電動(dòng)／混合動(dòng)力汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

周定華 付貝貝

摘要 為了減少通信設(shè)備、線束、插件，簡(jiǎn)化線路，降低成本，提高電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性和應(yīng)急處理能力，本文介紹了電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多個(gè)電子控制單元，將電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車上的多個(gè)電子控制單元集成起來放在一條高速CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)了分布網(wǎng)絡(luò)式控制系統(tǒng)，保證了通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)今世界，開發(fā)新一代電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車成為時(shí)代潮流。電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車相對(duì)常規(guī)汽車來說，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，工作環(huán)境更惡劣，整車上搭載了許多電子控制單元（ECU），在常規(guī)汽車基礎(chǔ)上加入了電機(jī)控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電池均衡器等等，因此需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很多，且各控制單元的控制周期不同，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、各控制命令優(yōu)先級(jí)也不同，集成如此多的ECU及其附帶的通信設(shè)備必然會(huì)使整車電路繁瑣復(fù)雜，線束多，重量大，成本高。這對(duì)電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的通信系統(tǒng)提出了較高的要求。

良好的通訊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。CAN（Controller AreaNetwork）總線是一種有效支持分布式控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力和快速處理能力，有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性及高傳輸速率，滿足電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求。為此，本文介紹了電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，合理分配了電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車各控制器節(jié)點(diǎn)的連接結(jié)構(gòu)，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)整車的各種控制功能，同時(shí)增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 CAN總線

CAN （Controller Area Network控制器局域網(wǎng)）是由德國(guó)著名BOSCH企業(yè)自主設(shè)計(jì)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，以此完善車內(nèi)電子控制單元的數(shù)據(jù)交換，其主要特點(diǎn)：

（1） CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實(shí)時(shí)性要求;

（2） CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信靈活;

（3） CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，并有CRC及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，萬一某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離總線，總線上的其它操作不受影響;

（4） CAN總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上即可，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活;

（5） CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40m時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)lMb/s。正是由于CAN總線具有這些其它通信方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，使之成為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)的理想總線。

本文提出的一種電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用CAN總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過一條高速CAN連接起多個(gè)電子控制單元，形成高速CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。下面分別具體地闡述電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的功能實(shí)現(xiàn)及其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 電動(dòng)汽車中CAN網(wǎng)絡(luò)

電動(dòng)汽車EV（Electronic Vehicle）作為純電動(dòng)汽車，以高壓電池包作為動(dòng)力來源，帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，其主要控制單元包括整車控制器（VMS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池均衡系統(tǒng)（BBS）、電機(jī)控制系統(tǒng)（MCU）、充電器（CM）以及組合儀表（ICM）、空調(diào)（CLM）等常規(guī)汽車上的控制器，各控制單元通過CAN總線進(jìn)行通訊。EV系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，圖中還有變速器（TCU）和防抱死控制系統(tǒng)（ABS）。VMS是整車的控制樞紐，對(duì)整車各控制器及車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，保障車輛安全正常行駛。BMS、BBS是電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)，是整車能源供應(yīng)的保障，用于監(jiān)測(cè)電池組的運(yùn)行參數(shù)、預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài)（sOc）、根據(jù)電池狀態(tài)控制電池充放電、保持電池系統(tǒng)處于合適工作的溫度范圍、與整車多能源總成控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊、保障電池組安全、保障電池各單體充放電的一致性。MCU是電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作，保障電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車正常行駛。CM作為汽車與充電站或普通家用220V電的接口，目前有普通充電器和快速充電器兩種類型，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車常規(guī)和快速充電需求，普通充電器可以接家用220V電源進(jìn)行充電，快速充電器要到專門的充電站進(jìn)行充電。

3 混合動(dòng)力汽車中CAN網(wǎng)絡(luò)

混合動(dòng)力汽車分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。

PHEV（Plug-in Hybrid ElectronicVehicle）--插電式混合動(dòng)力汽車屬于串聯(lián)式，其電子控制單元包括整車控制器（VMS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池均衡系統(tǒng)（BBS）、電機(jī)控制系統(tǒng)（MCU）、充電器（CM），組合儀表（ICM）和增程器控制系統(tǒng)（GCU）。PHEV在EV的基礎(chǔ)上增加一個(gè)增程器，以解決純電動(dòng)汽車行駛里程短不能及時(shí)充電的問題，增加續(xù)航里程。此混合動(dòng)力汽車只能由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅用于發(fā)電并給高壓電池充電，當(dāng)電量不足時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)電，給高壓電池包充電，電池包輸送電力給電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)整車行駛，最終保障汽車有足夠的續(xù)航能力到達(dá)充電地點(diǎn)進(jìn)行下一次充電。PHEV系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

