基于CAN總線的電動汽車控制系統設計

一、前言

CAN總線是德國博世公司在20世紀80年代初開發的一種通信協議，用于解決汽車中許多控制和測試儀器之間的數據交換。CAN總線由于其卓越的可靠性、實時性和靈活性，在業界得到了廣泛的認可和應用，并于1993年正式成為國際標準和行業標準，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中的應用，不僅減少了車身線束，而且提高了汽車的可靠性。在國外現代汽車的設計中，CAN已經成為一項必要的技術。梅賽德斯-奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃和雷諾都使用CAN作為控制器聯網的手段。目前，我國CAN總線技術在汽車中的應用存在較大差距，CAN總線技術應用于電動汽車的研究仍處于起步階段。

電動汽車集成了許多電子控制系統，如電池管理系統、電機控制系統、驅動控制系統、再生制動系統和ABS系統。電子設備的廣泛應用將不可避免地導致車身布線的增加和復雜性、運行可靠性的降低、線路功率損耗的增加以及故障維護的困難。特別是隨著大量電子控制單元的引入，為了提高信號的利用率，需要不同的電子單元共享大量的數據和信息，汽車綜合控制系統中的大量控制信號也需要實時交換。傳統的線束遠遠不能滿足這一需求。將CAN總線技術引入電動汽車可以克服上述缺點，具有廣闊的應用前景。本文將CAN總線技術應用于電動汽車控制系統，采用通用擴展單元解決電動汽車控制體系電路設計復雜的問題，并將各電控單元的信息進行優化組合，實現信息的充分共享，從而提高電動汽車控制系統的性能。

第二，CAN總線的特點

CAN屬于現場總線類別，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總線在工業控制領域的廣泛應用得益于其自身的技術特點。

（1） 數據可以通過多種方式傳輸和接收，如點對點、點對多點和全球廣播，只需通過消息過濾，而無需特殊的“調度”。

（2） 靈活的溝通方式。CAN以多主模式工作，網絡中的任何節點都可以隨時主動向網絡上的其他節點發送信息，而不考慮主節點和從節點，也不需要站點地址等節點信息。

（3） CAN采用非破壞性總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級最高的節點可以在不受影響的情況下繼續發送數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網絡負載較重的情況下。

（4） 短幀格式通信具有傳輸時間短、干擾概率低、檢錯效果好的優點。每幀最大字節數為8，可以滿足一般工業領域對控制命令、工作條件和測試數據的一般要求。同時，8B不會占用太長的總線時間，從而保證了實時通信。

（5） CAN信息的每一幀都有CRC校驗和其他錯誤檢測措施，這確保了數據通信的可靠性。

第三，CAN總線在電動汽車中的應用

CAN總線在電動汽車中的應用具有以下優點。

（1） 減少每個功能模塊所需的線束數量和體積。

（2） 降低了整車質量和車輛成本，數據傳輸可靠性高，安裝方便，擴展了車輛功能。

（3） 一些數據，如車速、電機轉速和SOC，可以在總線上共享，因此去除了冗余傳感器，以最大限度地減少傳感器信號線，控制單元可以實現高速數據傳輸。

（4） 您可以通過添加節點來擴展該功能。如果在數據擴展中添加了新信息，則只需要升級軟件即可。

（5） 實時監測和校正電磁輸入引起的傳輸誤差……

rference，并在檢測到故障后存儲故障代碼。

目前，有許多汽車網絡標準，側重于不同的功能。為了便于研究、設計和應用，SAE車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網絡分為A、B和C3類。

面向傳感器/執行器控制的A類低速網絡，數據傳輸比特率通常只有1~10kB/s。。主要用于電動門窗、座椅調節和照明控制。

b類是用于獨立模塊之間數據共享的中速網絡，其比特率通常為10~100kb/s。它主要用于電子車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示和安全氣囊系統，以減少冗余傳感器和其他電子部件。

面向高速、實時閉環控制的C級多路傳輸網絡，最高比特率可達1Mb/s，主要用于懸架控制、牽引力控制、先進的發動機控制和ABS系統，以簡化分布式控制，進一步減少車身線束。到目前為止，唯一符合C類網絡要求的汽車控制局域網是CAN協議。

第四，方案設計

該系統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、蓄電池控制模塊、儀表顯示模塊和故障診斷模塊組成。控制模塊之間的信息通信通過CAN實現。除了發送和接收指令外，汽車的一些基本狀態信息（如電機速度、電池充電狀態、車速等）是大多數控制單元必須獲得的數據，控制單元通過廣播向總線發送數據。

