純電動汽車整車電氣設(shè)計及整車CAN通訊

1、純電動汽車整車電氣設(shè)計及整車CAN通訊 2010-5-9發(fā)展概況發(fā)展概況在全球提倡環(huán)境保護和石油能源緊縮的情況下，傳統(tǒng)汽車已經(jīng)不能適應(yīng)人們的節(jié)能減排需求，新型汽車紛紛興起。純電動車EV是未來汽車發(fā)展的目標，但受限于電池技術(shù)，安全性和性能得不到保障，成本高昂。在這種情況下，混合動力微車HEV作為過渡模式具有很高的市場契合度，成本較低，受電池技術(shù)限制較小，性能與安全性都有很高的保障性，預計在未來十年內(nèi)會占據(jù)適當?shù)氖袌龇蓊~，加上國內(nèi)新能源汽車市場處于萌芽狀態(tài)，在此時介入是一個不錯的選擇，混合動力微車配備小排量發(fā)動機與小功率電動機，相關(guān)電力設(shè)備較為復雜，因此整車的電器保護與電氣系統(tǒng)的設(shè)計是必不可少的。

2、整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)動機發(fā)動機電氣系統(tǒng)整體配置框圖電氣系統(tǒng)整體配置框圖整車以車輛管理單元（VMU）作為主控制單元，以電機驅(qū)動控制單元（PMU）、電池管理系統(tǒng)（BMU）、CVT和發(fā)動機ECU及相關(guān)控制電器作為從控制單元，以發(fā)動機、電動機和蓄電池組作為控制對象。車輛管理單元是整車控制的核心，以整車的性能最優(yōu)為目標，控制車輛的運行狀態(tài)、能源分配，協(xié)調(diào)和發(fā)揮各部分的優(yōu)勢。其功能如下：（1）汽車驅(qū)動控制功能根據(jù)駕駛員的要求以及相應(yīng)的車輛運行狀態(tài)、工況，計算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，控制電機驅(qū)動控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)滿足工況要求。（2）制動能量回饋控制根據(jù)制動踏板的開度、車輛行駛狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)的信

3、息，確定制動模式和制動力矩。（3）整車能量管理控制能量消耗，對蓄電池、輔助動力源和車載其他動力系統(tǒng)統(tǒng)一管理，提高整車能量利用率，增加續(xù)駛里程。（4）故障診斷及保障提供安全和診斷服務(wù)，充電和驅(qū)動時的安全保障，故障的診斷監(jiān)控車輛溫度、冷卻系統(tǒng)、車輛的運行狀態(tài)監(jiān)視主要設(shè)備的過電流、過電壓、欠電壓、過熱，必要時切斷主斷路器。（5）車輛狀態(tài)監(jiān)視通過通訊網(wǎng)絡(luò)采集車輛狀態(tài)信息，通過人機界面顯示給司機。（6）通訊管理整車通訊的主節(jié)點，接收來自電機驅(qū)動控制單元、發(fā)動機控制單元、電池管理系統(tǒng)、人機界面的所有信息，發(fā)送電機設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定力矩、正反轉(zhuǎn)信息，各個部件的啟動停止命令，車輛的工作模式和整車的運行狀況等。整車

4、通信網(wǎng)絡(luò)對于混合動力汽車，很多部分都由獨立的電子控制器進行控制。為了將整個電動汽車內(nèi)各系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，我們采用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳遞。CAN網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場總線技術(shù)的一種，它是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，稱為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場總線。CAN網(wǎng)絡(luò)原本是德國BOSCH公司為歐洲汽車市場所開發(fā)的。CAN推出之初是用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。在現(xiàn)代轎車的設(shè)計中，CAN總線被廣泛的采用，奔馳、寶馬、大眾等汽車都采用了CAN總線進行控制器的聯(lián)網(wǎng)。CAN總線的特點如下：（1）數(shù)據(jù)傳輸距離遠，傳輸速率高根據(jù)物理層實現(xiàn)的不同最遠傳輸距離可達10km，最高傳輸速

5、率可達1Mbit/s。（2）多主、廣播式通信CAN通信網(wǎng)絡(luò)沒有網(wǎng)絡(luò)地址之分，各個主設(shè)備的通信采用廣播式通信。網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點都可以發(fā)送和接收報文，節(jié)點根據(jù)報文的標識符決定接收或屏蔽該報文。原理上網(wǎng)絡(luò)可連接節(jié)點數(shù)量不限，但局限于物理層實現(xiàn)。（3）CSMA/CD+AMP總線訪問仲裁機制CAN總線采用CSMA/CD+AMP總線訪問仲裁機制。各個節(jié)點實時對總線信號進行監(jiān)測，當總線出現(xiàn)空閑時，節(jié)點才允許發(fā)送數(shù)據(jù)。而當總線上同時有超過兩個節(jié)點同時傳送報文時，則采用“無損逐位仲裁”的方法來仲裁總線控制權(quán)，優(yōu)先級高的報文擁有最高優(yōu)先權(quán)，沒有來得及發(fā)送的報文則等待并重新發(fā)送。報文的優(yōu)先級由報文的標識符決定。這樣擁

