雙電機混合動力系統(tǒng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)開發(fā)

田麗媛，王慶年，王鵬宇

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

0 引言

在當今石油資源日益短缺的國際環(huán)境下，新能源汽車以其對能源的高效綜合利用以及低排放、低噪聲等優(yōu)點，充分滿足了人們對節(jié)約能源以及保護環(huán)境的需求。在純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車三種新能源汽車中，混合動力汽車雖不像其它兩種新能源汽車，可以徹底擺脫傳統(tǒng)內(nèi)燃機和對燃油的需求，但混合動力汽車以其相對成熟的技術(shù)基礎(chǔ)以及較低的成本受到了廣大研發(fā)機構(gòu)和整車廠商的關(guān)注，成為近期新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的焦點。

混合動力汽車的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility , EMC）問題一直是整車開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題，由于混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)上存在差異，混合動力汽車的動力總成增加了電動機，并增加了動力電池等作為能源輸入，這都不可避免地增加了電磁干擾源。除此之外，DC/AC逆變器以及 DC/DC轉(zhuǎn)換器等大功率元器件也會帶來嚴重的電磁干擾[1]，不同頻率的電磁干擾會直接改變車載網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男盘?，從而影響電氣系統(tǒng)之間控制功能的安全可靠性。

本文采取新型車載通信網(wǎng)絡(luò) FlexRay作為系統(tǒng)的控制信號傳輸總線。FlexRay可為汽車提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而其基于時間觸發(fā)的通信機制則保證了報文傳輸?shù)拇_定性。FlexRay通過節(jié)點硬件設(shè)計中的分裂終端和共模電感兩種方式來屏蔽電磁干擾并實現(xiàn)靜電保護功能，因而在物理傳輸層和數(shù)據(jù)傳輸方式上降低了車載網(wǎng)絡(luò)的電磁敏感度。

1 雙電機混合動力系統(tǒng)電磁干擾分析

1.1 雙電機混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的雙電機混合動力系統(tǒng)是一種雙電機與變速器集成的深混Plug-In混合動力系統(tǒng)，系統(tǒng)的動力源有三個：發(fā)動機、I軸電機M1、II軸電機M2，前端電機的轉(zhuǎn)子與變速器的輸入軸（I軸）相連，電機定子固定在變速器殼體上，后端電機通過扭矩合成裝置與變速器輸出軸（II軸）相連。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 雙電機混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dual-motor hybrid system structure

雙電機混合動力系統(tǒng)通過 FlexRay總線控制三個動力源：發(fā)動機、I軸電機和II軸電機與變速器之間的工作，通過整車線束將整車控制器HCU、發(fā)動機控制器ECU，I軸電機控制器MCU，II軸電機控制器MCU，ATL電池控制器BMS，AMT控制器TCU組成總線型網(wǎng)絡(luò)。各總成狀態(tài)信息按照FlexRay通信協(xié)議封裝成報文，通過FlexRay總線完成報文傳輸，經(jīng)過整車控制策略控制算法實時運算，輸出控制參數(shù)，協(xié)調(diào)控制發(fā)動機，I軸電機、II軸電機，電池及變速器的工作，實現(xiàn)混合動力汽車的各種工作模式及各項功能。

1.2 系統(tǒng)電磁干擾分析

在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車中，電磁干擾主要來自于發(fā)動機高壓點火系統(tǒng)以及雨刷電機等弱電設(shè)備，雙電機混合動力系統(tǒng)增加了動力電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC逆變器等大量高壓元器件[3]，并采用了三個動力源，這使電磁干擾的來源更加復雜。

本系統(tǒng)由發(fā)動機、變速器、與變速器集成的 I軸電機、II軸電機、控制器等組成，該系統(tǒng)與普通的串、并聯(lián)混合動力系統(tǒng)相比，額外增加了一部電機，這就比其他單電機混合動力總成增加了一個強電磁干擾源。通過控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)使這些動力裝置協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)最佳的能量分配，而各個執(zhí)行機構(gòu)則通過車載網(wǎng)絡(luò)連接，控制信號以報文的形式進行傳播。在這種強電磁干擾環(huán)境下，對車載網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性有較高要求，一旦干擾信號影響到車載網(wǎng)絡(luò)的電子控制裝置和時鐘頻率，會使網(wǎng)絡(luò)通信中斷，嚴重時導致動力系統(tǒng)失效[1,3]。

