純電動(dòng)商用汽車CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

【摘" 要】文章基于SAE J1939設(shè)計(jì)純電動(dòng)商用汽車整車CAN通信協(xié)議。根據(jù)純電動(dòng)商用車控制器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。根?jù)控制器之間的交互信息定義CANID，計(jì)算負(fù)載率并實(shí)車測試負(fù)載率及通信品質(zhì)，對新能源商用車整車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有很實(shí)用的參考意義。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)商用車;CAN;通信協(xié)議

中圖分類號：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0015-03

Design of CAN Network Communication Protocol for Pure Electric Commercial Vehicles

【Abstract】This paper based on SAE J1939，CAN communication protocol of pure electric commercial vehicle is designed. According to the controller characteristics of pure electric commercial vehicles，the CAN network topology is designed，CANID is defined according to the interactive information between controllers，load ratio is calculated，and load ratio and communication quality are tested in real vehicles，which has practical reference significance for CAN network design of new energy commercial vehicles.

【Key words】pure electric commercial vehicle;CAN;communication protocol

0" 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)對商用車舒適性和安全性的要求也在不斷提高，越來越多的駕駛輔助功能和智能化功能應(yīng)用到商用車，所有功能的增加都會帶來各控制器之間的信號交互。相對于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車本身所需電信號數(shù)量較多，繁多的信號交互給整車線束和通信都帶來了壓力。合理的整車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)會減少電氣故障點(diǎn)，提高信號利用率，便于故障診斷，也是整車功能可以高品質(zhì)使用的保證。

在汽車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中，先后出現(xiàn)了LIN、CAN、FlexRAY、MOST和Ethernet等不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，LIN總線是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，速率低，一般作為CAN總線的副手，應(yīng)用于方向盤、燈光、門鎖和電動(dòng)座椅等;FlexRay是一種用于汽車的具備故障容錯(cuò)能力的總線技術(shù)，具有高速、可確定性的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)目的主要是彌補(bǔ)CAN總線可靠性和通信速率的不足，但其造價(jià)成本較高;MOST總線通信速率大于10Mb/s，信號線為光纖，一般多用于娛樂及多媒體系統(tǒng)，但其不具備正式的標(biāo)準(zhǔn);IEEE802.3bp是一種專門為特定場景設(shè)計(jì)的高速以太網(wǎng)協(xié)議，主要應(yīng)用于汽車電子、汽車信息互聯(lián)和工業(yè)控制系統(tǒng)等，能滿足未來車內(nèi)高速通信的需求。從通信速率、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用成熟度、穩(wěn)定性和成本等多方面考慮，目前CAN總線作為中堅(jiān)力量是在汽車上應(yīng)用最廣泛的通信總線。

CAN總線是在20世紀(jì)80年代末由德國Bosch公司最先提出的，主要目的是解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通信，減少不斷增加的信號線。隨著CAN總線在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，需要對其通信格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，2000年，由SAE（美國的汽車工程協(xié)會）提出的J1939，成為貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。J1939是以CAN2.0為網(wǎng)絡(luò)核心的、支持閉環(huán)控制的、可以在多個(gè)ECU之間高速通信的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于載貨車和客車。這也對J1939應(yīng)用于新能源商用車的安全性、可靠性、穩(wěn)定性提供了有效保證。

新能源汽車相對于傳統(tǒng)燃油車，新增多個(gè)核心電子部件，比如：整車控制器、BMS、MCU等，由于交互信號的差異，并不能照搬傳統(tǒng)燃油車的通信協(xié)議。目前行業(yè)對新能源汽車通信協(xié)議沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，合理的CAN網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議設(shè)計(jì)是保證新能源汽車功能穩(wěn)定的前提。本文依據(jù)J1939，制定適用于新能源商用車的CAN通信物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層協(xié)議，根據(jù)整車的交互信號，設(shè)計(jì)整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并通過實(shí)車驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出低負(fù)載率、穩(wěn)定可靠的新能源商用車CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

1" 物理層設(shè)計(jì)

關(guān)于CAN總線物理層設(shè)計(jì)，J1939有J1939-11和J1939-15。J1939-15中定義的物理介質(zhì)是帶護(hù)套的非屏蔽雙絞線（UTP），物理層要求在特定網(wǎng)段上ECU的最大數(shù)目為10。J1939-11中定義的物理介質(zhì)是屏蔽雙絞線，物理層要求在特定網(wǎng)段上ECU的最大數(shù)目為30。電動(dòng)商用車為高壓直流環(huán)境，電源電壓高達(dá)500V以上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及逆變器工作電流大、IGBT元件開關(guān)頻率高，會產(chǎn)生較大的電磁輻射，并且電動(dòng)車底盤分布多支路高壓電纜，對CAN總線通信品質(zhì)影響很大。此外整車ECU數(shù)量較多，考慮后續(xù)功能可擴(kuò)展性，電動(dòng)商用車CAN總線物理層參照J(rèn)1939-11屏蔽雙絞線連接方式。

