CAN總線技術(shù)在電動(dòng)客車上的應(yīng)用與發(fā)展

王欽普，張桂華，趙 浩，趙 佳

（1.中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000；2.山東聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 聊城 252000；3.維坊學(xué)院，山東 維坊 261061）

CAN總線技術(shù)在電動(dòng)客車上的應(yīng)用與發(fā)展

王欽普1，張桂華2，趙 浩3，趙 佳1

（1.中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000；2.山東聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 聊城 252000；3.維坊學(xué)院，山東 維坊 261061）

主要介紹CAN總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其在電動(dòng)客車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討目前CAN總線技術(shù)存在的限制和改進(jìn)方向。

CAN總線；電動(dòng)客車；應(yīng)用；發(fā)展

電動(dòng)客車電控模塊多，電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜，保證電控系統(tǒng)各項(xiàng)控制策略精確可靠地運(yùn)行是亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。CAN（Controller Area Network）總線網(wǎng)絡(luò)因具有較高的可靠性和良好的容錯(cuò)能力而受到高度重視，被歐美諸多發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用于溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的汽車工業(yè)環(huán)境。電動(dòng)客車安裝大量的高壓電器設(shè)備，其內(nèi)部環(huán)境相比傳統(tǒng)客車面臨更大的電磁干擾挑戰(zhàn)[1]。因此，推廣應(yīng)用CAN總線網(wǎng)絡(luò)是電動(dòng)客車電子電控技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。

1 CAN總線在新能源客車上的應(yīng)用

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司在20世紀(jì)80年代中期為解決各電子控制裝置之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種通訊及控制技術(shù)[3]，總線收發(fā)器及通訊協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的傳輸，控制芯片及邏輯程序，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。

1.1 總線數(shù)據(jù)采集與分析

針對(duì)電動(dòng)客車電控系統(tǒng)的復(fù)雜性和研究控制策略的需求，需要選擇一款功能強(qiáng)大的軟件總線數(shù)據(jù)采集分析工具——CANalyzer。CANalyzer不僅能方便地觀察、分析和支持?jǐn)U展多達(dá)32個(gè)CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸，還能用于LIN、MOST或FlexRay總線通道。它具有良好的性能和可編程功能，能滿足從簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析到復(fù)雜問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)并解決故障的所有要求。CANalyzer由圖形化表示的方塊圖控制，它能表示數(shù)據(jù)流從總線經(jīng)過(guò)PC接口進(jìn)入各個(gè)不同類型的評(píng)估窗口和日志文件的流程。在該過(guò)程中，系統(tǒng)模塊的參數(shù)都可以在方塊圖中進(jìn)行設(shè)置[4]。

1）測(cè)量設(shè)置。圖形化顯示功能模塊和評(píng)估模塊，并且設(shè)置其參數(shù)。

2）跟蹤。用于列出總線上的所有活動(dòng)，比如報(bào)文、錯(cuò)誤幀和遠(yuǎn)程幀；還用于顯示每條報(bào)文中不同信號(hào)的數(shù)值，即使在測(cè)量過(guò)程中也可顯示。

3）統(tǒng)計(jì)。以標(biāo)識(shí)符為橫軸顯示各報(bào)文速率。

4）圖形。在線圖形顯示CAN總線報(bào)文中的各個(gè)信號(hào)（以時(shí)間為橫軸），例如轉(zhuǎn)速、溫度等。

5）數(shù)據(jù)。顯示預(yù)先選擇的信號(hào)，可以以數(shù)字形式或柱狀圖形式。

6）總線統(tǒng)計(jì)。顯示報(bào)文速率、錯(cuò)誤率、總線負(fù)載和CAN控制器狀態(tài)。

7）寫窗口。顯示系統(tǒng)信息和CAPL程序的用戶指定輸出。

8）交互發(fā)生器模塊。用于激勵(lì)總線，注入修正信號(hào)。

9）信號(hào)發(fā)生器。用于產(chǎn)生數(shù)學(xué)信號(hào)（正弦信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、值列表等）。