目前在混合動力汽車上仍多數(shù)采用與傳統(tǒng)車相同的車載總線CAN（Controller Area Network）作為主要的控制信號傳輸網(wǎng)絡(luò)，CAN總線在混合動力汽車這種強電磁干擾環(huán)境下受到較大的影響，經(jīng)常發(fā)生通信錯誤甚至網(wǎng)絡(luò)傳輸失敗的現(xiàn)象，圖2為CAN總線在電機大功率輸出狀態(tài)下CANH，CANL信號的絕對電平波形，可以看出 CAN通信受到較大干擾，如果這些干擾信號與正常報文收發(fā)信號相疊加則會改變數(shù)據(jù)內(nèi)容，導致錯誤幀，由于 CAN報文的收發(fā)機制會使節(jié)點重新發(fā)送 CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗錯誤的報文，這就會導致總線負載率的增加，當節(jié)點數(shù)量到達一定數(shù)量時時就會影響總線的正常通信。

圖2 CAN通信在電磁干擾下絕對電平波形Fig.2 Waveform of CAN in electromagnetic interference

由于 FlexRay在物理傳輸介質(zhì)和硬件電路的屏蔽設(shè)計以及 FlexRay的確定性報文傳輸方式使FlexRay具有更強的電磁兼容性，所以本文采用FlexRay總線作為控制系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，力圖盡量減少混合動力汽車環(huán)境下電磁兼容問題導致的影響。

2 FlexRay總線介紹

2.1 Fl exRay協(xié)議分析

FlexRay作為一種新型通信標準，可為下一代的車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的傳輸帶寬和可靠性，其10Mb/s的最大傳輸帶寬遠高于CAN網(wǎng)絡(luò)1Mb/s的最高傳輸帶寬。而且FlexRay兩個信道上的數(shù)據(jù)速率總數(shù)據(jù)速率可達20Mb/s，在應(yīng)用車載網(wǎng)絡(luò)中可達CAN的20倍之多[4]。FlexRay還能夠提供很多CAN網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠性特點，其基于時間觸發(fā)的通信機制，保證了報文傳輸?shù)拇_定性，F(xiàn)lexRay具備的冗余通信能力可實現(xiàn)通過硬件完全復制網(wǎng)絡(luò)配置，并進行進度監(jiān)測，F(xiàn)lexRay還可以利用雙信道系統(tǒng)進行冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)[5]，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 Fl exRay總線的電磁干擾解決方案

FlexRay在物理層采用屏蔽雙絞線和光纖作為傳輸介質(zhì)，并在硬件接口電路上通過分裂終端和共模電感來屏蔽電磁干擾以及實現(xiàn)靜電保護的功能。圖3為分裂終端和共模電感的硬件連接方式，經(jīng)實驗驗證，當節(jié)點的硬件同時采用分裂終端和共模電感時，能夠?qū)﹄姶鸥蓴_起到一定的屏蔽作用。

圖3 分裂終端和共模電感硬件連接圖Fig.3 Connection of split terminal and common mode choke

FlexRay的數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)通過協(xié)議提供的時間觸發(fā)機制，這種確定性的報文傳輸方式可以改進CAN網(wǎng)絡(luò)在混合動力汽車中受到電磁干擾時因錯誤報文的無限制重發(fā)而導致整個網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象。此外，F(xiàn)lexRay完備的錯誤處理機制可以保證當數(shù)據(jù)出錯時不會出現(xiàn)CAN那樣連續(xù)重發(fā)的現(xiàn)象，而是由錯誤處理模塊根據(jù)錯誤類型進行相應(yīng)的處理。根據(jù)錯誤消息的類型，調(diào)用相應(yīng)的錯誤處理函數(shù)，從而避免了總線負載率因錯誤報文過多而大幅升高。

3 FlexRay網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)

3.1 Fl exRay網(wǎng)絡(luò)開發(fā)流程

FlexRay系統(tǒng)的開發(fā)依據(jù)V模式開發(fā)流程可分為兩個層次：網(wǎng)絡(luò)級和電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）級。具體如圖4所示：

