燃油汽車改制為純電動汽車CAN協(xié)議應(yīng)用層的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

許瑞統(tǒng)　臧震　熊保平　張克忠

【摘 要】在傳統(tǒng)燃油汽車平臺上將燃油動力系統(tǒng)替換為純電動動力系統(tǒng)，對CAN總線應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)，基于CAN2.0B協(xié)議制定整車通訊協(xié)議，包括總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義、報文和ID（標(biāo)識符）定義、報文調(diào)度、數(shù)據(jù)域分配與信號定義，并在實(shí)車上進(jìn)行調(diào)試、驗(yàn)證。為了解決發(fā)動機(jī)信號丟失導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)保護(hù)鎖死、EPB（電子駐車系統(tǒng)）失效、EPS（動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）失效、空調(diào)系統(tǒng)失效的問題，在實(shí)車上對原車CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集解析，通過VCU代替原車ECU進(jìn)行CAN總線通訊，成功解決了新開發(fā)CAN總線與原車總線之間的通訊問題，最終在實(shí)車上成功實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)保護(hù)解除、電子駐車功能、轉(zhuǎn)向助力功能、空調(diào)系統(tǒng)控制功能，整車CAN總線系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】燃油車改制;電動汽車;CAN總線開發(fā);CAN報文解析;通訊故障處理;實(shí)車調(diào)試

中圖分類號： U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0121-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.055

Development and Implementation of the Application layer of CAN bus for Fuel Vehicle to Electric Vehicle

XU Rui-tong ZANG Zhen XIONG Bao-ping ZHANG Ke-zhong

（New energy vehicle research center， tsinghua strait research institute（xiamen）， Xiamen Fujian 361000， China）

【Abstract】On the traditional fuel vehicle platform， the fuel power system is replaced by a pure electric power system， and the CAN bus application layer is developed. The vehicle communication protocol is developed based on the CAN2.0B ， including bus topology design， network node definition， message and ID. definition， message scheduling， data domain assignment and signal definition， and verification on the actual vehicle. In order to solve the problem of engine protection lock， EPB failure， EPS failure and air conditioning system failure caused by engine signal loss， the original vehicle CAN bus data is collected and analyzed on the actual vehicle， the VCU instead of the original ECU for CAN bus communication， the communication problem between the newly developed CAN bus and the original bus was successfully solved. Finally， the engine protection unlocking， the EPB， EPS and the air conditioning system work normally in the actual vehicle.The vehicle CAN bus system runs stably.

【Key words】Fuel vehicle restructuring; Electric vehicle; CAN bus development; CAN message parsing; Communication fault handling; Real vehicle debugging

0 引言

在傳動燃油汽車平臺上進(jìn)行純電動汽車的開發(fā)是當(dāng)前普遍使用的開發(fā)模式，其重點(diǎn)是開發(fā)整套新能源純電動動力系統(tǒng)替換原車燃油動力系統(tǒng)，同時對原車其他系統(tǒng)重新進(jìn)行匹配校核，包括車身系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。其中整車CAN總線的開發(fā)主要涉及兩個方面：（1）純電動系統(tǒng)CAN應(yīng)用層協(xié)議的制定;（2）新開發(fā)的總線與原車總線通訊匹配。本文著重論述實(shí)際開發(fā)過程中純電動汽車CAN協(xié)議應(yīng)用層面的制定和調(diào)試，同時提出調(diào)試過程中通訊問題的解決辦法。

1 純電動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

純電動系統(tǒng)主要包括：VCU（整車控制器）、PACK/BMS（電池包和電池管理系統(tǒng)）、PDU（高壓配電盒）、MCU（電機(jī)控制器）、MOTOR（驅(qū)動電機(jī)）、DCDC/OBC（直流變換器/車載充電機(jī)二合一控制器），其中VCU用于純電動系統(tǒng)整體控制，同時與原車控制單元進(jìn)行通訊。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純電動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于CAN2.0B協(xié)議設(shè)計開發(fā)整車通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中PCAN（動力CAN）應(yīng)用于純電動動力系統(tǒng)的通訊，連接純電動系統(tǒng)專用控制單元，同時接入部分原車控制單元（BCM、ESP等）。保留原車BCAN（車身CAN）整體網(wǎng)絡(luò)，通過VCU和BCM對接實(shí)現(xiàn)兩路CAN之間的正常通訊。兩路物理總線上最遠(yuǎn)的兩個節(jié)點(diǎn)分別加上120Ω的終端電阻增加數(shù)據(jù)通訊的抗干擾性和可靠性[1]。

