送信息，要求電機參與制動過程，而此時電機提供的最大制動扭矩為電機輸出扭矩的20%，即電機提供恒扭矩制動。在這種情況下，駕駛員從抬起油門踏板到踩下制動踏板的低強度制動過程中，電機能獨立且充分回收能量。當駕駛員踩下制動踏板的時候，若車輛的減速度門限值沒達到ABS系統(tǒng)激活的條件，而此時電機提供的制動扭矩保持不變，同時原車的常規(guī)制動系統(tǒng)也提供制動力矩，整車剎車制動力矩=電機制動力矩+原車制動力矩，在這種中強度的制動情況下，電機可以充分回收能量。當駕駛員在踩下制動踏板時，若車輛的減速度門限值達到ABS系統(tǒng)激活的條件，此時ABS系統(tǒng)被激活，且ABS控制單元給整車控制單元HECU發(fā)送信息，要求解除電機制動。在此種高強度制動情況下，車輛的制動過程完全依據(jù)車輪當時所處的路面狀況進行獨立的ABS調(diào)節(jié)，完成整個車輛制動過程。上述過程可實現(xiàn)在剎車時車輛的穩(wěn)定性、方向可控性和安全性，且有效地回收了能量。

2 SAE J1939協(xié)議

2.1 CAN總線內(nèi)容

控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)總線是20世紀80年代初德國BOSH公司為解決現(xiàn)代汽車眾多控制單元、測試儀器之間實時交換數(shù)據(jù)而開發(fā)的一種串行通訊協(xié)議，經(jīng)多次修訂，于1991年9月形成技術(shù)規(guī)范2.0版本，該版本包括2.0A和2.0B兩部份[4-5]。它是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，速率可達1 Mbit·s-1。為規(guī)范通訊系統(tǒng)與各系統(tǒng)的兼容，1993年11月ISO頒發(fā)了道路交通工具數(shù)據(jù)信息交換高速通訊局域網(wǎng)(CAN)國際標準。美國的汽車工程學(xué)會SAE于2000年將CAN2.0B為基礎(chǔ)，提出J1939通訊協(xié)議，并成為貨車、客車、農(nóng)業(yè)和建筑機械中控制器局域網(wǎng)的標準。

CAN遵從開放系統(tǒng)互連OSI 7層參考模式，按照IEEE802.2和 IEEE802.3標準，其通訊接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能。按照攜帶信息的數(shù)據(jù)類型可分為4種幀格式:數(shù)據(jù)幀是網(wǎng)絡(luò)信息的主體，用于節(jié)點間數(shù)據(jù)傳遞。遠程幀由節(jié)點發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)。出錯幀可由任何節(jié)點發(fā)送，以檢測總線錯誤。超載幀用于提供當前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀和遠程幀之間的附加延時。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位域組成:幀起始(SOF)、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、循環(huán)冗余校驗場(CRC)、應(yīng)答場(ACK)、結(jié)束幀(EOF)組成。CAN協(xié)議具有標準幀格式CAN2.0A和擴展幀格式CAN2.0B，標準幀格式采用11位標識符而控制幀格式采用29位標識符格式。其數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。由于CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，它具有較高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實時性，簡單實用、網(wǎng)絡(luò)成本低，因此適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工作環(huán)境。

圖1 CAN數(shù)據(jù)幀格式

2.2 SAE J1939通訊協(xié)議

J1939[6-10]是一種支持閉環(huán)控制的在多個ECU之間高速通行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是由美國汽車工程協(xié)會為車輛定義的工業(yè)標準，主要用于載貨車和客車上。其目的是為電子系統(tǒng)提供一個開放系統(tǒng)，使得各設(shè)備之間的相互通訊有一個標準體系結(jié)構(gòu)。J1939協(xié)議是以CAN2.0B規(guī)范為基礎(chǔ)制定的，它利用CAN標準的29位識別位制定出J1939協(xié)議的編碼系統(tǒng)，并形成了J1939的通訊協(xié)議，實現(xiàn)了一個完整的網(wǎng)絡(luò)定義。J1939是參照ISO開放式數(shù)據(jù)互連模型定義的7層基準參考模型而定制的，是一種高級的CAN協(xié)議標準，它對汽車內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報文發(fā)送優(yōu)先級等都作了詳細規(guī)定，并且對汽車內(nèi)部各個具體的ECU通訊作了詳細說明。它使用多路復(fù)用技術(shù)，為汽車上的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)之上的標準化的高速網(wǎng)絡(luò)連接，在車載電子裝置之間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，有效地減少了電子線束的數(shù)量，提高了車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性和標準化程度，更大限度地發(fā)揮CAN的性能。

J1939協(xié)議是通過PDU實施和封裝。PDU由優(yōu)先級P、保留位R、數(shù)據(jù)頁DP、PDU格式PF、特定PDU目標地址PS、源地址SA和數(shù)據(jù)域DATA共7部分組成，它對應(yīng)于CAN協(xié)議擴展幀的29位識別碼加數(shù)據(jù)場。其中，優(yōu)先級P占3位，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。R為保留位，為擴展使用。DP為數(shù)據(jù)頁，同樣為控制使用。協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(PDU Format)PF為一個8位數(shù)據(jù)，表明了協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式，并且為部分或完全的參數(shù)群提供標志，該數(shù)據(jù)在參數(shù)群中還被用來標注CAN的數(shù)據(jù)域。特定協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU Specific)PS為一個8位數(shù)據(jù)，其具有數(shù)據(jù)協(xié)議單元格式的確定值。該數(shù)據(jù)在參數(shù)群中也被用來標注CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域DA，還可能是群控制信息GE。該數(shù)據(jù)在參數(shù)群中也被用來標注CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域。源地址(Source Adress，SA)用來表示消息來源的8位數(shù)據(jù)域。源地址域中保留了發(fā)出消息的控制單元的地址。PDU單元報文格式如圖2所示。