如果所有控制單元同時向總線發送數據，則總線上將出現數據沖突。因此，CAN總線協議提出了帶有標識符的總線仲裁來識別數據優先級。表1顯示了電動汽車電子控制單元接收和發送的數據類型，以及其他單元共享這些信息的程序。

1.模塊單元電路框圖

通用擴展單元（UDU）用于高速CAN上節點的硬件設計。這樣，只需更改軟件即可實現每個節點的不同功能，從而簡化了硬件系統設計。

它是一款低電壓、高性能的CMOS8位單片機，包含8kB可擦除只讀程序存儲器（EPROM）和256B隨機存取數據存儲器（RAM），與標準MCS251指令系統兼容，并具有通用的8位中央處理單元和閃存單元，可應用于復雜系統的許多控制應用。

CAN控制器采用飛利浦公司生產的SJA1000，是一種用于汽車和一般工業環境的獨立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協議所需的所有必要特性。SJA1000具有簡單的總線連接，可以完成物理層和數據鏈路層的所有功能。它可以存儲要在CAN總線上發送或接收的完整信息。此外，它還有一個64字節的擴展接收緩沖器REFIFO，它有一個更大的接收緩沖器。當微控制器正在處理一條消息時，它可以繼續接收其他消息。

總線收發器采用PCA82C250，在協議控制器和物理傳輸線之間提供直接接口，可以在兩條具有差分電壓的總線電纜上以高達1MB/s的速率傳輸數據。

鉸接節點的最大數量可以達到110個。使用PCA82C250可以增加通信距離，提高系統的瞬時抗干擾能力，減少射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同構成了CAN總線的控制和接口電路。

2.電池管理控制系統設計

電池是影響電動汽車性能的關鍵因素，它將直接影響續航里程、加速性能和最大爬坡程度。電池控制系統主要監測電池的工作狀態（電池電壓、電流和溫度），并管理電池的工作狀況（避免過放電、過充電、過熱和單個電池之間的嚴重電壓不平衡），以最大限度地利用電池的儲能能力和循環壽命。其結構如圖3所示。

該系統主要實現以下功能。

（1） 對主電池和輔助電池進行實時監控。主電池和輔助電池在充電和放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度為c……

通過UDU選擇，以便監測電池的工作狀態并進行故障診斷。

（2） UDU從總線接收車輛運行狀態數據，并根據車輛功率需求實時調整電機轉速和功率輸出；

當接收到制動信息時，控制單元調節逆變器和電動機的動作，并啟動再生制動系統以回收制動能量。

（3） 預測剩余電池電量和相應的剩余行駛里程控制單元通過使用收集的充電和放電電流參數以及相應的算法來預測剩余電池功率。同時，通過使用從公交車接收的速度信息來估計剩余里程，并通過公交車將估計結果發送到儀表顯示單元。

3.系統可靠性設計

由于溫度范圍廣（-45~100℃），電磁干擾等電子噪聲強，環境惡劣，為了保證系統在車內運行的可靠性，需要提高網絡結構本身的容錯和抗干擾能力。

在設計中，采用了軟硬件結合的方法進行抗干擾。

硬件采用電磁兼容設計，重點處理傳輸線路和電路引入的靜電場、磁場和干擾，并通過濾波、去耦、隔離、屏蔽和接地等方式增加電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。

（1） 傳輸線采用屏蔽雙絞線。

（2） 使用看門狗計時器重置超時。

（3） CAN控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離裝置6N137組成的光電隔離電路，電源也通過微型DC/DC模塊隔離。

（4） 將PCA82C250的CANH和CANL通過一個5Ω電阻器連接到CAN總線上，該電阻器可以限制電流并保護PCA82C50免受過電流影響，并將CANH和CAN與一個30pF電容器并聯接地，該電容器還可以過濾總線上的高頻干擾。

（5） 傳輸介質或總線驅動器的損壞會破壞CAN的可靠通信。如果這些故障不能被自動檢測和消除，系統的通信能力將部分甚至完全喪失。解決這一問題的有效方法是采用冗余通信控制，以確保通信系統主要功能的正常運行，提高系統的可靠性。

在軟件方面，采用了誤差比較和容錯技術，通過軟件對信號進行濾波，設計了上電復位的抗干擾程序，并利用有效性保險技術設計了抗瞬時干擾程序。

五、結論

本文介紹了CAN總線的特點及其在電動汽車中的應用，設計了基于CAN總線的電動汽車整車控制系統的節點設置，并引入了一個通用的擴展單元來簡化系統的硬件設計，并優化影響電動汽車性能的電池管理控制單元的設計。該系統具有結構緊湊、可靠性高、功能完善、成本低的優點，能夠更好地滿足電動汽車的工作要求。

