基于CAN總線的電動汽車控制系統(tǒng)設計

一、前言
       CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種通信協(xié)議。由于CAN總線具有突出的可＊性、實時性和靈活性，因而得到了業(yè)界的廣泛認同和運用，并在1993年正式成為國際標準和行業(yè)標準，被譽為“最有前途的現場總線”之一。以CAN為代表的總線技術在汽車上的應用不但減少了車身線束，也提高了汽車的可＊性。在國外現代轎車的設計中，CAN已經成為必須采用的技術，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃及雷諾等汽車都將CAN作為控制器聯(lián)網的手段。我國目前CAN總線技術在汽車上的應用存在著很大的空白，在電動汽車上應用CAN總線技術研究尚處于起步階段。
      電動汽車融合了許多的電子控制系統(tǒng)，如電池管理系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、驅動控制系統(tǒng)、再生制動系統(tǒng)及ABS系統(tǒng)等。電子設備的大量應用，必然導致車身布線增長且復雜、運行可＊性降低、線路上的功率損耗加大、故障維修難度增大。特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號的利用率，要求大批的數據信息能在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實時交換，傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。將CAN總線技術引入電動汽車可以克服以上缺點，具有廣闊的應用前景。文中將CAN總線技術應用到電動汽車控制系統(tǒng)，并采用通用擴展單元解決電動汽車電控系統(tǒng)的電路設計復雜性的問題，優(yōu)化組合各電控單元信息以實現充分信息共享，達到提高電動汽車控制系統(tǒng)性能的目的。
 二、CAN總線的特點
      CAN屬于現場總線范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線在工業(yè)控制領域廣泛應用得益于其自身的技術特點。
      （1）只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無須專門的“調度”。
      （2）通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從且無須站點地址等節(jié)點信息。
      （3）CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓情況。
      （4）采用短幀格式通信，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。每幀字節(jié)數最多8個，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時，8B也不會占用過長的總線時間，從而保證了通信的實時性。
      （5）CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據通信的可＊性。
三、CAN總線在電動汽車上的應用
      CAN總線應用于電動汽車上具有以下優(yōu)點。
      （1）減少各功能模塊所需的線束數量和體積。
      （2）減少整車質量并降低汽車成本，具有較高的數據傳輸可＊性和安裝便捷性，擴展了汽車功能。
      （3）一些數據如車速、電機轉速和SOC等能夠在總線上共享，因此去除了冗余的傳感器，使傳感器信號線減至最少，控制單元可做到高速數據傳輸。
      （4）可以通過增加節(jié)點來擴展功能，如果數據擴展增加新的信息，只需升級軟件即可。
      （5）實時監(jiān)測并糾正由電磁干擾引起的傳輸錯誤，并在檢測到故障后存儲故障碼。
      目前存在的多種汽車網絡標準，其側重的功能有所不同，為方便研究和設計應用，SAE車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網劃分為A、B、C3類。 A類面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網絡，數據傳輸位速率通常只有1～10kb/s。主要應用于電動門窗、座椅調節(jié)和燈光照明等控制。 B類面向獨立模塊間數據共享的中速網絡，位速率一般為10～100kb/s。主要應用于電子車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示和安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其它電子部件。  C類面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網，最高位速率可達1Mb/s，主要用于懸架控制、牽引控制、先進發(fā)動機控制和ABS等系統(tǒng)，以簡化分布式控制和進一步減少車身線束。到目前為止，滿足C類網要求的汽車控制局域網只有CAN協(xié)議。
 四、方案設計
     1. 系統(tǒng)原理圖

圖1 系統(tǒng)原理圖該系統(tǒng)主要由驅動控制模塊、再生制動控制模塊、電機控制模塊、能量管理模塊、電池控制模塊、儀表顯示模塊及故障診斷模塊等組成。通過CAN實現各個控制模塊間的信息通信。除了指令的發(fā)送和接收外，汽車的一些基本狀態(tài)信息（如電機轉速、電池荷電狀態(tài)、車速等）是大部分控制單元必須獲取的數據，控制單元采用廣播方式向總線發(fā)送數據。 如果在同一時刻所有控制單元都向總線發(fā)送數據，將發(fā)生總線上的數據沖突，因此，CAN總線協(xié)議提出了用標識符識別數據優(yōu)先權的總線仲裁。表1給出了電動汽車電控單元接收及發(fā)送的數據類型及其它單元對這些信息共享的程序。

　　             表1 電動汽車電控單元接收及發(fā)送的數據類型

注：T-發(fā)送，R-接收2. 模塊單元電路框圖
       在對高速CAN上的節(jié)點進行硬件設計時采用通用擴展（UDU）。這樣只需通過改變軟件來實現各節(jié)點的不同功能，從而簡化了硬件系統(tǒng)設計。 通用擴展單元結構如圖2所示。