圖2 CAN總線拓?fù)鋱D

3 CAN應(yīng)用層協(xié)議制定

CAN總線應(yīng)用層協(xié)議用于提供通訊功能與應(yīng)用程序的通訊接口，為了保證信息傳輸?shù)膶?shí)時性和通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性，制定整套總線應(yīng)用層協(xié)議，包括：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義、報文和ID（標(biāo)識符）定義、報文調(diào)度、數(shù)據(jù)域分配[2-3]。

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義規(guī)定了CAN網(wǎng)絡(luò)上所有控制單元對應(yīng)的通訊節(jié)點(diǎn)名稱，各節(jié)點(diǎn)定義見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義

3.2 報文和ID（標(biāo)識符）定義

按照報文功能和收發(fā)節(jié)點(diǎn)來定義各報文名稱，采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式，按照報文優(yōu)先級分配ID[4]，按照數(shù)據(jù)量定義報文長度，各節(jié)點(diǎn)收發(fā)報文和ID定義詳見表2。

3.3 報文調(diào)度

各報文明確定義發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，采用周期型調(diào)度方式，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)之間對于通訊實(shí)時性的不同需求設(shè)定了20、50、100、200、300、500、1000ms幾種報文發(fā)送周期[2-5]，詳細(xì)定義見表2。

3.4 數(shù)據(jù)域分配與信號定義

數(shù)據(jù)域分配采用Motorola編碼格式，定義了最低有效位（lsb）到最高有效位（msb）的排列方式，如圖3所示。

表2 報文名稱、ID和報文調(diào)度定義

按照數(shù)據(jù)域分配規(guī)則對不用長度的信號進(jìn)行排布，圖4為VCU_Vehicle_Status（車輛信號）分配示意圖。

圖3 數(shù)據(jù)域分配規(guī)則

圖4 VCU_Vehicle_Status（車輛狀態(tài)）各信號分配示意圖

其中對各信號再進(jìn)行詳細(xì)定義，包括起始位、信號長度、精度、偏移量等，詳細(xì)定義如圖5所示。

圖5 VCU_Vehicle_Status（車輛狀態(tài)）各信號詳細(xì)定義

對所有的報文進(jìn)行數(shù)據(jù)域分配和信號定義后，整套通訊協(xié)議制定完成，在相關(guān)平臺上進(jìn)行初步模擬仿真之后，進(jìn)入實(shí)車調(diào)試與驗(yàn)證階段。

4 實(shí)車調(diào)試與驗(yàn)證

原型車為一款前置前驅(qū)的中型SUV乘用車，將整套燃油動力系統(tǒng)替換為純電動系統(tǒng)，整車安裝完成后進(jìn)入調(diào)試階段。CAN總線的調(diào)試包括新開發(fā)純電動動力總線（PCAN）的調(diào)試和動力總線（PCAN）與原車車身總線（BCAN）之間通訊的調(diào)試。由于移除原車發(fā)動機(jī)將導(dǎo)致整車通訊故障，同時發(fā)動機(jī)信號丟失將影響原車EPB（電子駐車系統(tǒng)）、EPS（動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）、ABS（制動輔助系統(tǒng)）的功能，CAN總線的調(diào)試重點(diǎn)在于解決以上問題。

4.1 PCAN實(shí)車調(diào)試與驗(yàn)證

調(diào)試整車線路，確保各節(jié)點(diǎn)之間能夠正常收發(fā)報文，實(shí)時監(jiān)控總線數(shù)據(jù)，確保各節(jié)點(diǎn)收發(fā)報文數(shù)據(jù)與通訊協(xié)議相符。PCAN調(diào)試主要包括：（1）整車高低壓系統(tǒng)上電/下電邏輯調(diào)試;（2）驅(qū)動系統(tǒng)加速/減速、行駛方向切換、蠕行功能、駐波功能調(diào)試;（3）充電調(diào)試：快充和慢充。