6、有較高優(yōu)先級的報文會贏得仲裁并能夠保證在一定時間內(nèi)發(fā)送成功，從而保證了通訊的實時性。（4）高安全性，可靠的錯誤檢測和處理機制CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送的報文遭到破壞后，可自動重發(fā)。節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動切斷的功能。整車控制系統(tǒng)主要由6個部分7個節(jié)點構(gòu)成，6個部分是：車輛管理單元、電池管理系統(tǒng)、電機驅(qū)動控制單元、CVT與發(fā)動機控制單元、人機界面和狀態(tài)傳感器。7個節(jié)點是：車輛管理單元、電池管理系統(tǒng)、電機驅(qū)動控制單元、CVT與發(fā)動機控制單元、加速踏板、制動踏板和人機界面。其中車輛控制單元是主節(jié)點，其他節(jié)點為從節(jié)點。人機界面整車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如下所示：CVT與發(fā)動機ECU車輛管理單元電機驅(qū)

7、動控制單元電池管理系統(tǒng)CAN總線HEVCAN總線節(jié)點分析表：節(jié)點節(jié)點發(fā)送信息發(fā)送信息接收信息接收信息電機驅(qū)動控制單元電機轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度；電樞電流、電壓、報警信號和錯誤代碼等電機設(shè)定轉(zhuǎn)速、加速、制動、正反轉(zhuǎn)、啟動停止命令等CVT與發(fā)動機ECU發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率；CVT當前速比、CVT極限位置發(fā)動機空燃比、點火系統(tǒng)等在各種工況下的控制電池管理系統(tǒng)電池電壓、溫度、充放電電流、功率強度、剩余電量、報警信息等啟動停止命令等車輛管理單元電機設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定扭矩、正反轉(zhuǎn)、發(fā)動機設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定扭矩；各個部件的啟動停止命令；車輛工作模式和整車的運行狀況等來自電機驅(qū)動控制單元、CVT與發(fā)動機ECU、電池管理系

8、統(tǒng)、人機界面的所有信息人機界面自身的狀態(tài)接收總線上所有信息加速踏板駕駛員加速指令制動踏板駕駛員制動指令CAN通信原理現(xiàn)場總線是一種開放式實時系統(tǒng)，它只具有簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而與 OSI 不完全保持一致。按照 OSI 基準模型，CAN 結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。物理層應(yīng)給出系統(tǒng)的電氣規(guī)約：總線負載、傳送速率（波特率）、物理信號定義、總線故障檢測方法、電纜選擇、系統(tǒng)的機械和電氣接口等。數(shù)據(jù)鏈路層需給出報文結(jié)構(gòu)（幀格式）的定義，在遵循 CAN2.0A/B 的基礎(chǔ)上，仲裁場必須遵循 SAE J1939 標準，對于標定監(jiān)測系統(tǒng)其數(shù)據(jù)場還必須遵循 CCP 協(xié)議。CAN 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點間發(fā)送和接

9、收以四種不同類型的幀形式出現(xiàn)和控制，其中：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器；遠程幀由節(jié)點發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀；出錯幀可由任何節(jié)點發(fā)送，以檢測總線錯誤，而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間的附加延時。此外，數(shù)據(jù)幀和遠程幀以幀間空間同先前幀隔開。因出錯幀和超載幀由硬件（集成芯片）自動發(fā)送，設(shè)計員直接面臨的是數(shù)據(jù)幀和遠程幀，而汽車控制通信網(wǎng)絡(luò)中遠程幀的使用甚少，因此我們只要研究與設(shè)計數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀由 7 個不同的位場組成：即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC 場、應(yīng)答場、幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場長度可為 0。CAN 協(xié)議具有標準信息幀和擴展信息幀兩種格式，區(qū)別在于標準幀采用 1

10、1 位標識符（ID）,而擴展幀采用 29 位標識符。標準格式和擴展格式數(shù)據(jù)幀如圖所示。各個位場定義如下：（1） SOF（幀起始）：標志總線空閑狀態(tài)，并使所有站點同步；（2）仲裁場：標準格式幀的 RTR 位為遠程請求位，可用于要求數(shù)據(jù)。擴展格式幀的 SRR位為替代遠程請求位，IDE 為擴展標識位；（3) 控制場：共 6 位，DLC 告知隨后的數(shù)據(jù)域的長度。（4）數(shù)據(jù)場：共 064 位，即 8 個字節(jié)，包含將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。（5）校驗場：共 16 位，包含一個檢測字，用于自動檢測傳輸錯誤。（6）應(yīng)答場：共 2 位，當其它節(jié)點接收正確時，給出信號。（7）EOF（幀結(jié)束）：共 7 位，標志通信結(jié)束。CA