圖2 通用擴展單元在通用擴展單元中選用AT89C52作微控制器它是一個低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含8kB的可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和256B的隨機存取數據存（RAM），兼容標準MCS251指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，可適用于許多較復雜系統(tǒng)的控制應用場合。
      CAN控制器采用Philips公司生產的SJA1000，它是應用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。它可以存儲一條將在CAN總線上發(fā)送或接收的完整報文，另外具有64字節(jié)擴展接收緩沖區(qū)REFIFO，接收緩存更大，在微控制器處理一個報文的同時可以繼續(xù)接收其它發(fā)來的報文。 總線收發(fā)器采用PCA82C250，它提供協(xié)議控制器和物理傳輸線路直接的接口，可以用高達1Mb/s的速率在2條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據。 最多掛接節(jié)點數可達110個。采用PCA82C250可以增大通信距離，提高系統(tǒng)瞬間抗干擾能力，降低射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同組成CAN總線的控制和接口電路。
五. 電池管理控制系統(tǒng)設計
      蓄電池對電動汽車而言是影響整車性能的一個關鍵因素，它對續(xù)駛里程、加速性能和最大爬坡度等性能都會產生直接影響。電池控制系統(tǒng)主要是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)（電池電壓、電流和溫度），管理電池的工作情況（避免出現過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴重不平衡現象）以便最大限度地利用電池的存儲能力和循環(huán)壽命。其結構如圖3。

 1）對主輔電池進行實時監(jiān)控通過UDU采集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監(jiān)控電池的工作狀況并進行故障診斷。
      2）UDU接收來自總線的汽車行駛狀態(tài)數據根據汽車動力需求實時調整電動機轉速及功率輸出;當收到制動信息時，控制單元調控逆變器和電動機的動作，啟動再生制動系統(tǒng)回收制動能量。
       3）預測電池剩余電量和相應的剩余行駛里程控制單元把采集到的充放電電流參數采用相應的算法預測剩余電量。同時利用從總線上接收的車速信息估算剩余行駛里程，并把估算結果通過總線發(fā)送到儀表顯示單元。
六. 系統(tǒng)可性設計
      由于汽車內溫度變化范圍大（-45～100℃），電磁干擾和其它電子噪聲強，環(huán)境惡劣，要保證系統(tǒng)在車內運行的可＊性，就必須提高網絡結構自身的容錯能力和抗干擾能力。 在設計時采用軟硬件結合的方法進行抗干擾。
      硬件方面采用電磁兼容設計，重點處理靜電場、磁場和傳輸線路及電路引入的干擾，采用濾波、去耦、隔離、屏蔽和接地等方式，加入電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。
    （1）傳輸線采用屏蔽雙絞線。
    （2）用看門狗定時器進行超時復位。
    （3）在CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的光電隔離電路，電源也采用微型DC/DC模塊來進行隔離。
     （4）將PCA82C250的CANH和CANL分別通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，可起到限流作用，保護PCA82C250免受過流沖擊，CANH和CANL分別并聯(lián)一個30pF的電容接地，也可過濾總線上的高頻干擾。
     （5）傳輸介質的損壞或總線驅動器的損壞等都會破壞CAN的可＊通信，這些故障如不能自動檢測并采取相應措施排除，將使系統(tǒng)部分甚至完全失去通信能力。解決這一問題的有效途徑是采用冗余通信控制，從而保證通信系統(tǒng)主要功能正常運行，以此提高系統(tǒng)的可＊性。
      軟件方面采用比錯和容錯等技術，對信號進行軟件濾波，設計上電復位抗干擾程序，運用實效保險等技術設計抗瞬間干擾程序等。
七、結束語
      介紹CAN總線的特點及在電動汽車上的應用，設計了基于CAN總線的電動汽車整車控制系統(tǒng)的節(jié)點設置，并引入通用擴展單元簡化了系統(tǒng)硬件設計，對影響電動汽車性能的電池管理控制單元進行了優(yōu)化設計。該系統(tǒng)具有結構緊湊、可＊性高、功能完善和成本低的優(yōu)點，能夠較好地滿足電動汽車的工作要求。
      1）對主輔電池進行實時監(jiān)控通過UDU采集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監(jiān)控電池的工作狀況并進行故障診斷。
       2）UDU接收來自總線的汽車行駛狀態(tài)數據根據汽車動力需求實時調整電動機轉速及功率輸出;當收到制動信息時，控制單元調控逆變器和電動機的動作，啟動再生制動系統(tǒng)回收制動能量。
       3）預測電池剩余電量和相應的剩余行駛里程控制單元把采集到的充放電電流參數采用相應的算法預測剩余電量。同時利用從總線上接收的車速信息估算剩余行駛里程，并把估算結果通過總線發(fā)送到儀表顯示單元。