某純電動輕型客車CAN總線車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)

朱江源，常久鵬，閆　　明（濰柴動力上海研發(fā)中心，上海　201315）

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某純電動輕型客車CAN總線車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)

朱江源，常久鵬，閆明
（濰柴動力上海研發(fā)中心，上海201315）

摘要：介紹某自主設(shè)計(jì)的純電動輕型客車CAN總線車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)研究，并通過該開發(fā)實(shí)例對車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)進(jìn)行了討論，同時針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展對未來的電動車車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電動汽車；CAN總線；車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

隨著節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，國家已將新能源汽車的發(fā)展列為戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)，通過稅收優(yōu)惠以及財政補(bǔ)貼等形式鼓勵新能源汽車的發(fā)展。同時由于Tesla的示范效應(yīng)，國內(nèi)外越來越多的汽車企業(yè)甚至互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開始進(jìn)軍電動汽車制造這一領(lǐng)域。

汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得電子控制器在汽車中大量使用，大量的信息需要在控制系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸，因此現(xiàn)在的汽車離不開車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文描述的純電動輕型客車是新近開發(fā)的車型，在該車中車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了目前廣泛使用的CAN總線。本文將對該車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行簡單的描述，并針對日益發(fā)展的電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，展望了未來電動輕型客車的總線設(shè)計(jì)。

1　CAN總線簡介

CAN總線在車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)中得到了越來越廣泛的運(yùn)用。歐洲的汽車制造商從1992年開始將CAN總線用于汽車中，基本采用的都是CAN總線標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，可支持高達(dá)1 Mb／s的各種通信速率；從1994年以來，CAN總線協(xié)議SAE J1939協(xié)議則廣泛應(yīng)用于貨車、客車、建筑設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域的高速通信，其速率為250kb／s［1］。

CAN總線具有如下特點(diǎn)：①CAN總線采用基于優(yōu)先權(quán)的多主方式息；②非破壞性的基于線路競爭的仲裁機(jī)制；③支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求；④配置靈活；⑤數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)具有一致性；⑥有檢錯和出錯的通報功能；⑦仲裁失敗或傳輸中被故障損壞的幀能自動重發(fā)；⑧能區(qū)分節(jié)點(diǎn)的臨時故障和永久性故障，并能自動斷開故障節(jié)點(diǎn)。

基于CAN總線的如上特點(diǎn)，在某純電動輕型客車的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)中采用了CAN總線。CAN總線協(xié)議SAE J1939以CAN2.0B為基礎(chǔ)，除了CAN協(xié)議定義的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層外，還定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，SAE J1939協(xié)議廣泛應(yīng)用于貨車、客車等商用車中［1］。鑒于SAE J1939在商用車中的成熟應(yīng)用，該純電動輕型客車CAN總線采用了SAE J1939的通信協(xié)議。

2　純電動輕型客車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1國內(nèi)主流的傳統(tǒng)燃油型輕型客車車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

國內(nèi)燃油型歐系輕型客車市場中，江鈴汽車的TANSIT（全順）和南京依維柯的DAILY（得意）是國內(nèi)高檔輕客的主要品牌，長期占據(jù)著市場份額的前兩位。這兩個品牌的車載網(wǎng)絡(luò)都具有如下特點(diǎn)［2］。

1）都采用了雙路總線，兩段總線通信速率不一致，以網(wǎng)關(guān)或者是以某個控制器為節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行連接。

2）依維柯和全順的車型分別依托其合資方，沿用了成熟平臺，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上不同程度采用了菲亞特

2.2自主純電動輕型客車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)

一款自主的純電動輕型客車的開發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時需要從成本、開發(fā)周期以及競爭形勢和發(fā)展趨勢等方面來考慮。由于是自主開發(fā)，同時是運(yùn)用在純電動車中，因此在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開發(fā)中充分考慮了以下幾點(diǎn)。

1）充分了解當(dāng)前的電子應(yīng)用水平，盡量使用現(xiàn)有資源和成熟產(chǎn)品，降低開發(fā)的風(fēng)險和縮短開發(fā)周期。

2）在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的選擇，充分考慮功能要求、實(shí)時性要求、信息交換量和成本。