一、前言

CAN總線是德國博世公司在20世紀80年代初開發的一種通信協議，用于解決汽車中許多控制和測試儀器之間的數據交換。CAN總線由于其卓越的可靠性、實時性和靈活性，在業界得到了廣泛的認可和應用，并于1993年正式成為國際標準和行業標準，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中的應用，不僅減少了車身線束，而且提高了汽車的可靠性。在國外現代汽車的設計中，CAN已經成為一項必要的技術。梅賽德斯-奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃和雷諾都使用CAN作為控制器聯網的手段。目前，我國CAN總線技術在汽車中的應用存在較大差距，CAN總線技術應用于電動汽車的研究仍處于起步階段。

電動汽車集成了許多電子控制系統，如電池管理系統、電機控制系統、驅動控制系統、再生制動系統和ABS系統。電子設備的廣泛應用將不可避免地導致車身布線的增加和復雜性、運行可靠性的降低、線路功率損耗的增加以及故障維護的困難。特別是隨著大量電子控制單元的引入，為了提高利用率……

不同的電子單元需要共享大量的數據和信息，汽車綜合控制系統中的大量控制信號也需要實時交換。傳統的線束遠遠不能滿足這一需求。將CAN總線技術引入電動汽車可以克服上述缺點，具有廣闊的應用前景。本文將CAN總線技術應用于電動汽車控制系統，采用通用擴展單元解決電動汽車控制體系電路設計復雜的問題，并將各電控單元的信息進行優化組合，實現信息的充分共享，從而提高電動汽車控制系統的性能。

第二，CAN總線的特點

CAN屬于現場總線類別，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總線在工業控制領域的廣泛應用得益于其自身的技術特點。

（1） 數據可以通過多種方式傳輸和接收，如點對點、點對多點和全球廣播，只需通過消息過濾，而無需特殊的“調度”。

（2） 靈活的溝通方式。CAN以多主模式工作，網絡中的任何節點都可以隨時主動向網絡上的其他節點發送信息，而不考慮主節點和從節點，也不需要站點地址等節點信息。

（3） CAN采用非破壞性總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級最高的節點可以在不受影響的情況下繼續發送數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網絡負載較重的情況下。

（4） 短幀格式通信具有傳輸時間短、干擾概率低、檢錯效果好的優點。每幀最大字節數為8，可以滿足一般工業領域對控制命令、工作條件和測試數據的一般要求。同時，8B不會占用太長的總線時間，從而保證了實時通信。

（5） CAN信息的每一幀都有CRC校驗和其他錯誤檢測措施，這確保了數據通信的可靠性。

第三，CAN總線在電動汽車中的應用

CAN總線在電動汽車中的應用具有以下優點。

（1） 減少每個功能模塊所需的線束數量和體積。

（2） 降低了整車質量和車輛成本，數據傳輸可靠性高，安裝方便，擴展了車輛功能。

（3） 一些數據，如車速、電機轉速和SOC，可以在總線上共享，因此去除了冗余傳感器，以最大限度地減少傳感器信號線，控制單元可以實現高速數據傳輸。

（4） 您可以通過添加節點來擴展該功能。如果在數據擴展中添加了新信息，則只需要升級軟件即可。

（5） 實時監測和糾正電磁干擾引起的傳輸錯誤，并在檢測到故障后存儲故障代碼。

目前，有許多汽車網絡標準，側重于不同的功能。為了便于研究、設計和應用，SAE車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網絡分為A、B和C3類。

面向傳感器/執行器控制的A類低速網絡，數據傳輸比特率通常只有1~10kB/s。。主要用于電動門窗、座椅調節和照明控制。

b類是用于獨立模塊之間數據共享的中速網絡，其比特率通常為10~100kb/s。它主要用于電子車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示和安全氣囊系統，以減少冗余傳感器和其他電子部件。

面向高速、實時閉環控制的C級多路傳輸網絡，最高比特率可達1Mb/s，主要用于懸架控制、牽引力控制、先進的發動機控制和ABS系統，以簡化分布式控制，進一步減少車身線束。到目前為止，唯一符合C類網絡要求的汽車控制局域網是CAN協議。

第四，方案設計

該系統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、蓄電池控制模塊、儀表顯示模塊和故障診斷模塊組成。控制模塊之間的信息通信是真實的……

通過CAN。除了發送和接收指令外，汽車的一些基本狀態信息（如電機速度、電池充電狀態、車速等）是大多數控制單元必須獲得的數據，控制單元通過廣播向總線發送數據。

如果所有控制單元同時向總線發送數據，則總線上將出現數據沖突。因此，CAN總線協議提出了帶有標識符的總線仲裁來識別數據優先級。表1顯示了電動汽車電子控制單元接收和發送的數據類型，以及其他單元共享這些信息的程序。

