基于新能源汽車CAN 總線波形的故障診斷方法

校金龍

河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院 河南省鄭州市 450012

1 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021 年我國新能源汽車的年產(chǎn)銷已經(jīng)超過300 萬輛[1]，截至目前，保有量超過500 萬輛，位居世界第一。隨新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展而來的是汽車后市場的服務(wù)升級(jí)。新能源汽車的檢測與維修是新能源汽車后市場的一個(gè)重要板塊。其是否能夠健康發(fā)展關(guān)系到新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度和發(fā)展質(zhì)量。CAN總線是新能源汽車進(jìn)行信息交互的重要載體，特別是動(dòng)力CAN 總線的通信，關(guān)系到新能源汽車的高壓上電以及高壓安全。目前，大多數(shù)汽車維修企業(yè)認(rèn)為新能源車涉及高壓，CAN總線的診斷與維修技術(shù)含量較高，存在畏難情緒，造成診斷效率低、維修質(zhì)量差的局面。本研究針對新能源汽車CAN 總線故障提出快速化、低成本的診斷方法，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車的快速診斷與維修，降低了企業(yè)維修成本。

2 CAN 總線結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 CAN 總線結(jié)構(gòu)

CAN 總線由雙絞線、收發(fā)器、控制單元等組成[2]，收發(fā)器和控制單元多集中在一起。兩根雙絞線一條被標(biāo)記為CAN-H，另一條被標(biāo)記為CAN-L[3]。CAN 總線兩條雙絞線之間的電阻值一般為60Ω，由兩個(gè)120Ω 的電阻并聯(lián)而成，被稱為終端電阻。美國汽車工程師學(xué)會(huì)將CAN 總線按照系統(tǒng)的復(fù)雜程度、信息量、傳輸速度、可靠性等分為A、B、C、D、E 五類[4]。在新能源汽車中根據(jù)CAN 總線傳輸數(shù)據(jù)的功能分為動(dòng)力總線、車身總線、診斷總線、UDS 總線、底盤總線等。

2.2 CAN 總線工作原理

總線型結(jié)構(gòu)的CAN 總線連接原理如圖1所示。由同一個(gè)總線連接起來的控制單元接收與發(fā)送信息的協(xié)議、速度等均相同。CAN總線通過仲裁判斷控制單元發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先級(jí)別高的具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)利。任何一個(gè)控制單元作為信息發(fā)送單元時(shí)，其他均作為信息接收單元，接收單元可以選擇接收對自己有用的信息。

圖1 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接原理圖

當(dāng)總線上控制單元不發(fā)送信息時(shí)，CAN-H 和CAN-L 導(dǎo)線上的電壓均為2.5V，稱之為隱性電壓，當(dāng)總線上控制單元發(fā)送信息時(shí)，CAN-H 導(dǎo)線上跳變?yōu)?.5V 的顯性電壓，CAN-L 導(dǎo)線上跳變?yōu)?.5V 的顯性電壓，如圖2(a)所示。信號(hào)接收器接收到信號(hào)后對CAN-H 和CAN-L 電壓進(jìn)行計(jì)算，得到差分電壓，如圖2(b)所示。控制單元對一組差分電壓進(jìn)行分析、翻譯和校驗(yàn)，得到對應(yīng)的信息。

圖2 CAN 總線波形

3 CAN 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN 總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型、總線型。星型結(jié)構(gòu)中央處理器負(fù)載較重，線路負(fù)載率較低，拓展性較差；環(huán)型結(jié)構(gòu)可靠性差，拓展麻煩；總線型結(jié)構(gòu)傳輸效率高，拓展性能好。目前應(yīng)用比較廣泛的為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

比亞迪秦的CAN總線包含動(dòng)力CAN總線、舒適網(wǎng)CAN 總線、ESC 網(wǎng)CAN 總線、電池子網(wǎng)CAN 總線、充電CAN 總線等，均采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其動(dòng)力CAN 總線的電路原理如圖3 所示[5]。經(jīng)測試，兩個(gè)120Ω 的終端電阻一個(gè)在電池管理器中，另一個(gè)在網(wǎng)關(guān)中。

圖3 比亞迪秦的動(dòng)力CAN 總線電路原理圖

吉利帝豪EV450 的CAN 總線包含動(dòng)力CAN 總線、車身CAN 總線、底盤CAN 總線、UDS CAN 總線等，均采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其動(dòng)力CAN 總線的電路原理如圖4 所示[6]。經(jīng)測試，兩個(gè)120Ω 的終端電阻一個(gè)在電池管理單元BMS 中，另一個(gè)在電機(jī)控制單元MCU 中。

圖4 吉利EV450 的動(dòng)力CAN 總線電路原理圖

4 動(dòng)力CAN 總線故障波形

4.1 開路故障波形

CAN 總線的開路包含CAN-H 開路和CAN-L 開路，以及兩者同時(shí)開路。通過對比亞迪秦EV、吉利帝豪EV450 純電動(dòng)汽車試驗(yàn)表明，對于總線型CAN 網(wǎng)絡(luò)，某一個(gè)控制單元的CAN-H 或者CAN-L 開路，將導(dǎo)致該控制單元無法與其他控制單元通信。如果該控制單元（例如：BMS、MCU 等）參與上電流程，會(huì)導(dǎo)致車輛無法正常上電和行駛；而另一些節(jié)點(diǎn)（例如：診斷口）的總線開路對車輛的運(yùn)行沒有影響。