3）采用了J1939協(xié)議，降低了開發(fā)私有協(xié)議的時間周期和技術(shù)風(fēng)險。

4）構(gòu)架需為未來增加的電子控制單元留有拓展空間。

3　純電動輕型客車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

目前的純電動輕型客車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中還會增加電子控制單元。

圖1　　某純電動輕客的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了J1939的通信協(xié)議，并且在J1939協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，通信的速率采用了250 kb／s。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)中控制器的選擇考慮了沿用性、關(guān)聯(lián)性、成本、周期等要素。

對于大部分的電器部件，由于集中在駕駛室附近，沿用燃油車設(shè)計(jì)，采用了BCM集中控制方式。對于安全氣囊、ABS等借用燃油車設(shè)計(jì)，考慮到升級CAN通信的成本，目前未接入網(wǎng)絡(luò)。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中分為3段，即CAN1段 （車身段）、CAN2段 （動力段）和充電段，電源管理模塊和整車控制器模塊在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)類似網(wǎng)關(guān)的作用，通過它們可以將不同網(wǎng)段必要的信息進(jìn)行路由。這樣既實(shí)現(xiàn)了信息的互聯(lián)，又降低了每個網(wǎng)段的通信負(fù)載率。

目前的總線架構(gòu)設(shè)計(jì)既考慮了一定的先進(jìn)性，又兼顧了成本的要求，具有一定的拓展性，在現(xiàn)階段是比較合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4　純電動輕客的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真分析

4.1純電動輕客的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真

針對上文的純電動輕型客車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Vector總線工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真，判斷車載網(wǎng)絡(luò)總線的負(fù)載率和總線的報文延時情況。

本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的充電段設(shè)計(jì)參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 27930—2011《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電源管理系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議》，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中不作為研究的重點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)重心是上文中CAN1段 （車身段）和CAN2段 （動力段）的總線設(shè)計(jì)。

利用Vector的CANoe工具建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總線的數(shù)據(jù)庫，完成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的配置設(shè)置進(jìn)行仿真。仿真主要考察總線的以下幾個方面：正常工作時的總線負(fù)載率和總線報文的延時狀況、異常情況 （高負(fù)載率和總線出現(xiàn)故障錯誤幀）下的總線報文的延時狀況。從這幾個方面考慮可以檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和魯棒性。

4.2純電動輕客的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果分析

1）總線架構(gòu)的設(shè)計(jì)，在負(fù)載率上的考慮是合理的，為保證總線能很好地工作，正常情況下總線的負(fù)載率最好應(yīng)低于35%，而本設(shè)計(jì)中兩段負(fù)載率分別為21.8%和12.6%，是滿足負(fù)載率設(shè)計(jì)要求的，并且還留有一定的拓展空間，能夠適應(yīng)未來在網(wǎng)絡(luò)中增加電子部件。

2）從總線架構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)上看，為保證總線的魯棒性，總線報文的延遲時間應(yīng)低于報文的發(fā)送周期。在本設(shè)計(jì)中，在網(wǎng)絡(luò)異常狀況下，總線報文的延時均低于報文發(fā)送周期，因此該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)也是合理的。

5　純電動輕客的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)車驗(yàn)證

針對純電動輕型客車的車載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)車上進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，主要對實(shí)車的總線負(fù)載率進(jìn)行了測試，從實(shí)車測試結(jié)果來看，總線的負(fù)載率與仿真結(jié)果基本相符?？偩€的設(shè)計(jì)是滿足要求的。

因此，該純電動輕型客車的車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是合理的，完全滿足了當(dāng)前的要求，且預(yù)留一定的拓展空間，適合未來在網(wǎng)絡(luò)上增加新的電控單元。

6　純電動輕型客車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的未來展望

6.1影響方面

伴隨著電子科技、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及對車輛安全性要求的日益提高，未來會有更多的電子部件加入到汽車網(wǎng)絡(luò)中，這樣對汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)必然帶來巨大的沖擊。電動汽車相比于傳統(tǒng)的燃油車將是一個更佳的智能化的載體，總體而論未來會有以下幾個方面對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來影響。

1）隨著對安全性要求的不斷提高，各種ADAS技術(shù)將不斷運(yùn)用在車中，這類技術(shù)帶來車載網(wǎng)絡(luò)更大的信息交流量和更高的實(shí)時性要求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展也必然走向更多路、更多種速率組合形式。