圖4 V模式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)流程圖Fig.4 Flow chart of network development in V mode

首先分析雙電機混合動力系統(tǒng)的性能要求，根據(jù)系統(tǒng)的控制需求完成分布式FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范并設(shè)計通信調(diào)度表。相關(guān)工作主要包括通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計軟件Network Designer FlexRay定義通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，根據(jù)FlexRay通信協(xié)議規(guī)范中參數(shù)之間的計算公式設(shè)定通信網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的通信集群參數(shù)，從而建立仿真網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫[6]。在完成了FlexRay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計后，通過仿真軟件CANoe.FlexRay進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的仿真驗證并分析網(wǎng)絡(luò)性能。經(jīng)過仿真驗證后，完成單個硬件節(jié)點ECU的開發(fā)和驗證，即根據(jù)FlexRay通信調(diào)度表實現(xiàn)帶有FlexRay接口的ECU軟硬件。其中，ECU的軟件實現(xiàn)主要包括開發(fā)控制算法和通信協(xié)議棧代碼，并將FlexRay網(wǎng)絡(luò)在臺架及實車中進行集成和全面的功能測試、通信規(guī)范測試和物理層測試。

3.2 Fl exRay網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和仿真

在設(shè)計FlexRay網(wǎng)絡(luò)的初期，需要分析雙電機混合動力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的功能需求，設(shè)計其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)。系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)為由整車控制器HCU、發(fā)動機控制器ECU，I軸電機控制器MCU1，II軸電機控制器MCU2，ATL電池控制器BMS，AMT控制器TCU六個節(jié)點組成的總線型網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 控制網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.5 Control network topology

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)定義

FlexRay的通信周期由靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口和總線空閑時間組成，由于混合動力汽車的工作環(huán)境中存在較嚴重的電磁干擾和其他不確定性因素，因此本系統(tǒng)主要在通過事件觸發(fā)的靜態(tài)段傳輸報文。在靜態(tài)段中，報文被分配在時槽號與自己ID相同的靜態(tài)時槽中發(fā)送，即在一個時槽中只能發(fā)送一條報文，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目已知的情況下，靜態(tài)時槽的長度決定了靜態(tài)段的長度[7]，繼而會影響通信周期的長度和報文的發(fā)送時間。因此，靜態(tài)段時槽長度的合理設(shè)置對系統(tǒng)的實時性具有重要的影響。

在FlexRay協(xié)議中，靜態(tài)段時槽長度由協(xié)議參數(shù)gdStaticSlot決定，其計算公式為[5]：

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各項參數(shù)，帶入公式（1）中可得到gdStaticSlot值為8（下文中若無說明，則計量單位均為MT）。

在通常情況下，為使報文能夠在所分配的時槽內(nèi)完整的發(fā)送，靜態(tài)時槽的長度一般由消息長度最大的報文來決定[5]。以MCU1節(jié)點中發(fā)出的6條報文為例，每條報文中各封裝了多個信號，報文長度分別為：;圖6為靜態(tài)時槽長度設(shè)置為6時，報文在時槽中的分配情況。

圖6 時槽長度為6時報文分配情況Fig.6 Packet distribution when gd StaticSlot=6

一種優(yōu)化方法是將較長的報文進行分割，即把一條較長報文中的信號封裝成多條較短的報文進行發(fā)送，同時適當減小靜態(tài)段時槽的長度，提高時槽的利用率。

圖7 時槽長度為2時報文分配情況Fig.7 Packet distribution when gd StaticSlot=2

然而，由于負載幀在發(fā)送前需要先經(jīng)過如圖8所示的位編碼過程添加協(xié)議負載。過多的報文數(shù)量會增加大量的附加成分，繼而大大降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效使用率[8]。因此報文分割數(shù)量不宜過多，時槽長度也不宜過小。