本文將層次分析的方法應(yīng)用在礦井設(shè)計(jì)方案中，初步嘗試決策方法，應(yīng)用的結(jié)果證明，層次分析的方法非常簡(jiǎn)單實(shí)用，具有系統(tǒng)性、邏輯性和靈活性，在采礦領(lǐng)域里，除了選擇礦井設(shè)計(jì)方案之外，還可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化、采礦方案優(yōu)化等，各類資源的設(shè)計(jì)、分配都可以實(shí)用層次分析法進(jìn)行判斷和處理。

利用CANalyzer可以很方便地采集總線數(shù)據(jù)并通過(guò)圖形窗口實(shí)時(shí)形象地觀察數(shù)據(jù)變化，例如車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、逆變器溫度、變速器檔位、燃料消耗、動(dòng)力電池SOC等。有了這些信息，就可以判斷新能源動(dòng)力系統(tǒng)是否正常工作，控制策略是否合適。

1.2 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)控制

電動(dòng)客車的電器零部件較多，需要傳遞交換的信號(hào)較多，特別是動(dòng)力系統(tǒng)（包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和逆變器等）的控制更加復(fù)雜。如果仍使用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式，則會(huì)給整車的線束帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，線束的長(zhǎng)度、重量和節(jié)點(diǎn)的成倍增加將大大降低整車電器的可靠性。CAN總線技術(shù)的應(yīng)用則很好地解決了電動(dòng)客車的先進(jìn)性和可靠性之間的矛盾，多主分布式的控制方式實(shí)現(xiàn)了整車信息的共享。兩根導(dǎo)線將全車的控制模塊組成一個(gè)車載局域網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)模塊都可以往外發(fā)送信息并接受來(lái)自其他模塊的信息[5-7]。在節(jié)省導(dǎo)線的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)之間的電器相互協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)控制。例如，制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)可以同時(shí)用于制動(dòng)燈、ABS、ECAS和能量回收系統(tǒng)的控制。典型的混合動(dòng)力客車和純電動(dòng)客車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，其中車身CAN為兩類新能源客車共有的CAN網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)聯(lián)控制功能對(duì)于電動(dòng)客車的整個(gè)電控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。無(wú)論是混合動(dòng)力客車，還是純電動(dòng)客車，其整車控制器都是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，它采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)及其他部件信號(hào)并作出相應(yīng)判斷，選擇適合的工作模式，控制下層各部件控制器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。目前占據(jù)主流市場(chǎng)的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式主要有發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式、純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式（電機(jī)助力）、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式和再生制動(dòng)模式[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、ISG驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件的控制器之間通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和控制功能，協(xié)調(diào)整車不同工作模式之間的切換和功率分配，保證充分發(fā)揮系統(tǒng)的最佳性能，達(dá)到整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)狀態(tài)。純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式則相對(duì)單一，只有純電驅(qū)動(dòng)模式?？刂圃砜珊?jiǎn)單歸納為數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)，電子控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和分析，通過(guò)CAN總線把SOC、SOH、油門等信息傳遞給整車控制器，整車控制器根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)控制模塊發(fā)出控制指令，通過(guò)CAN總線控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、熱管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.3 故障檢測(cè)與診斷

電動(dòng)客車的故障檢測(cè)與診斷功能基于SAE J1939-73協(xié)議而實(shí)現(xiàn)，是對(duì)傳統(tǒng)客車OBD（On-Board Diagnostics）系統(tǒng)功能的繼承和擴(kuò)展。電動(dòng)客車的故障代碼遵循SAE J1939-73中定義的診斷故障碼（DTC）格式，由可疑參數(shù)的編號(hào)（SPN）、故障模式標(biāo)志（FMI）、發(fā)生次數(shù)（OC）和可疑參數(shù)編號(hào)的轉(zhuǎn)化方式（CM）4個(gè)獨(dú)立部分組合形成，共4個(gè)字節(jié)[9]。

