混合動(dòng)力電動(dòng)汽車通信設(shè)計(jì)

唐 鍵，胡艷峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車通信設(shè)計(jì)

唐 鍵，胡艷峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

詳細(xì)介紹混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的基本概念、分類、拓?fù)湟约癈AN通信設(shè)計(jì)，并給出了通信設(shè)計(jì)中的信號(hào)說(shuō)明。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；概念；分類；拓?fù)?；CAN通信設(shè)計(jì)

基于清潔能源及環(huán)境保護(hù)的需要，電動(dòng)汽車將會(huì)在人類生活中扮演越來(lái)越重要的角色。電動(dòng)汽車以其零排放、環(huán)境友好的特點(diǎn)，受到廣泛的認(rèn)可與關(guān)注。但是電動(dòng)汽車也存在一個(gè)硬傷，即一次充滿電的續(xù)駛里程比較短，且由于充電站設(shè)施的不完善，使得電動(dòng)汽車沒(méi)電后不能像傳統(tǒng)燃油車一樣，能很快得到電能補(bǔ)充。這個(gè)問(wèn)題很大程度上限制了電動(dòng)汽車的快速普及?；诖祟愒颍旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車既能很大程度上減少排放，又能彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程方面的不足，因此也是新能源車輛領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。尤其是在大、中、重型商用車領(lǐng)域，由于車貨總質(zhì)量大的因素，想要實(shí)現(xiàn)完全純電動(dòng)零排放，技術(shù)上雖然可行，但實(shí)際使用效果并不理想，對(duì)大部分用戶而言，純電動(dòng)汽車不但昂貴，而且使用受限制，因此無(wú)法快速普及。本文將針對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的CAN通信設(shè)計(jì)來(lái)展開(kāi)介紹。

1 混合動(dòng)力汽車基本概念

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）是指有多種動(dòng)力參與汽車驅(qū)動(dòng)，一般指的是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)這2種動(dòng)力。混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由整車控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池等組成。車輛行走可單獨(dú)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)力源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)。車輛行走也可由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)力源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)二者協(xié)調(diào)作用。整車控制器為系統(tǒng)核心，協(xié)調(diào)整車電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、自動(dòng)變速器控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器等協(xié)調(diào)工作。整個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)需求配備單電機(jī)系統(tǒng)或者雙電機(jī)系統(tǒng)。

2 混合動(dòng)力汽車分類

混合動(dòng)力汽車按照不同分類標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有不同的分類。本文中根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車零部件的種類、數(shù)量和連接關(guān)系，將其分為3類［1］：①串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；②并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；③混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。下面分別介紹這3種類型的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)3大主要部件總成組成的。發(fā)電機(jī)僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直接輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)使汽車行走。當(dāng)電池組電量充足時(shí)，電池組直接向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量驅(qū)使汽車行走；當(dāng)電池組電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電向電池充電，來(lái)延長(zhǎng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)2大部件總成構(gòu)成。其有多種組合形式，可以根據(jù)使用要求選用，且2大動(dòng)力總成的功率可以互相疊加。其優(yōu)點(diǎn)是行程比串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車要長(zhǎng)一些，且更加趨近于內(nèi)燃機(jī)汽車。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)式和并聯(lián)式的綜合，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率一部分通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)輸送給驅(qū)動(dòng)橋，另一部分則驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)或電池組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)動(dòng)力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋?；炻?lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略是：在汽車低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則以并聯(lián)工作方式為主。

圖3 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要基于商用車，就串聯(lián)式和并聯(lián)式2種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車進(jìn)行通信設(shè)計(jì)說(shuō)明。

3 混合動(dòng)力汽車CAN總線拓?fù)?/h2>

3.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車CAN總線拓?fù)?/p>

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，汽車行業(yè)內(nèi)也稱為增程式電動(dòng)汽車，指整車配備有輔助動(dòng)力單元（APU，也稱為增程器）的電動(dòng)汽車。增程器系統(tǒng)包括APU控制器、發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。增程器的作用是：在電池電量不足的情況下，開(kāi)啟增程器發(fā)電給電池充電，從而達(dá)到增加整車?yán)m(xù)駛里程的目的。增程式電動(dòng)汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，而是通過(guò)發(fā)電機(jī)發(fā)電給電池充電，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。從這里可以看出，增程式電動(dòng)汽車，本質(zhì)上是串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。對(duì)整車而言，增程器是作為一個(gè)整體而存在的，即增程器是作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在整車網(wǎng)絡(luò)上。如圖4所示，虛線框內(nèi)的部分即為整個(gè)增程器系統(tǒng)，作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在整車CAN網(wǎng)絡(luò)上。發(fā)電機(jī)控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器只存在增程器系統(tǒng)內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)上，和整車控制器不直接通信，信息交互需要通過(guò)增程器控制器。