圖2 PDU單元報文格式

J1939協(xié)議通訊的核心是負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攨f(xié)議。數(shù)據(jù)的拆分和打包重組。一個J1939的報文單元有8 Byte的數(shù)據(jù)場，因此，一次只能傳輸8 Byte的數(shù)據(jù)。如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)超過8 Byte，則要拆分成小的數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包只有8 Byte的數(shù)據(jù)，分批發(fā)送。數(shù)據(jù)場的第1 Byte從1開始作為報文的序號，后面的7 Byte用來存放數(shù)據(jù)。報文被接受后，按照序號重新組合成原來的數(shù)據(jù)。連接管理主要對節(jié)點之間連接的建立和關(guān)閉、數(shù)據(jù)的傳輸進行管理。其中定義了5種幀結(jié)構(gòu):發(fā)送請求幀、發(fā)送清除幀、結(jié)束應(yīng)答幀、連接失敗幀，以及用來全局接受的廣播幀。節(jié)點之間通過一個節(jié)點向目的地址發(fā)送一個請求幀而建立連接。在接受到發(fā)送請求幀以后，節(jié)點如果有足夠的空間來接受數(shù)據(jù)并數(shù)據(jù)有效，則發(fā)送清除幀，開始數(shù)據(jù)的傳送。如果存儲空間不夠或數(shù)據(jù)無效，則發(fā)送連接失敗幀，關(guān)閉連接。如果數(shù)據(jù)接受全部完成，則節(jié)點發(fā)送一個結(jié)束應(yīng)答幀，關(guān)閉連接。

2.3 HEV車輛數(shù)據(jù)共享模式

圖3為HEV混合動力客車通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其中，HCU為整車控制器，TCU為電機控制器，ABS為剎車防抱死系統(tǒng)控制器，BCU為電池控制器。在此混合動力客車CAN總線拓撲網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)中采用雙總線結(jié)構(gòu)，各個控制器分別掛接在兩條CANL和CANH上，其總線的通訊速率均為250 kbit·s-1。整車控制器起到網(wǎng)關(guān)的作用，各個控制器時刻都向整車控制器HCU報告當前狀態(tài)或HCU向各個控制器轉(zhuǎn)發(fā)控制命令。同時在此總線上，各個控制器可以從總線上實時接收或發(fā)送報文信息，從而實現(xiàn)了對報文信息的共享。

圖3 混合動力客車通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3 ABS控制系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)計的混合動力ABS控制系統(tǒng)是依據(jù)混合動力汽車制動力控制系統(tǒng)的需求分析和控制策略，所發(fā)送和接收的報文都符合SAE J1939標準。信息報文是CAN通訊的主要手段。SAE1939標準規(guī)定CAN通信的報文只能采用數(shù)據(jù)幀格式，而不允許采用遠程幀，其遠程幀請求功能通過SAE J1939標準的參數(shù)實現(xiàn)。SAE J1939/71子標準中對參數(shù)和參數(shù)組進行了具體說明。

為共享控制混合動力系統(tǒng)的參數(shù)和由ABS系統(tǒng)投入時，能和其他控制器協(xié)調(diào)工作，需要用到 SAE J1939標準的參數(shù)和參數(shù)組，并在其控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行說明。

(1)ABS系統(tǒng)自檢信息參數(shù)組。該參數(shù)組主要是在系統(tǒng)上電的情況下，ABS系統(tǒng)ECU完成對自身各個部件的自檢后發(fā)送信息以說明系統(tǒng)是否正常。如果ABS系統(tǒng)正常，則HCU通知駕駛員，系統(tǒng)正常，可以投入運行。如果ABS系統(tǒng)不正常，HCU不投入工作并以通知駕駛員。其報文格式如表1所示。

表1 ABS系統(tǒng)自檢信息參數(shù)組報文格式

(2)EBC1制動控制參數(shù)組。該參數(shù)組主要是ABS控制器系統(tǒng)向整車控制器HCU發(fā)送控制信息，以通知HCU車輛處于的制動強度以及ABS是否處于監(jiān)控狀態(tài)或處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。如果車輛的減速度值沒有激活A(yù)BS使之處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，則 ABS控制系統(tǒng)通知HCU，電機可以參與制動，回收能量。如果此時減速度值較大，車輛處于強度制動，則ABS控制器通知HCU解除電機制動，制動過程由ABS系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，報文格式如表2所示。

表2 EBC1制動控制參數(shù)組報文格式

(3)ABS系統(tǒng)扭矩請求參數(shù)組。該參數(shù)組用來傳輸電機狀態(tài)參數(shù)和HCU所計算的電機制動力矩的大小。如果電機處于正常工作狀態(tài)，則根據(jù)控制要求，電機可以參與低強度或中強度制動。如果電機失效，則此時的制動可以由系統(tǒng)的補氣閥提供制動力矩。其報文格式如表3所示。

表3 ABS系統(tǒng)扭矩請求參數(shù)組報文格式

4 結(jié)束語

SAE J1939通訊協(xié)議是目前汽車電子控制領(lǐng)域最全面的通訊協(xié)議，了解并掌握這個協(xié)議對于開發(fā)我國自主汽車電子控制協(xié)議具有幫助。目前國內(nèi)眾多科研機構(gòu)已開展了基于J1939協(xié)議的混合動力汽車許多研究，并且部分廠家已經(jīng)試制出了混合動力產(chǎn)品，但都沒有量產(chǎn)。而混合動力ABS制動力控制與能量回收仍處于研發(fā)階段，此項研究將進一步推動混合動力汽車的發(fā)展。

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