SPN的19位二進(jìn)制數(shù)用于識(shí)別DTC的診斷項(xiàng)目，可根據(jù)PGN中的參數(shù)進(jìn)行定義，通過(guò)控制模塊的地址編碼，可以確定故障診斷信息是由網(wǎng)絡(luò)上的哪個(gè)控制器來(lái)執(zhí)行診斷的。FMI的5位二進(jìn)制數(shù)定義了在SPN標(biāo)識(shí)的子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的故障類型，數(shù)據(jù)范圍0～31。其中 FMI=20～30由 SAE保留，如果需要定義額外的故障模式，將在保留的FMI中安排指定。需要注意的是，該故障可能不是電子故障，有可能是需要報(bào)告給維修技師或操作者的子系統(tǒng)故障或情況，這些情況包括需要報(bào)告的系統(tǒng)事件或狀態(tài)。OC的7位二進(jìn)制數(shù)是指一個(gè)故障從先前激活狀態(tài)到當(dāng)前激活狀態(tài)的變化次數(shù)。當(dāng)前激活狀態(tài)指故障正在發(fā)生，先前激活狀態(tài)指故障發(fā)生過(guò)，但當(dāng)前沒(méi)有發(fā)生。DTC首次變?yōu)榧せ顮顟B(tài)時(shí)，OC由0變?yōu)?，進(jìn)入先前激活狀態(tài)后維持不變，再次變?yōu)榧せ顮顟B(tài)時(shí)計(jì)數(shù)加1。計(jì)數(shù)向上累加，最大值為126。溢出時(shí)，該計(jì)數(shù)器值保持為126。假如次數(shù)未知或不確定，則該域所有位的數(shù)值均設(shè)為1（值為127）。CM的1位二進(jìn)制數(shù)定義了DTC的發(fā)送方式，CM=0表示按版本4進(jìn)行發(fā)送，CM=1表示按版本1、2或3進(jìn)行發(fā)送[10]。

故障診斷代碼DTC既可以通過(guò)專用的診斷插頭連接上診斷電腦進(jìn)行讀取，也可通過(guò)CAN總線儀表的顯示屏進(jìn)行顯示，方便在沒(méi)有診斷電腦的情況下判斷故障狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)OBD的功能。

2 CAN總線技術(shù)的發(fā)展方向

2.1 目前存在的限制

車載通信網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)最基本的要求：一是數(shù)據(jù)內(nèi)容正確；二是通信及時(shí)，序列一致。CAN總線雖然滿足這兩點(diǎn)要求，但仍存在不一致性、不可預(yù)測(cè)性和信道出錯(cuò)堵塞等漏洞。

1）不一致性。由于空間電磁干擾或電源波動(dòng)等原因，不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)于同一幀的理解會(huì)有所不同。認(rèn)為有錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)就會(huì)啟動(dòng)錯(cuò)誤幀，通知發(fā)送器重發(fā)，同時(shí)丟棄收到的幀；而認(rèn)為沒(méi)錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)會(huì)接收此幀。這樣就產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)接收信息的不一致性。在轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)中，由于4個(gè)輪子對(duì)命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更嚴(yán)重的后果。

2）不可預(yù)測(cè)性。CAN總線將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為Error Active、Error Passive和BusOff三種，這三種狀態(tài)在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換。不同狀態(tài)中節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送時(shí)間有不同的延遲，而節(jié)點(diǎn)狀態(tài)取決于該節(jié)點(diǎn)接收的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值。由于CAN報(bào)文的廣播特點(diǎn)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值受其它節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤幀的影響，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。對(duì)于優(yōu)先權(quán)較低的信息來(lái)說(shuō)，發(fā)送時(shí)間的離散程度更大。在反饋控制系統(tǒng)中，采樣調(diào)節(jié)周期的大范圍抖動(dòng)相當(dāng)于信號(hào)延遲后的變化，它有可能使系統(tǒng)性能下降或不穩(wěn)定。在與安全相關(guān)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，抖動(dòng)可能造成動(dòng)作順序的混亂。