圖8 靜態(tài)幀編碼規(guī)則Fig.8 Static frame encoding rules

考慮到上述情況，可以采取將分割后的信號再連同其它信號封裝在同一條報文中進行發(fā)送的方式，經(jīng)這種方法處理后的報文發(fā)送情況如圖9所示：

圖9 時槽長度為4時報文分配情況Fig.9 Packet distribution when gd StaticSlot=4

確定了靜態(tài)段時槽長度后，就可以根據(jù)協(xié)議中對各個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的計算公式結(jié)合FlexRay設(shè)計工具DaVinci Network Designer FlexRay 來定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。將FlexRay通信速率設(shè)置為10Mb/s，使用單通道Channel A進行通信，通信周期為10ms。在設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時，要同時兼顧網(wǎng)絡(luò)對性能的要求和FlexRay協(xié)議中對通信集群協(xié)議參數(shù)之間相互計算關(guān)系的規(guī)定，DaVinci Network Designer FlexRay可以對各參數(shù)的變化進行動態(tài)匹配。所得的部分集群相關(guān)參數(shù)值如表1所示：

表1 部分集群相關(guān)參數(shù)值Table 1 Part of the cluster parameter values

作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要結(jié)果，經(jīng)合理生成的FlexRay通信調(diào)度表將會極大簡化最終的系統(tǒng)集成時的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、通信數(shù)據(jù)配置和錯誤檢測等一系列工作。該通信調(diào)度表還可以導出為FIBEX格式的FlexRay網(wǎng)絡(luò)描述文件，供給其他FlexRay開發(fā)工具使用。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真驗證

在FlexRay網(wǎng)絡(luò)規(guī)范設(shè)計完成后，需要對其進行仿真驗證，從而檢驗網(wǎng)絡(luò)的可行性。這部分的工作可以通過FlexRay接口工具VN7600和建模仿真軟件CANoe.FlexRay來完成。調(diào)用上一步驟中建立的FlexRay網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，生成如圖10所示的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其中HCU、ECU、BMS、TCU為軟件虛擬節(jié)點，MCU1和MCU2為真實節(jié)點，分別對應(yīng)I軸電機控制器和II軸電機控制器。

圖10 雙電機混合動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.10 Dual-motor hybrid system network model

在建立仿真模型后，就可以在真實節(jié)點和虛擬節(jié)點之間通過FlexRay網(wǎng)絡(luò)接口硬件VN7600進行網(wǎng)絡(luò)通信仿真。通過CANoe中的Trace窗口觀察總線的報文收發(fā)、總線負載率變化以及錯誤幀的情況。在進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)前，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)模型需經(jīng)過CANoe.FlexRay的全面仿真驗證。在此階段開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模型在ECU半實物測試階段也可以發(fā)揮重要的系統(tǒng)驗證作用。

3.3 Fl exRay通信模塊開發(fā)和實現(xiàn)

FlexRay通信模塊主要由帶FlexRay通信控制器（Communication Controller, CC）的主控制器（Host）和總線驅(qū)動器（Bus Driver, BD）組成，本文采用了飛思卡爾公司的集成了FlexRay通信控制器的16位單片機MC9S12XF512作為主控芯片，F(xiàn)lexRay總線驅(qū)動器采用恩智浦公司的TJA1080，F(xiàn)lexRay通信模塊的硬件原理圖如圖11所示。

圖11 FlexRay通信模塊硬件架構(gòu)Fig.11 hardware architecture of FlexRay module

FlexRay通信模塊的軟件設(shè)計主要包括以下幾部分：為系統(tǒng)提供時鐘信號的時鐘和鎖相環(huán)設(shè)置；包括設(shè)置CPU、各種通用端口和存儲器訪問的外圍設(shè)備端口配置；包括設(shè)置通信集群參數(shù)和通信緩沖器的FlexRay模塊的初始化設(shè)置；中斷使能與優(yōu)先級設(shè)置等。圖12為FlexRay通信的主程序流程圖。

圖12 FlexRay通信主程序流程圖Fig.12 Flowchart of FlexRay communication main program

FlexRay通信的整體流程是：首先根據(jù)外部晶振的時鐘頻率和FlexRay內(nèi)部的鎖相環(huán)電路設(shè)置系統(tǒng)的時鐘頻率，然后對包括CPU、XGATE、存儲器接口和I/O接口在內(nèi)的外圍設(shè)備進行初始化設(shè)置。在完成了中斷向量表的初始化設(shè)置后，需要對FlexRay模塊進行初始化設(shè)置。上述設(shè)置完成后，進入while循環(huán)等待中斷處理程序，對數(shù)據(jù)進行發(fā)送和接收。

