電動／混合動力汽車的CAN網絡系統

周定華 付貝貝

摘要 為了減少通信設備、線束、插件，簡化線路，降低成本，提高電動/混合動力汽車通訊的實時性、可靠性和應急處理能力，本文介紹了電動/混合動力汽車的CAN網絡系統，系統包括CAN總線拓撲結構和多個電子控制單元，將電動/混合動力汽車上的多個電子控制單元集成起來放在一條高速CAN總線網絡上，實現了分布網絡式控制系統，保證了通訊的可靠性和實時性。

【關鍵詞】電動/混合動力汽車 CAN網絡系統 拓撲結構

當今世界，開發新一代電動汽車和混合動力汽車成為時代潮流。電動及混合動力汽車相對常規汽車來說，結構更為復雜，工作環境更惡劣，整車上搭載了許多電子控制單元（ECU），在常規汽車基礎上加入了電機控制系統、電池管理系統、電池均衡器等等，因此需要實時傳輸的數據很多，且各控制單元的控制周期不同，數據轉換速度、各控制命令優先級也不同，集成如此多的ECU及其附帶的通信設備必然會使整車電路繁瑣復雜，線束多，重量大，成本高。這對電動/混合動力汽車的通信系統提出了較高的要求。

良好的通訊系統是實現電動及混合動力汽車可靠運行的關鍵。CAN（Controller AreaNetwork）總線是一種有效支持分布式控制的串行通訊網絡，具有很強的容錯能力和快速處理能力，有良好的可靠性、實時性及高傳輸速率，滿足電動/混合動力汽車網絡系統的需求。為此，本文介紹了電動/混合動力汽車的CAN網絡系統，合理分配了電動汽車及混合動力汽車各控制器節點的連接結構，通過CAN總線實現各種數據的信息共享，從而實現整車的各種控制功能，同時增強了整個系統的安全性和穩定性。

1 CAN總線

CAN （Controller Area Network控制器局域網）是由德國著名BOSCH企業自主設計的一種串行數據通訊協議，以此完善車內電子控制單元的數據交換，其主要特點：

（1） CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優先級高的節點優先傳送數據，能滿足實時性要求;

（2） CAN總線為多主站總線，各節點均可在任意時刻主動向網絡上的其它節點發送信息，不分主從，通信靈活;

（3） CAN總線上每幀有效字節數最多為8個，并有CRC及其它校驗措施，數據出錯率極低，萬一某一節點出現嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其它操作不受影響;

（4） CAN總線只有兩根導線，系統擴充時，可直接將新節點掛在總線上即可，系統擴充容易，改型靈活;

（5） CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40m時，最大傳輸速率可達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點，使之成為電動汽車和混合動力汽車控制系統的理想總線。

本文提出的一種電動/混合動力汽車的CAN網絡系統，采用CAN總線型拓撲結構，通過一條高速CAN連接起多個電子控制單元，形成高速CAN通訊網絡，各節點之間通過CAN總線實現數據信息共享。下面分別具體地闡述電動汽車和混合動力汽車的功能實現及其網絡架構。

2 電動汽車中CAN網絡

電動汽車EV（Electronic Vehicle）作為純電動汽車，以高壓電池包作為動力來源，帶動電機驅動汽車行駛，其主要控制單元包括整車控制器（VMS）、電池管理系統（BMS）、電池均衡系統（BBS）、電機控制系統（MCU）、充電器（CM）以及組合儀表（ICM）、空調（CLM）等常規汽車上的控制器，各控制單元通過CAN總線進行通訊。EV系統架構如圖1所示，圖中還有變速器（TCU）和防抱死控制系統（ABS）。VMS是整車的控制樞紐，對整車各控制器及車輛行駛狀態進行監測和控制，保障車輛安全正常行駛。BMS、BBS是電動汽車的電池管理系統，是整車能源供應的保障，用于監測電池組的運行參數、預測電池的荷電狀態（sOc）、根據電池狀態控制電池充放電、保持電池系統處于合適工作的溫度范圍、與整車多能源總成控制系統進行實時通訊、保障電池組安全、保障電池各單體充放電的一致性。MCU是電動汽車的驅動電機控制器，監測驅動電機的工作狀態，控制電機運轉動作，保障電機驅動整車正常行駛。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，實現電動汽車常規和快速充電需求，普通充電器可以接家用220V電源進行充電，快速充電器要到專門的充電站進行充電。