2）隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車網(wǎng)絡(luò)還將進(jìn)一步融入互聯(lián)網(wǎng)的因素，汽車網(wǎng)絡(luò)將接入無線通信，車載網(wǎng)絡(luò)必然需要考慮諸如3G／4G、Bluetooth、WiFi、ZigBee等無線通信形式，以實(shí)現(xiàn)信息的交互。

3）隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，自動駕駛技術(shù)的興起，汽車的駕駛將越來越頻繁與外部進(jìn)行信息交互，依賴對外部信息的處理和判斷來實(shí)現(xiàn)智能駕駛，因此對車載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性和信息處理量提出了更高的要求，必然會在一定程度上改變車載網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。

4）車聯(lián)網(wǎng)和智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，將對車載網(wǎng)絡(luò)的安全性提出更高的要求。針對目前已經(jīng)出現(xiàn)的黑客入侵車載網(wǎng)絡(luò)的事件，在未來車載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中對于車載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)安全必將是引起關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

6.2未來純電動輕型客車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的展望

1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將出現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)段，多種速率的組合形式，滿足不同網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性和安全性要求，尤其是智能駕駛技術(shù)的發(fā)展將對車載網(wǎng)絡(luò)提出新的挑戰(zhàn)。

2）專用的無線接口將用于車聯(lián)網(wǎng)，需要獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的對接，獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)設(shè)備將實(shí)現(xiàn)有效的信息交換，降低接入互聯(lián)網(wǎng)后對車載網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率的沖擊，同時提供必要的安全防護(hù)，避免黑客利用互聯(lián)網(wǎng)侵入車載網(wǎng)絡(luò)而帶來的安全隱患。

3）LIN總線作為車載CAN總線的補(bǔ)充，將用于連接一些傳感器和智能性的執(zhí)行部件，提升整車的智能化。

7　建議與結(jié)語

車載網(wǎng)絡(luò)自20世紀(jì)90年代誕生以來已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，可以預(yù)期隨著車聯(lián)網(wǎng)和智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必定越來越快。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)對信息處理的實(shí)時性和處理量必然不斷加大，因此對于新型的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——如具有更高速率的CAN-FD、flexRay和以太網(wǎng)等的發(fā)展要密切關(guān)注。同時，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及車載智能系統(tǒng)的迅速發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性將大大提高，車載網(wǎng)絡(luò)安全問題也將凸顯出來，這對于車載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者來說將是一個新的關(guān)注點(diǎn)。

附：名詞解釋

1）雙路總線：指車內(nèi)的總線系統(tǒng)被分為兩路總線，每條總線上分布不同的控制器，兩條總線可能有不同的通信速率，通常是通過網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行總線間的信息路由，常見的如車身總線、動力總線。

2）私有協(xié)議：汽車廠商為實(shí)現(xiàn)技術(shù)保密，會在CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，將一些數(shù)據(jù)定義為私有，這些私有的數(shù)據(jù)通過一般的解析器無法進(jìn)行解析。

參考文獻(xiàn)：

［1]羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［2]張凌露，高李明.輕型商用車車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［J］.汽車電器，2015（3）：18-21.

［3]付百學(xué)，胡勝海.汽車車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

（編輯文珍）

中圖分類號：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0004－03

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-08-14

作者簡介：朱江源，男，工程師，主要研究方向?yàn)槠囯娮与娖?、總線設(shè)計(jì)。和福特的私有協(xié)議。其中依維柯的動力網(wǎng)段部分采用了J1939，車身網(wǎng)段部分采用了私有協(xié)議。而全順則都采用了私有協(xié)議。

Development of CAN Bus Vehicle Network System for A Pure EV Light Bus

ZHU Jiang-yuan，CHANG Jiu-peng，YAN Ming
（Shanghai R&D center，Weichai Power Co.，Ltd.，Shanghai201315，China）

Abstract：The development and research of CAN bus vehicle network system for a self-designed pure EV light bus is introduced and the development of network architecture is discussed through this sample.Meanwhile，the network architecture for future EV is also discussed based on the development of network technology.

Key words：EV（Electric Vehicle）；CAN bus；vehicle network system