圖4 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車拓?fù)?/p>

3.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車CAN總線拓?fù)?/p>

由并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的概念可知，整車配備有發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2種驅(qū)動(dòng)源。當(dāng)電池電量充足時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)電池電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛或與驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛行駛。對(duì)整車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)是作為一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)掛在整車網(wǎng)絡(luò)上的，與整車控制器之間可以直接進(jìn)行信息交互，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車拓?fù)?/p>

4 混合動(dòng)力汽車CAN總線通信設(shè)計(jì)

4.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，增程器是作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在整車網(wǎng)絡(luò)上，因此信息的交互只存在于整車控制器和增程器控制器二者之間。增程器內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器與增程器控制器之間分別進(jìn)行信息交互。整車如果想要知道發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的相關(guān)總線信息，必須通過(guò)增程器控制器轉(zhuǎn)發(fā)。同樣，整車控制器對(duì)發(fā)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，也轉(zhuǎn)化成對(duì)增程器系統(tǒng)的控制，因此發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的具體控制都由增程器控制器來(lái)進(jìn)行。串聯(lián)式中整車控制器與增程器控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器之間信息交互見(jiàn)表1。

表1 串聯(lián)式信息交互

從表1可以看出，對(duì)于串聯(lián)式，整車控制器是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器和增程器控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而確保整車的運(yùn)行。而對(duì)增程器系統(tǒng)內(nèi)部的通信、控制方式不去關(guān)注。整車只要提出想要關(guān)心的信息，讓增程器控制器反饋即可。發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉均由增程器控制器來(lái)控制。

4.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)掛在整車網(wǎng)絡(luò)上。因此，整車控制器需要同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。并聯(lián)式中整車控制器與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器之間信息交互見(jiàn)表2。

表2 并聯(lián)式信息交互

從表2可以看出，并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，整車控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，而整車控制器直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制。由于傳統(tǒng)燃油車型中并沒(méi)有整車控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家開(kāi)放的是其它的控制單元，例如濰柴發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)放的控制節(jié)點(diǎn)是變速器。因此，整車控制器想要控制發(fā)動(dòng)機(jī)，目前需借用燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)放的發(fā)動(dòng)機(jī)控制報(bào)文。SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)報(bào)文都給出了明確的規(guī)定，各個(gè)商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家都是按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的，因此整車控制器借用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制報(bào)文也應(yīng)該遵循該標(biāo)準(zhǔn)，否則發(fā)動(dòng)機(jī)控制器將無(wú)法識(shí)別。

這里有2點(diǎn)要注意：一是表2中只是給出了發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)信號(hào)命令，并沒(méi)有給出發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)信號(hào)命令。這是因?yàn)樵诓⒙?lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)行駛中，低速情況下只需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)即可；在高速穩(wěn)定行駛情況下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)將參與到驅(qū)動(dòng)整車行駛。二是變速器控制器發(fā)出的變速器輸出軸轉(zhuǎn)速信號(hào)的作用，是為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。這是因?yàn)椴⒙?lián)式中發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一般都是在車輛已經(jīng)起動(dòng)后才開(kāi)啟的，因此起動(dòng)后需要發(fā)動(dòng)機(jī)能夠立刻輸出扭矩，跳過(guò)怠速控制模式而直接進(jìn)入驅(qū)動(dòng)模式。變速器輸出軸轉(zhuǎn)速大于0表明在行車狀態(tài)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)此信號(hào)的反饋值進(jìn)入合理的控制方式。

5 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車CAN報(bào)文定義

首先來(lái)整理涉及到的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)詳細(xì)信息見(jiàn)表3。