以上系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證完成后開始著重解決PCAN與BCAN之間通訊的問題。

4.2 PCAN與BCAN之間通訊調(diào)試

由于缺少原車通訊協(xié)議，無法對兩路CAN總線直接進(jìn)行匹配開發(fā)，為了解決PCAN與BCAN之間的通訊問題，采用實(shí)車數(shù)據(jù)解析的方式進(jìn)行調(diào)試。

4.2.1 發(fā)動機(jī)保護(hù)狀態(tài)解除

圖6 發(fā)動機(jī)保護(hù)狀態(tài)激活流程分析

移除發(fā)動機(jī)總成之后儀表顯示發(fā)動機(jī)故障，同時車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)保護(hù)激活狀態(tài)。對整車信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)ECU（發(fā)動機(jī)控制單元）未檢測到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號后通過CAN總線發(fā)送報文給BCM和儀表，車輛進(jìn)入鎖死狀態(tài)。發(fā)動機(jī)保護(hù)激活流程分析如圖6所示。

為了解除發(fā)動機(jī)保護(hù)狀態(tài)，使用信號模擬器接入到原發(fā)動機(jī)曲軸傳感器信號采集線路，通過信號模擬器發(fā)送發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬信號，采集PCAN上ECU報文信號進(jìn)行解析，獲取發(fā)動機(jī)檢測對應(yīng)幀ID和詳細(xì)數(shù)據(jù)。按照獲取的報文信息編寫通信協(xié)議，由VCU代替原ECU發(fā)送相關(guān)報文到PCAN。保護(hù)狀態(tài)解除原理如圖8所示。實(shí)車移除發(fā)動機(jī)和ECU后，發(fā)動機(jī)故障成功屏蔽，保護(hù)狀態(tài)解除，同時EPB功能恢復(fù)正常工作。

圖7 使用信號模擬器發(fā)送發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號

圖8 發(fā)動機(jī)故障屏蔽和保護(hù)狀態(tài)解除原理

4.2.2 EPS調(diào)試

在發(fā)動機(jī)故障和保護(hù)激活的狀態(tài)下，EPS處于關(guān)閉狀態(tài)，使用信號模擬器發(fā)送發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號后EPS激活，此時采集分析總線數(shù)據(jù)，解析出由原車ECU發(fā)送給EPS的報文ID和詳細(xì)數(shù)據(jù)，編寫通訊協(xié)議，由VCU代替ECU發(fā)送使能信號和有效信號給EPS，EPS正常工作，故障解除，解除原理如圖9所示。

4.2.3 空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試

純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)在原車空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用電動壓縮機(jī)替換原車機(jī)械式壓縮機(jī)，原車壓縮機(jī)通過ACC（空調(diào)控制器）和ECU進(jìn)行控制，電動壓縮機(jī)變更為通過ACC和VCU進(jìn)行控制，為了解決原車空調(diào)控制器與VCU之間的通訊問題，需在實(shí)車上分析空調(diào)系統(tǒng)工作流程，如圖10所示，同時對ACC發(fā)送給ECU的報文信號進(jìn)行采集解析，VCU代替原車ECU接收ACC發(fā)送的報文數(shù)據(jù)對壓縮機(jī)和風(fēng)扇進(jìn)行控制。通過現(xiàn)場調(diào)試，空調(diào)系統(tǒng)正常工作。

圖9 EPS故障解除原理

4.3 實(shí)車運(yùn)行狀況

車輛實(shí)際行駛過程中總線負(fù)載率不超過30%，未出現(xiàn)錯誤幀、丟幀、信號沖突等問題，CAN總線運(yùn)行穩(wěn)定，純電動動力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)保護(hù)狀態(tài)得到解除，EPS、EPB、空調(diào)系統(tǒng)正常工作，實(shí)車道路試驗(yàn)、性能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

在傳統(tǒng)燃油車平臺上開發(fā)純電動汽車極大縮短了開發(fā)周期，通過對CAN總線的開發(fā)和調(diào)試，保證了純電動動力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時成功解決了原車系統(tǒng)與新開發(fā)的純電動系統(tǒng)之間通訊的問題。

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