純電動汽車CAN總線應(yīng)用整車控制策略研究與經(jīng)驗

純電動汽車的國內(nèi)外發(fā)展背景

汽車享有“第一商品”的美譽(yù)，因為，汽車工業(yè)的發(fā)展，可以帶動眾多產(chǎn)業(yè)發(fā)展。一輛轎車的零部件數(shù)以萬計，附加值很高，一輛車背后是一系列的產(chǎn)業(yè)。因此，汽車工業(yè)也就成為了衡量一個國家工業(yè)化水平和綜合科技水平的重要標(biāo)志。

我國的汽車工業(yè)水平落后先進(jìn)國家，短時間內(nèi)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域是不可能消除差距的，中國大規(guī)模發(fā)展然后車動力汽車在環(huán)境、資源、技術(shù)等方面面臨嚴(yán)重壓力，所以，從國內(nèi)的資源和環(huán)境條件，也要求中國在未來的汽車工業(yè)必須探索新的思路。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，轎車成為我國居民消費(fèi)的主要商品之一，我國汽車工業(yè)也將迎來一個快速發(fā)展的機(jī)遇，發(fā)展燃油車，會依賴石油資源需求的激增，同時會造成對環(huán)境、環(huán)保的負(fù)面影響，電動汽車恰好避免或者減少這些不利因素。

當(dāng)代融合多種高新技術(shù)企業(yè)而興起的純電動汽車、混合動力汽車正在引發(fā)世界汽車工業(yè)一場革命，展現(xiàn)了中國企業(yè)工業(yè)的光明未來。近些年來，美國、日本、歐洲的一些國家和跨國公司已經(jīng)投入大量資金和研發(fā)投入，我國也奮起自追，積極投入電動汽車研究與開發(fā)，目前新能源車在市場、整車、生產(chǎn)、應(yīng)用等多方面實(shí)現(xiàn)了趕超和創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化。

在電動汽車領(lǐng)域，我們和世界發(fā)達(dá)國家處于同一起跑線，不少方面還處于世界領(lǐng)先地位，這為我買過汽車工業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展提供了一次歷史性的機(jī)遇。更重要的是我國還有后發(fā)優(yōu)勢，因為生產(chǎn)電動汽車不僅僅是發(fā)動機(jī)的更改，而且是設(shè)計、制造、材料、電氣、控制和整個社會服務(wù)體系的全面變革，我國電動汽車發(fā)展，沒有包袱，市場巨大，生存空間充足。

此外，我們還可以通過開發(fā)自主的電動汽車，申請專利、制定標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)自己的汽車工業(yè)。加入世貿(mào)組織后，再靠關(guān)稅、政府政策來保護(hù)本國利益已經(jīng)不行了，一流企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn)，國家也一樣，這是產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則。電動汽車的零排放標(biāo)準(zhǔn)及低排放控制政策就可以很好的保護(hù)本國的合法權(quán)益。

我國電動汽車開發(fā)走在國際的前列，目前還需要攻破關(guān)鍵的電池技術(shù)，電機(jī)和電控基本已經(jīng)完善，面向世界推出純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。

純電動汽車CAN總線實(shí)際應(yīng)用

2016年，速銳得科技與中汽中心、清華大學(xué)、國家計量、環(huán)保部等，用一年時間研究了純電動汽車和重型燃油車排放等標(biāo)準(zhǔn)。速銳得作為合作方，主要任務(wù)是定制純電動汽車CAN總線應(yīng)用層和開發(fā)CAN總線整車控制策略節(jié)點(diǎn)的軟件部分和主控制器CAN總線底層DBC驅(qū)動程序。在充分理解整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，參考SAE J1939協(xié)議定制符合電動汽車特點(diǎn)又兼容混合動力汽車的CAN總線協(xié)議，定制完成后，將適配好的DBC文件提交中汽中心。

CAN總線位定時 是在CAN中比較復(fù)雜的內(nèi)容，現(xiàn)有的CAN總線方面對位定時講解的過于含糊而且不統(tǒng)一，在純電動汽車系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們實(shí)際使用了遠(yuǎn)不止幾款CAN芯片，在SAE J1939的基礎(chǔ)和CAN 2.0B基礎(chǔ)上，設(shè)計了符合電動汽車特點(diǎn)的CAN總線協(xié)議，引入了調(diào)度算法，提高了系統(tǒng)的性能，給純電動汽車系統(tǒng)提供了一個良好的調(diào)試測試環(huán)境，還在CAN總線系統(tǒng)測試指導(dǎo)下，開發(fā)出指定車型的CAN總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的DBC文件。

純電動汽車各ECU單元的作用

在純電動汽車控制系統(tǒng)中，主要包括4個節(jié)點(diǎn)，即主控制器ECU、電機(jī)控制ECU、電池管理系統(tǒng)BMS及CAN總線控制單元。