2" 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈路層按照J(rèn)1939-21中的要求設(shè)計(jì)，本文采用擴(kuò)展幀。J1939-21中定義了擴(kuò)展幀的格式，如圖1所示。

3" 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

J1939-71中針對燃油車定義了相關(guān)PGN和SPN，本設(shè)計(jì)主要針對純電動(dòng)汽車，與燃油車交互信息重合的部分采用J1939-71中的定義，比如ABS、EBS等發(fā)送的信息，關(guān)于電機(jī)電控、整控和電池等電動(dòng)汽車相關(guān)交互信息，J1939沒有定義，需要自定義PGN。J1939-71中PGN最大定義到65279，本文自定義PGN從0x00FF01開始。精度和偏移量按照J(rèn)1939-71中推薦的定義，無推薦值的依據(jù)信號的特點(diǎn)、對信號精度及范圍要求自定義。

4" 整車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.1" 整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇_定是整車通信協(xié)議設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是非常關(guān)鍵的一步，它關(guān)系到后續(xù)線束的設(shè)計(jì)、終端電阻的分配、比特率的確定和網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)信號的確定等。

整車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)前首先要明確整車功能需求，依據(jù)功能定義明確有哪些零部件需要有CAN通信功能，目前純電動(dòng)商用車具備CAN通信功能的零部件一般包括：傳統(tǒng)汽車零部件（儀表、換擋桿、變速器控制器、ABS和EBS等）、純電動(dòng)汽車特有零部件（BMS、整車控制器、電機(jī)控制器、多合一高壓柜和電動(dòng)空調(diào)等）、智能安全駕駛輔助或國標(biāo)要求零部件（疲勞監(jiān)測、胎壓檢測、AEBS、T-BOX等），零部件、通信類型的增多需要網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)發(fā)。

根據(jù)控制器信號之間的交互關(guān)系，為保證信號接收的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，本著減少信號通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的原則，整車CAN網(wǎng)絡(luò)分為3路：整車信息CAN、動(dòng)力CAN和動(dòng)力內(nèi)CAN。BMS、多合一高壓柜主要與整車控制器信息交互，水冷主要與BMS信息交互，儀表主要顯示電池、整車和空調(diào)等信息，所以信息CAN上控制器主要有水冷、BMS、多合一高壓柜、空調(diào)面板、儀表和整車控制器等。EBS跟整車控制器信息交互，整車控制器和變速器控制器都需要擋位信息，所以動(dòng)力CAN上的控制器有整車控制器、變速器控制器、換擋桿等。變速器控制器和MCU交互信息，所以動(dòng)力內(nèi)CAN上的部件有變速器控制器、MCU等。

J1939-11中規(guī)范網(wǎng)絡(luò)的線路布局應(yīng)盡可能接近線性結(jié)構(gòu)以便于避免電纜輻射，要求終端電阻在線路的兩個(gè)末端上，并不得放置在ECU中。純電動(dòng)商用車整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

J1939-11中規(guī)范CAN總線比特率為250kb/s，故圖2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲姓囆畔AN和動(dòng)力內(nèi)CAN比特率定為250kb/s，充電CAN完全按照國標(biāo)《GB/T 27930—2015電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》要求，比特率為250kb/s，動(dòng)力CAN主要是整車控制器跟EBS、變速器控制器之間的信息交互，有多幀扭矩請求、車輛信息反饋的報(bào)文要求發(fā)送周期很小，考慮到負(fù)載率問題，比特率定義為500kb/s。

本文中CAN通信設(shè)計(jì)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，考慮到電磁波對CAN總線通信品質(zhì)的影響，要求在線束布置設(shè)計(jì)時(shí)遠(yuǎn)離高壓線束。

4.2" CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN通信協(xié)議一般需要定義29位標(biāo)識符（ID）和數(shù)據(jù)段的內(nèi)容。29位標(biāo)識符（ID）包括3位優(yōu)先級、1位保留位、1位數(shù)據(jù)頁、8位PDU格式、8位特定PDU和8位源地址。