1.模塊單元電路框圖

通用擴展單元（UDU）用于高速CAN上節點的硬件設計。這樣，只需更改軟件即可實現每個節點的不同功能，從而簡化了硬件系統設計。

它是一款低電壓、高性能的CMOS8位單片機，包含8kB可擦除只讀程序存儲器（EPROM）和256B隨機存取數據存儲器（RAM），與標準MCS251指令系統兼容，并具有通用的8位中央處理單元和閃存單元，可應用于復雜系統的許多控制應用。

CAN控制器采用飛利浦公司生產的SJA1000，是一種用于汽車和一般工業環境的獨立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協議所需的所有必要特性。SJA1000具有簡單的總線連接，可以完成物理層和數據鏈路層的所有功能。它可以存儲要在CAN總線上發送或接收的完整信息。此外，它還有一個64字節的擴展接收緩沖器REFIFO，它有一個更大的接收緩沖器。當微控制器正在處理一條消息時，它可以繼續接收其他消息。

總線收發器采用PCA82C250，在協議控制器和物理傳輸線之間提供直接接口，可以在兩條具有差分電壓的總線電纜上以高達1MB/s的速率傳輸數據。

鉸接節點的最大數量可以達到110個。使用PCA82C250可以增加通信距離，提高系統的瞬時抗干擾能力，減少射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同構成了CAN總線的控制和接口電路。

2.電池管理控制系統設計

電池是影響電動汽車性能的關鍵因素，它將直接影響續航里程、加速性能和最大爬坡程度。電池控制系統主要監測電池的工作狀態（電池電壓、電流和溫度），并管理電池的工作狀況（避免過放電、過充電、過熱和單個電池之間的嚴重電壓不平衡），以最大限度地利用電池的儲能能力和循環壽命。其結構如圖3所示。

該系統主要實現以下功能。

（1） 對主電池和輔助電池進行實時監控。通過UDU采集主電池和輔助電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，以監測電池的工作狀態并進行故障診斷。

（2） UDU從總線接收車輛運行狀態數據，并根據車輛功率需求實時調整電機轉速和功率輸出；

當接收到制動信息時，控制單元調節逆變器和電動機的動作，并啟動再生制動系統以回收制動能量。

（3） 預測剩余電池電量和相應的剩余行駛里程控制單元通過使用收集的充電和放電電流參數以及相應的算法來預測剩余電池功率。同時，通過使用從公交車接收的速度信息來估計剩余里程，并通過公交車將估計結果發送到儀表顯示單元。

3.系統可靠性設計

由于溫度范圍廣（-45~100℃），電磁干擾等電子噪聲強，環境惡劣，為了保證系統在車內運行的可靠性，需要提高網絡結構本身的容錯和抗干擾能力。

在設計中，采用了軟硬件結合的方法進行抗干擾。

硬件采用電磁兼容設計，重點處理傳輸線路和電路引入的靜電場、磁場和干擾，并通過濾波、去耦、隔離、屏蔽和接地等方式增加電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。

（1） 傳輸線采用屏蔽雙絞線。

（2） 使用看門狗計時器重置超時。

（3） CAN控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離裝置6N137組成的光電隔離電路，電源也通過微型DC/DC模塊隔離。

（4） 將PCA82C250的CANH和CANL通過一個5Ω電阻器連接到CAN總線上，該電阻器可以限制電流并保護PCA82C50免受過電流影響，并將CANH和CAN與一個30pF電容器并聯接地，該電容器還可以過濾總線上的高頻干擾。

（5） 傳輸介質或總線驅動器的損壞會破壞CAN的可靠通信。如果這些故障不能被自動檢測和消除，系統的通信能力將部分甚至完全喪失。解決這一問題的有效方法是采用冗余通信控制，以確保通信系統主要功能的正常運行，提高系統的可靠性。

在軟件方面，采用了誤差比較和容錯技術，通過軟件對信號進行濾波，設計了上電復位的抗干擾程序，并利用有效性保險技術設計了抗瞬時干擾程序。

五、結論

本文介紹了CAN總線的特點及其在電動汽車中的應用，設計了基于CAN總線的電動汽車整車控制系統的節點設置，并引入了一個通用的擴展單元來簡化系統的硬件設計，并優化影響電動汽車性能的電池管理控制單元的設計。該系統具有結構緊湊、可靠性高、功能完善、成本低的優點，能夠更好地滿足電動汽車的工作要求。

標簽：奔馳寶馬世紀大眾RAM

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