主控制器ECU相當(dāng)于純電動汽車的大腦，它起到控制全局的作用，主控制器ECU接受汽車上傳感器的信息，通過A/D轉(zhuǎn)換后計算，編碼為CAN報文，發(fā)送到總線上控制其他節(jié)點(diǎn)的工作。同時，將一些整車相關(guān)的信息（車速、電池SCO、踏板位置、電池狀態(tài)、門鎖信息）在組合儀表上顯示出來。其中最核心的就是通過傳感器的輸入值與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及汽車工況等條件計算出合適的電機(jī)扭矩值，通過CAN總線發(fā)送到電機(jī)控制系統(tǒng)，指揮電機(jī)正確工作。另外，主控制器ECU還控制主繼電器的開關(guān)，使得整個系統(tǒng)上電和斷電，行業(yè)有的把這些集成在VCU里面。

電機(jī)控制ECU相當(dāng)于純電動汽車的四肢，它的主要工作是主控制器發(fā)送扭矩值為輸入值，采用雙閉環(huán)控制來調(diào)速電機(jī)，使電機(jī)工作在需要的轉(zhuǎn)速下，根據(jù)電動機(jī)的溫度變化控制電機(jī)的冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇，從而有效的調(diào)節(jié)電機(jī)溫度。

純電動汽車的電池是有幾十塊單體電池成組供電的，并能保證在不供電時電池不成組，每塊電池的電壓不超過5V，這樣由于單個電池的性能差異，就需要在電池充放電過程中經(jīng)常要均衡電壓，保證電池性能，這個由BMS電池管理系統(tǒng)來控制。BMS等同于電動汽車血液循環(huán)的心臟，電池為血液循環(huán)及能量系統(tǒng)。

純電動汽車CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線控制單元主要是在不干擾總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)時記錄和實(shí)時報警，還提供了離線分析功能在純電動汽車調(diào)試階段對主控制器主要計算參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。各個子系統(tǒng)依靠CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個分布式系統(tǒng)的控制功能，為了充分利用總線的帶寬，合理分配了8個數(shù)據(jù)字節(jié)的空間，將相關(guān)的數(shù)據(jù)放到一個報文里進(jìn)行傳輸，保證數(shù)據(jù)幀有效信息傳輸比重。

在純電動汽車運(yùn)行過程中，是一些固定的工作狀態(tài)之間進(jìn)行切換，一般有停車狀態(tài)、充電狀態(tài)、啟動狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、車輛前進(jìn)和后退狀態(tài)、回饋制動狀態(tài)、機(jī)械制動狀態(tài)、一般故障狀態(tài)、重大故障狀態(tài)。純電動汽車控制系統(tǒng)正是通過CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊和傳遞參數(shù)，將各個分散的節(jié)點(diǎn)連成一個閉環(huán)系統(tǒng)，把每個節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)發(fā)揮到最好，在CAN總線技術(shù)總有幾個關(guān)鍵技術(shù)（定位時、總線終端匹配阻抗、CAN驅(qū)動器電路設(shè)計和DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計）這也是CAN調(diào)試中的難點(diǎn)。

CAN總線定位時本質(zhì)上和總線的同步是緊密相關(guān)聯(lián)的，CAN總線系統(tǒng)的收/發(fā)雙方必須以同步時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。接收端在相當(dāng)長的數(shù)據(jù)流中保持位同步。必須俄能識別每個二進(jìn)制位是從什么時候開始的。為此，對于硬件終端的處理能力提出了高處理能力的需求，如果是直接通過4G/5G遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆贫?，目前行業(yè)內(nèi)可能成熟的產(chǎn)品有速銳得的V81。為保證接收時鐘和發(fā)送時鐘嚴(yán)格一致，采用接收器通過調(diào)節(jié)器從數(shù)據(jù)中提出同步信號或者是接收器和發(fā)送器統(tǒng)一時鐘的方法，CAN總線的定位時在系統(tǒng)位編碼/解碼時采用自有的方式保證系統(tǒng)同步。

CAN總線的一位按照功能的不同分為幾個不同的時段：在預(yù)分頻倍數(shù)確定時，一定波特率的CAN總線系統(tǒng)的同步段就是已經(jīng)確定下來了，而其他幾個時間段是可變的，所有，我們可以發(fā)現(xiàn)在位定時配置中可以存在幾組不同的參數(shù)都可以滿足波特率的要求，應(yīng)用這些參數(shù)，系統(tǒng)基本上可以正常運(yùn)行。但是在這些組的參數(shù)中，存在一組最優(yōu)的，這組最優(yōu)的配置參數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)的最大總線長度和總線節(jié)點(diǎn)的振蕩器容差來確定。

如果要獲得一個給定速率下的最大總線長度，就應(yīng)考慮采樣點(diǎn)應(yīng)該盡可能接近周期的末尾處。如果要使系統(tǒng)中每個節(jié)點(diǎn)可以有更大的振蕩器容差，則需要在位周期中點(diǎn)附近選擇采樣點(diǎn)，正是由于振蕩器容差和總線長度的矛盾，所以需要我們優(yōu)化位定時參數(shù)，使得系統(tǒng)獲得更大的振蕩器容差和最大總線長度。