11、N的分層結(jié)構(gòu)：標準格式和擴展格式數(shù)據(jù)幀：CAN報文格式：CANCAN擴展擴展幀格式幀格式SOFSOF1111位標識符位標識符SRRSRRIDEIDE1818位擴展標識符位擴展標識符J1939格式幀起始位優(yōu)先權(quán)3位R位（保）數(shù)據(jù)頁DPPF格式6位SRR位擴展標識PF 2位PS格式8位源地址8位CAN12456712131415 1617242532幀位置28262524231817 1615870優(yōu)先級(P) : 3位，它共分為8級(即0到7)，其中0最高，7最低。一般面向控制的信息優(yōu)先級為3，面向數(shù)據(jù)的信息優(yōu)先級為6。在系統(tǒng)中，要求響應(yīng)速度越快的控制子系統(tǒng)其控制信息優(yōu)先級越高。保留位(R) :

12、1位，此位清零，留待SAE將來使用。數(shù)據(jù)頁(DP) : 1位，分為0頁和1頁。DP用來做數(shù)據(jù)頁的選擇，目前參數(shù)群編號PGN(包括保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式和特定PDU四個部分)大部分定義在0頁，1頁供將來擴展使用。源地址(SA): 8位，網(wǎng)絡(luò)中一個特定的源地址僅匹配一個裝置以確保CAN標識符的唯一性。數(shù)據(jù)域:CAN數(shù)據(jù)幀只有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)域，因此如果所要發(fā)送的數(shù)據(jù)超過8字節(jié)，就應(yīng)該分成幾個數(shù)據(jù)幀來分批發(fā)送。數(shù)據(jù)域的第一個字節(jié)從1開始作為報文的序號，后7個字節(jié)用來存放數(shù)據(jù)，所以PDU1格式和PDU2格式一共最多可以發(fā)送255 X 7 =1785個字節(jié)的數(shù)據(jù)，報文被接收以后按序號重新組合成原來的數(shù)

13、據(jù)。當傳遞速率大于10次/S時，則不允許多幀發(fā)送。一個J1939協(xié)議報文單元PRIORITYRDPPDU FORMATPDU SPECIFICSOURCE ADDRESSDATA FIELD311888064 SAE J1939中，信息優(yōu)先級順序：報文內(nèi)容報文內(nèi)容優(yōu)先級優(yōu)先級對應(yīng)對應(yīng)P值值嚴重故障信息00H關(guān)鍵傳感器信息11H高速控制信息22H中速控制信息33H低速控制信息44H狀態(tài)反饋信息55H多字節(jié)信息66H遠程幀77HCN2004B DATA定義格式與ID定義輸出點輸出點接受點接受點字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)2字節(jié)字節(jié)3字節(jié)字節(jié)4字節(jié)字節(jié)5字節(jié)字節(jié)6字節(jié)字節(jié)7字節(jié)字節(jié)8CAN200B _IDCA

14、N200B _ID定義定義VCUMCU電機期望轉(zhuǎn)速電機期望轉(zhuǎn)矩電機狀態(tài)指令電機期望速比0C8000004HVCUECU發(fā)動機期望轉(zhuǎn)速發(fā)動機期望轉(zhuǎn)矩發(fā)動機狀態(tài)指令發(fā)動機期望速比0C8000002HVCUTCU期望油門開度最速指令0C8000203HVCUBCU電池狀態(tài)指令最大放電電流指令最大充電電流指令SOC上限SOC下限D(zhuǎn)60C8000214HVCUACUACU狀態(tài)指令0D0000284HVCUCCU期望傳動比最速指令0C800010AHVCUDCU當前車速SOC車輛當前工作模式車輛狀態(tài)0D000E71DHMCUVCU電機實際轉(zhuǎn)速電機實際轉(zhuǎn)矩電機當前速比電機狀態(tài)電機電壓電機故障信息0D4041

15、100HECUVCU發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩發(fā)動機當前速比發(fā)動機狀態(tài)發(fā)動機故障信息0D4021000HTCUVCU發(fā)動機實際油門開度電子油門極限位置信息電子油門故障信息0D4031400HBCUVCU電池當前狀態(tài)電池當前電流電池當前電壓電池充放電請求溫度最高點值溫度最低點值電池故障信息0D4141200HACUVCUACU當前狀態(tài)ACU故障信息0D4841400HCCUVCUCVT當前速比CVT極限位置信息CVT極限位置信息CVT故障信息0D40A1300HDCUVCUDCU當前狀態(tài)DCU故障信息0D41DE600HID解析：IDID解析解析PRDPSAPFPS20000H00H04H20000H00H02H20000H02H03H20000H02H14H40000H02H84H20000H01H0AH40000HE7H1DH50004H11H00H50002H10H00H50003H14H00H50014H12H00H50084H14H00H5000AH13H00H5001DHE6H00H總結(jié)與展望近期做了很多關(guān)于整車電氣系統(tǒng)設(shè)計的工作，但還有很多不足：（1）整車電氣設(shè)計的合理性，與各位同事所作部分的兼容性；（2）CAN總線通信剛剛上手，節(jié)點分配與協(xié)議部分都比較生澀；（3）僅對整車電氣系統(tǒng)有個整體的了解，具體到各子