逐一設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的CAN 總線開路，同時(shí)測量總線開路節(jié)點(diǎn)處的波形和其他節(jié)點(diǎn)處的波形，結(jié)果如圖5 所示。對開路狀態(tài)下的故障波形進(jìn)行分析可知：CAN-H 開路、開路節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)，測得開路節(jié)點(diǎn)處CAN-H 波形“從”了CAN-L 的波形，其他節(jié)點(diǎn)處的波形基本正常；CAN-L 開路、開路節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)，測得開路節(jié)點(diǎn)處CAN-L波形“從”了CAN-H 的波形，其他節(jié)點(diǎn)處的波形基本正常。

圖5 CAN 總線開路波形圖

4.2 對+B 短路故障波形

對+B 短路包含CAN-H 對+B 短路和CAN-L 對+B 短路，以及同時(shí)對+B 短路。通過對比亞迪秦EV、吉利帝豪EV450 純電動(dòng)汽車試驗(yàn)表明，對于總線型CAN 網(wǎng)絡(luò)，某一個(gè)控制單元的CAN-H 或者CAN-L對+B 短路，其他控制單元的CAN-H 或者CAN-L 也會(huì)對+B 短路。該CAN 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)之間均無法實(shí)現(xiàn)通訊，導(dǎo)致該CAN網(wǎng)絡(luò)所涉及的功能無法實(shí)現(xiàn)。

逐一設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的CAN 總線對+B 短路，同時(shí)測量總線短路節(jié)點(diǎn)處的波形和其他節(jié)點(diǎn)處的波形，如圖6 所示。對短路狀態(tài)下的故障波形進(jìn)行分析可知：CAN-H對+B 短路時(shí)，測得CAN-H 和CAN-L 的波形基本為一條直線，電壓約為+B 電壓，隱性狀態(tài)有脈沖突變，但脈寬較小；CAN-L對+B 短路時(shí)，測得短路節(jié)點(diǎn)處CAN-H 與CAN-L 波形均為一條直線，且CAN-H 和CAN-L 電壓均約等于+B 電壓。

圖6 CAN 總線對+B 短路波形

4.3 對地短路故障波形

對地短路包含CAN-H 對地短路和CAN-L 對地短路，以及同時(shí)對地短路。通過對比亞迪秦EV、吉利帝豪EV450 純電動(dòng)汽車試驗(yàn)表明，對于總線型CAN 網(wǎng)絡(luò)，某一個(gè)控制單元的CAN-H 或者CAN-L 對地短路，其他控制單元的CAN-H 或者CAN-L 也會(huì)對地短路。只有CAN-L 對地短路時(shí)，不影響拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中控制器（節(jié)點(diǎn)）之間的通訊，車輛能夠正常上下電。

逐一設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的CAN 總線對地短路，同時(shí)測量總線短路節(jié)點(diǎn)處的波形和其他節(jié)點(diǎn)處的波形，如圖7 所示。對短路狀態(tài)下的故障波形進(jìn)行分析可知：CAN-H對地短路時(shí)，測得短路節(jié)點(diǎn)處CAN-H 與CAN-L 波形均為一條直線，CAN-H 和CAN-L 隱形電壓均等于0V，顯性狀態(tài)存在脈沖電壓，但寬度遠(yuǎn)小于正常波形；CAN-L對地短路時(shí)，測得短路節(jié)點(diǎn)處CAN-L 波形基本為一直線，CAN-H 波形幅值約為2.2V，脈寬與正常波形相同，因此對于采用差分信號(hào)傳遞信息的CAN 網(wǎng)絡(luò)基本能夠正常通訊。

圖7 CAN 總線對地短路波形

5 結(jié)論

本文基于新能源汽車CAN 總線波形進(jìn)行了動(dòng)力CAN 總線故障的研究。通過大量試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)CAN 總線波形CAN-H 線“從”了CAN-L 時(shí)，表示CAN-H 開路；當(dāng)CAN 總線波形CAN-L 線“從”了CAN-H時(shí)，表示CAN-L 開路。

（2）當(dāng)兩條CAN 總線波形均為直線，電壓約等于電源電壓時(shí)，則表明CAN 總線對電源正極短路。

（3）當(dāng)CAN 總線波形有一條為直線且等于0V時(shí)，另一條有明顯的波形，幅值為2.2V左右，寬度正常，則表明CAN-L 對地短路。如果兩條CAN 總線波形均為0V 的直線，則表明CAN-H 對地短路。

試驗(yàn)證明本方法適用于新能源汽車CAN總線的故障診斷，采用示波器測量CAN 總線的波形，通過對波形進(jìn)行分析，找出與波形對應(yīng)的故障形式，從而確定故障原因。對于多點(diǎn)故障也可通過分析波形確定故障原因。為新能源汽車的檢測維修提供了新方法，減少了設(shè)備投入，提高了維修效率，提升了企業(yè)效益。