4.2.1" 定義源地址

J1939標(biāo)準(zhǔn)中沒有對源地址具體內(nèi)容進(jìn)行要求。部分節(jié)點(diǎn)可以延用燃油車常用的源地址，也可與新增節(jié)點(diǎn)一樣重新定義，主要從整車零部件開發(fā)方便性考慮，但要保證各節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符的唯一性，部分零部件定義見表1。

4.2.2" 優(yōu)先級、PGN定義

J1939中定義優(yōu)先級從最高0到最低7，一般將整車中控制類信號優(yōu)先級定義為3，其他的交互信號優(yōu)先級定義為6，在整車CAN通信設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)對交互信號優(yōu)先級不同要求進(jìn)行定義。

J1939-71中對傳統(tǒng)燃油車常用CAN信號PGN做了詳細(xì)定義，比如ABS、EBS等相關(guān)信號，可以采用J1939-71中的定義。純電動(dòng)商用車整控、電池和電控等零部件交互信息在J1939中沒有定義，采用自定義PGN。由于整車信息較多，本文以電池單體電壓信息為例介紹自定義PGN，電池單體電壓信息也是GB/T 32960中要求整車上傳的信息，但是其僅為狀態(tài)信息，相對于動(dòng)力控制信號，優(yōu)先級可以略低。根據(jù)ID越小優(yōu)先級越高的原則，定義電池單體電壓信息所在幀的PGN大小處于整個(gè)自定義PGN中間靠后位置，即0x00FF40。

4.2.3" CANID定義

PGN與29位標(biāo)識符的關(guān)系如圖3所示，根據(jù)圖3內(nèi)容，源地址、優(yōu)先級和PGN可定義出29位標(biāo)識符（ID），仍以電池單體信息為例，BMS源地址是0xF2，優(yōu)先級為6，PGN為0x00FF40，從表2可以計(jì)算出單體電壓信息ID為0x18FF40F2。

4.2.4" CAN報(bào)文周期定義

對于一些要求發(fā)送頻率較高的信息，如動(dòng)力請求信息，周期一般定義為10ms，其他信息可以根據(jù)信號對發(fā)送頻率的要求進(jìn)行定義，常用周期有20ms、50ms、1000ms和2000ms等。

4.2.5" 起始位、位長度、精度、偏移量定義

J1939-21中定義的CAN數(shù)據(jù)幀有64位，可以根據(jù)信息具體大小定義其起始位、位長度。精度和偏移量可以參考J1939-71中的推薦值，也可以根據(jù)整車對數(shù)據(jù)的要求自定義。

通過上述內(nèi)容可以定義出整車CAN通信協(xié)議，以單體電壓信息為例，每幀CAN通信協(xié)議基本包括表3中的內(nèi)容。

4.3" 計(jì)算負(fù)載率

CAN網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率主要跟每幀信息的周期和CAN網(wǎng)絡(luò)的比特率有關(guān)，計(jì)算公式為：總線負(fù)載率=總線每秒上傳輸?shù)膶?shí)際位數(shù)/總線比特率×100%。

通過計(jì)算得到整車信息CAN和動(dòng)力CAN的負(fù)載率分別為13.7416%和19.824%，計(jì)算值一般會高于實(shí)測值，兩路CAN的負(fù)載均小于30%，整車通信協(xié)議可用于實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)力內(nèi)CAN只有變速器控制器和電機(jī)控制器，在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)控制器為動(dòng)力總成，出自同一廠家，不同廠家對具體信息的定義不同，為了縮短供貨周期，關(guān)于比特率、負(fù)載率以及終端電阻可以對廠家提出具體要求。

4.4" 實(shí)車驗(yàn)證

通過OBD口可以測出實(shí)車CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和錯(cuò)誤幀情況，整車信息CAN負(fù)載率和錯(cuò)誤幀實(shí)車測試情況如圖4所示，負(fù)載率為12.9000%，無錯(cuò)誤幀。

動(dòng)力CAN負(fù)載率和錯(cuò)誤幀實(shí)車測試情況如圖5所示，負(fù)載率為18.0858%，無錯(cuò)誤幀。

由圖4、圖5可以看出，整車CAN負(fù)載均在30%以下，且無錯(cuò)誤幀，并且實(shí)車在試驗(yàn)場地各功能運(yùn)行良好。

5" 結(jié)論

本文給出了純電動(dòng)商用車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ艆f(xié)議設(shè)計(jì)的基本原則和具體方法，針對目前新能源車所用通信協(xié)議不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于J1939的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過理論值計(jì)算和實(shí)車測試，整車CAN網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率均在合理區(qū)間，并無錯(cuò)誤幀，對后續(xù)純電動(dòng)車型CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供一種具有實(shí)用價(jià)值的指導(dǎo)方法。

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