3 混合動力汽車中CAN網絡

混合動力汽車分為串聯式混合動力汽車和并聯式混合動力汽車。

PHEV（Plug-in Hybrid ElectronicVehicle）--插電式混合動力汽車屬于串聯式，其電子控制單元包括整車控制器（VMS）、電池管理系統（BMS）、電池均衡系統（BBS）、電機控制系統（MCU）、充電器（CM），組合儀表（ICM）和增程器控制系統（GCU）。PHEV在EV的基礎上增加一個增程器，以解決純電動汽車行駛里程短不能及時充電的問題，增加續航里程。此混合動力汽車只能由電機進行驅動，燃油發動機僅僅用于發電并給高壓電池充電，當電量不足時發動機啟動發電，給高壓電池包充電，電池包輸送電力給電機，以驅動整車行駛，最終保障汽車有足夠的續航能力到達充電地點進行下一次充電。PHEV系統架構如圖2所示。

PHEV拓撲結構中主要包括VMS、MCU、BMS、BBS、CM、GCU，以及ICM、ABS、CLM等，CAN速率為500kbit/s，PHEV網絡拓撲結構如圖3所示。在運行中，CAN消息的傳遞，VMS發送給ICM顯示檔位、系統故障、電池電量、續航里程等信息;VMS發送給MCU，進行扭矩和轉速請求，以及電機狀態請求等;VMS發送給BMS，反饋電池電量及電池狀態，以及校驗;VMS發送給空調，報告發電機工作狀態及發出空調使能信號;MCU發送給VMS和儀表，報告電機最大可輸出扭矩、轉速，以及實際轉速等信息;MCU發送給VMS，報告直流母線電壓、電流，以及電機故障等信息;BMS發送給VMS，報告電池包各項參數;BMS發送給BBS.實現單體監測;BMS發送給CM，BMS的充電請求信息;BBS 1、CM 1分別實現BBS、CM對BMS的請求的反饋。

與PHEV不同，并聯式混合動力汽車HEV（Hybrid Electronic Vehicle）可以單獨使用發動機做動力源，也可以同時使用發動機和電動機做動力源來驅動汽車。HEV電控單元包括整車控制器（VMS）、電池管理系統（BMS）、電池均衡系統（BBS）、電機控制系統（MCU）、充電器（CM）、組合儀表（ICM）和動力管理系統（HCU），以及一個高壓動力電池包。相比常規汽車，HEV增加一套動力管理系統HCU，以及一個高壓動力電池包。在汽車怠速、起步和中低速行駛時，發動機停機，只需電機驅動，依靠高壓動力電池使電機驅動整車行駛常規速度行駛時，電機驅動力不足，電機帶動發動機啟動，依靠發動機的動力驅動汽車，同時多余部分動力用于給電池充電;大負載和急加速時，電機啟動，配合發動機工作，使發動機處于最佳工況工作，給汽車提供足夠的動力;制動時，動能回收給電池充電，減少能量損失;電池電量不足時，發動機自動啟動，驅動汽車行駛并給電池充電。高電壓的動力電池包和高效的啟發一體式電機（ISG）的引入.有效降低了排放，實現了汽車的低排放和燃油經濟性。PEV系統架構如圖4所示。

HEV拓撲結構中主要包括EMS（發動機管理系統）、HCU、BMS、BCM、ICM、ABS等，CAN速率為500kbit/s，HEV網絡拓撲結構如圖5所示。EMS發送給HCU，報告發動機最大和最小扭矩;EMS發送給HCU和ICM，報告發動機水溫、電控故障、瞬時油耗、怠速參考速度等;EMS發送給HCU、ICM和DVD，報告點火開關檔位、節氣門位置、怠速指示、加速踏板機械位置及故障、發動機扭矩相關指示、車速水溫等傳感器失效、MIL等信號等;EMS發送給HCU，駕駛員扭矩請求、摩擦扭矩、基準扭矩、實際扭矩等;預留的發動機汽缸數、空氣感應類型、燃油類型等信號;HCU發給EMS，對發動機各種狀態進行請求;HCU發給儀表和DVD，對混合動力系統的各種工作狀態進行顯示;HCU發給BMS，反饋電池所需要的各種整車狀態和反饋系統時間;BMS發送給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、校驗等，電池電壓電流、直流母線電壓、平均電池溫度、校驗等，電池最高電壓、最低電壓、最高溫度、最低溫度等，電池準備狀態、報警指示、正負極連接狀態、預充狀態、充電狀態等，各種報警信號和狀態信號。由于HEV動力電池沒有EV動力電池容量大，主要靠發動機充電，因此，目前奇瑞HEV車型沒有設置外部充電接口。

4 總結

本文簡要的介紹了電動汽車和混合動力汽車的系統架構，并設計了相應的CAN網絡拓撲結構，優化了各控制模塊之間通訊成本和通訊實效性的問題，使電動汽車和混合動力汽車性能更穩定，功能擴展更方便，智能化程度更高。本文設計的電動/混合動力汽車的CAN網絡系統為電動/混合動力汽車通信網絡的研究提供了一種簡單有效的低成本方案。

參考文獻

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