PHEV拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中主要包括VMS、MCU、BMS、BBS、CM、GCU，以及ICM、ABS、CLM等，CAN速率為500kbit/s，PHEV網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。在運(yùn)行中，CAN消息的傳遞，VMS發(fā)送給ICM顯示檔位、系統(tǒng)故障、電池電量、續(xù)航里程等信息;VMS發(fā)送給MCU，進(jìn)行扭矩和轉(zhuǎn)速請(qǐng)求，以及電機(jī)狀態(tài)請(qǐng)求等;VMS發(fā)送給BMS，反饋電池電量及電池狀態(tài)，以及校驗(yàn);VMS發(fā)送給空調(diào)，報(bào)告發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)及發(fā)出空調(diào)使能信號(hào);MCU發(fā)送給VMS和儀表，報(bào)告電機(jī)最大可輸出扭矩、轉(zhuǎn)速，以及實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息;MCU發(fā)送給VMS，報(bào)告直流母線電壓、電流，以及電機(jī)故障等信息;BMS發(fā)送給VMS，報(bào)告電池包各項(xiàng)參數(shù);BMS發(fā)送給BBS.實(shí)現(xiàn)單體監(jiān)測(cè);BMS發(fā)送給CM，BMS的充電請(qǐng)求信息;BBS 1、CM 1分別實(shí)現(xiàn)BBS、CM對(duì)BMS的請(qǐng)求的反饋。

與PHEV不同，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車HEV（Hybrid Electronic Vehicle）可以單獨(dú)使用發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力源，也可以同時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)做動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)汽車。HEV電控單元包括整車控制器（VMS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池均衡系統(tǒng)（BBS）、電機(jī)控制系統(tǒng)（MCU）、充電器（CM）、組合儀表（ICM）和動(dòng)力管理系統(tǒng)（HCU），以及一個(gè)高壓動(dòng)力電池包。相比常規(guī)汽車，HEV增加一套動(dòng)力管理系統(tǒng)HCU，以及一個(gè)高壓動(dòng)力電池包。在汽車怠速、起步和中低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，只需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠高壓動(dòng)力電池使電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛常規(guī)速度行駛時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不足，電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車，同時(shí)多余部分動(dòng)力用于給電池充電;大負(fù)載和急加速時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，配合發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工況工作，給汽車提供足夠的動(dòng)力;制動(dòng)時(shí)，動(dòng)能回收給電池充電，減少能量損失;電池電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)汽車行駛并給電池充電。高電壓的動(dòng)力電池包和高效的啟發(fā)一體式電機(jī)（ISG）的引入.有效降低了排放，實(shí)現(xiàn)了汽車的低排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。PEV系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

HEV拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中主要包括EMS（發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)）、HCU、BMS、BCM、ICM、ABS等，CAN速率為500kbit/s，HEV網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。EMS發(fā)送給HCU，報(bào)告發(fā)動(dòng)機(jī)最大和最小扭矩;EMS發(fā)送給HCU和ICM，報(bào)告發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、電控故障、瞬時(shí)油耗、怠速參考速度等;EMS發(fā)送給HCU、ICM和DVD，報(bào)告點(diǎn)火開關(guān)檔位、節(jié)氣門位置、怠速指示、加速踏板機(jī)械位置及故障、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩相關(guān)指示、車速水溫等傳感器失效、MIL等信號(hào)等;EMS發(fā)送給HCU，駕駛員扭矩請(qǐng)求、摩擦扭矩、基準(zhǔn)扭矩、實(shí)際扭矩等;預(yù)留的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸數(shù)、空氣感應(yīng)類型、燃油類型等信號(hào);HCU發(fā)給EMS，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種狀態(tài)進(jìn)行請(qǐng)求;HCU發(fā)給儀表和DVD，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行顯示;HCU發(fā)給BMS，反饋電池所需要的各種整車狀態(tài)和反饋系統(tǒng)時(shí)間;BMS發(fā)送給HCU，最大充電電流和最大放電電流，最大電池電壓、最小電池電壓、電池電量和健康指數(shù)、校驗(yàn)等，電池電壓電流、直流母線電壓、平均電池溫度、校驗(yàn)等，電池最高電壓、最低電壓、最高溫度、最低溫度等，電池準(zhǔn)備狀態(tài)、報(bào)警指示、正負(fù)極連接狀態(tài)、預(yù)充狀態(tài)、充電狀態(tài)等，各種報(bào)警信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)。由于HEV動(dòng)力電池沒有EV動(dòng)力電池容量大，主要靠發(fā)動(dòng)機(jī)充電，因此，目前奇瑞HEV車型沒有設(shè)置外部充電接口。

4 總結(jié)

本文簡(jiǎn)要的介紹了電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的系統(tǒng)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化了各控制模塊之間通訊成本和通訊實(shí)效性的問題，使電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車性能更穩(wěn)定，功能擴(kuò)展更方便，智能化程度更高。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車通信網(wǎng)絡(luò)的研究提供了一種簡(jiǎn)單有效的低成本方案。

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