4 半實物仿真實驗

構(gòu)建雙電機混合動力系統(tǒng)半實物仿真平臺，MCU1和MCU2分別控制I軸電機和II軸電機，其余四個節(jié)點HCU、ECU、TCU和BMS均為CANoe仿真節(jié)點。具體如圖13所示。

圖13 半實物仿真平臺示意圖Fi g.13 Har dwar e-i n-l oop si mul at i on pl at for m

每個節(jié)點各自運行包含控制策略的實時內(nèi)核程序，系統(tǒng)正常運行后方可通過CANoe中的總線檢測工具對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運行情況進行分析，本文主要分析網(wǎng)絡(luò)可靠性和實時性兩項性能。

與CAN總線相比，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)在可靠性方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在容錯性和冗余性兩方面[9]，檢驗FlexRay網(wǎng)絡(luò)的容錯能力主要取決于對報文內(nèi)容和時間兩方面誤差的處理，而冗余性則主要體現(xiàn)在雙通道冗余和時槽冗余兩方面。

圖14為當電機大功率輸出情況下產(chǎn)生強電磁干擾時監(jiān)測到的FlexRay網(wǎng)絡(luò)BM，BP信號絕對電平波形，可以看出FlexRay總線可以較好的屏蔽來自電機和逆變器的電磁干擾。

圖14 電磁環(huán)境下FlexRay通信絕對電平波形Fig.14 Waveform of FlexRay in electromagnetic interference

圖15 為實驗過程中得到的FlexRay通信各項通信參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，可以看出在對FlexRay總線監(jiān)控的過程中沒有錯誤幀出現(xiàn)，說明FlexRay通信在強電磁干擾的影響下仍具有較高的可靠性。

圖15 各項通信參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Fig.15 Statistical results of communication parameters

從實時性的角度分析，由于FlexRay總線動態(tài)段報文收發(fā)機制基于事件觸發(fā)，基本上不會發(fā)生較長的等待時間。而靜態(tài)段基于時間觸發(fā)，報文傳輸?shù)臅r間確定性較強，所以當某些時槽中具有傳輸時間較短的數(shù)據(jù)幀時，會造成較長的總線空閑，因此引發(fā)總線傳輸時滯的主要因素是靜態(tài)段的總線利用率。FlexRay總線利用率可以通過公式（2）表示[10]：

式中：ti為第i個靜態(tài)有效數(shù)據(jù)幀的傳輸時間；為單個消息傳輸?shù)念l率；n為一個循環(huán)周期中靜態(tài)幀傳輸總數(shù)；gdStaticSlot為靜態(tài)時槽長度。

根據(jù)前文的靜態(tài)段時槽長度優(yōu)化方法，優(yōu)化前的時槽個數(shù)為6，報文長度分別為2，2，6，4，6，2；每個時槽長度為6，得出的總線利用率為：

優(yōu)化后經(jīng)分割的報文長度分別為4，4，4，4，4，2；每個時槽長度為4，時槽個數(shù)為6，得出的總線利用率為：

5 結(jié)束語

本文采用FlexRay網(wǎng)絡(luò)作為雙電機混合動力系統(tǒng)中的控制網(wǎng)絡(luò)，旨在解決以往通過CAN總線控制動力源與變速器的協(xié)同工作過程中，因電磁干擾而導致的通信錯誤甚至失效。在此基礎(chǔ)上，基于V模式開發(fā)流程進行了雙電機混合動力系統(tǒng)的FlexRay

網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。并最終通過實驗驗證了FlexRay網(wǎng)絡(luò)能夠提高混合動力汽車的電磁兼容性，并能在可靠性和實時性方面滿足雙電機混合動力系統(tǒng)的需求，證明了對于混合動力汽車這種電磁干擾嚴重而對實時性要求較高的系統(tǒng)，F(xiàn)lexRay總線比CAN總線具有更多的優(yōu)勢。

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