3）信道出錯(cuò)堵塞。節(jié)點(diǎn)有可能因受到電磁干擾或其它原因暫時(shí)或永久失效，出錯(cuò)的主機(jī)會(huì)命令CAN收發(fā)器不斷發(fā)送消息。由于該信息的格式合法，因此，CAN沒(méi)有相應(yīng)的機(jī)制來(lái)處理這種情況。根據(jù)CAN的優(yōu)先權(quán)機(jī)制，比它優(yōu)先權(quán)低的信息就被暫時(shí)或永久堵塞。

2.2 CAN總線技術(shù)的改進(jìn)

標(biāo)準(zhǔn)CAN基于位競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)損仲裁機(jī)制使各報(bào)文按照優(yōu)先權(quán)順序發(fā)送，這樣優(yōu)先權(quán)較低的報(bào)文會(huì)出現(xiàn)較大的發(fā)送延時(shí)。即使對(duì)于優(yōu)先權(quán)最高的報(bào)文，在總線當(dāng)前有傳輸活動(dòng)時(shí)，也會(huì)有發(fā)送延時(shí)，而且很難在設(shè)計(jì)時(shí)保證這種延時(shí)特性。因此，BOSCH公司在標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展了支持時(shí)間觸發(fā)的高層協(xié)議TTCAN（Time Triggered CAN）。這樣總線的通信過(guò)程就在本質(zhì)上具有了確定性的特征，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)范更具魯棒性及實(shí)時(shí)性[11]。

TTCAN不僅可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制下支持報(bào)文的時(shí)間觸發(fā)傳輸，而且可以實(shí)現(xiàn)CAN的線控系統(tǒng)（X-By-Wire）應(yīng)用。因?yàn)镃AN協(xié)議并未改變，所以在同一個(gè)物理層上既可以實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間觸發(fā)的報(bào)文，也可以實(shí)現(xiàn)傳輸事件觸發(fā)的報(bào)文，TTCAN還可以用于具有冗余總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。TTCAN改進(jìn)了CAN在安全性和實(shí)時(shí)性方面的性能，已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898-4，它將使CAN繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用，并和其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成汽車上的多層互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

CAN總線作為一種現(xiàn)場(chǎng)控制總線，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)車輛環(huán)境的高度適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)看到，CAN總線網(wǎng)絡(luò)還存在一些缺陷和局限性，業(yè)內(nèi)正在針對(duì)CAN的缺陷，通過(guò)補(bǔ)充性的協(xié)議，逐步完善CAN總線技術(shù)。電動(dòng)客車是未來(lái)客車發(fā)展的主要方向，深入研究CAN總線技術(shù)及其應(yīng)用是電動(dòng)客車突破電控核心難題的有效途徑，并為研究整車控制策略提供不可或缺的技術(shù)支持。

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修改稿日期：2012-11-29

Application and Developmentof CAN Bus Technology on Electric Bus

WangQinpu1，ZhangGuihua2，Zhao Hao3，Zhao Jia1
(1.Zhongtong BusHolding Co.,Ltd，Liaocheng252000，China；2.Liaocheng Vocationaland TechnicalCollege，Liaocheng252000，China；3.Weifang University，Weifang 261061，China)

Theauthorsmainly introduce theadvantagesand the application statusofCAN bus technology on electric bus,discuss theexisting limitationsand improvingdirection of the presentCAN bus technology.

CAN bus；electric bus；application；development

U 469.72

B

1006-3331（2013）02-0037-03

王欽普（1964-），男，研究員；泰山學(xué)者；技術(shù)總監(jiān)；主持三項(xiàng)國(guó)家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大專項(xiàng)工作。