表3 節(jié)點(diǎn)信息

5.1 串聯(lián)式

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車信號(hào)見(jiàn)表4。

表4 串聯(lián)式信號(hào)列表

由表4可以看出，PGN都要自定義。自定義PGN要注意，應(yīng)在SAE J1939的PGN預(yù)留區(qū)進(jìn)行分配，并根據(jù)信號(hào)的刷新速率的要求，最終給出合理的PGN、優(yōu)先級(jí)及通信周期。

5.2 并聯(lián)式

并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車信號(hào)見(jiàn)表5。

表5 并聯(lián)式信號(hào)列表

由表5可以看出，除發(fā)動(dòng)機(jī)PGN，其它都要自定義。發(fā)動(dòng)機(jī)PGN標(biāo)準(zhǔn)已有規(guī)定［2］，按規(guī)定執(zhí)行即可。發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)有一點(diǎn)要注意的是，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間所在的PGN，通信周期是On request，要想獲得這個(gè)報(bào)文的信息，需要發(fā)送請(qǐng)求PGN來(lái)請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)控制器發(fā)送（詳細(xì)介紹見(jiàn)第6章）。

6 請(qǐng)求PGN

SAE J1939-21數(shù)據(jù)鏈路層中規(guī)定了目前共支持5種類型的消息，分別為：命令、請(qǐng)求、廣播/響應(yīng)、確認(rèn)和組功能［3］。消息的具體類型可由其分配的參數(shù)組編號(hào)（即PGN）識(shí)別。CAN數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)域中的多字節(jié)參數(shù)，先存放最低字節(jié)。上述的要想獲得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間這個(gè)信號(hào)，就需要用到請(qǐng)求類型的消息。

請(qǐng)求類型的消息提供了從全局范圍或從特定目標(biāo)地址請(qǐng)求信息的能力。對(duì)特定目標(biāo)地址的請(qǐng)求稱為指向特定目標(biāo)地址的請(qǐng)求。請(qǐng)求PGN的定義見(jiàn)表6。

表6 請(qǐng)求PGN定義

在這里，是整車控制器請(qǐng)求獲得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間信號(hào)，PGN為（65253）10=（00FEE5）16，理論上請(qǐng)求報(bào)文應(yīng)該見(jiàn)表7。

表7 整車控制器請(qǐng)求報(bào)文

表7中，標(biāo)識(shí)符為18EA00D0，表示優(yōu)先級(jí)6級(jí)，整車控制器（源地址D0）請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（源地址0）發(fā)送請(qǐng)求的PGN信息，理論上是可行的。但是，由于目前的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家都沒(méi)有開(kāi)放對(duì)源地址D0的相應(yīng)信息，表7中的請(qǐng)求報(bào)文發(fā)動(dòng)機(jī)根本無(wú)法識(shí)別。因此，需要具體情況具體對(duì)待，借用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)放識(shí)別源地址進(jìn)行請(qǐng)求。例如玉柴的某款發(fā)動(dòng)機(jī)可以識(shí)別的是源地址是21的請(qǐng)求報(bào)文，因此表7中標(biāo)識(shí)符應(yīng)該為18EA0021，這樣才可以正確獲得想要的請(qǐng)求信息。

在這里需要指出的一點(diǎn)是，串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，整車如果想要知道發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間信息，則要求增程器控制器上報(bào)即可。在增程器系統(tǒng)的內(nèi)部，由增程器控制器來(lái)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間信號(hào)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要就串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)展開(kāi)說(shuō)明，并詳細(xì)介紹CAN通信設(shè)計(jì)。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的整車控制是今后深入學(xué)習(xí)的一個(gè)方向，希望對(duì)有需要的人能有一定的幫助。

［1］ 崔勝民.新能源汽車技術(shù)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2009.

［2］ SAE J1939-71，Vehicle Application Layer［S］.

［3］ SAE J1939-21，Data Link Layer［S］.

（編輯 凌 波）

Hybrid Electric Vehicle CAN Communication Design

TANG Jian，HU Yan-feng
（Shanxi Heavy-duty Automobile Co.，Ltd.，Xi’an 710200，China）

This article describes basic concepts，classification，topology and CAN communication design of hybrid electric vehicles.

hybrid electric vehicle；concept；classification；topology；CAN communication design

U469.72

A

1003-8639（2017）10-0004-05

2016-12-12

唐鍵（1985-），男，工程師，主要從事汽車電器設(shè)計(jì)和汽車總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；胡艷峰（1986-），女，工程師，主要從事汽車總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試工作。