純電動(dòng)汽車(chē)CAN總線應(yīng)用整車(chē)控制策略研究與經(jīng)驗(yàn)

純電動(dòng)汽車(chē)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展背景

汽車(chē)享有“第一商品”的美譽(yù)，因?yàn)?，汽?chē)工業(yè)的發(fā)展，可以帶動(dòng)眾多產(chǎn)業(yè)發(fā)展。一輛轎車(chē)的零部件數(shù)以萬(wàn)計(jì)，附加值很高，一輛車(chē)背后是一系列的產(chǎn)業(yè)。因此，汽車(chē)工業(yè)也就成為了衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平和綜合科技水平的重要標(biāo)志。

我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)水平落后先進(jìn)國(guó)家，短時(shí)間內(nèi)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域是不可能消除差距的，中國(guó)大規(guī)模發(fā)展然后車(chē)動(dòng)力汽車(chē)在環(huán)境、資源、技術(shù)等方面面臨嚴(yán)重壓力，所以，從國(guó)內(nèi)的資源和環(huán)境條件，也要求中國(guó)在未來(lái)的汽車(chē)工業(yè)必須探索新的思路。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，轎車(chē)成為我國(guó)居民消費(fèi)的主要商品之一，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)也將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展的機(jī)遇，發(fā)展燃油車(chē)，會(huì)依賴石油資源需求的激增，同時(shí)會(huì)造成對(duì)環(huán)境、環(huán)保的負(fù)面影響，電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)正在引發(fā)世界汽車(chē)工業(yè)一場(chǎng)革命，展現(xiàn)了中國(guó)企業(yè)工業(yè)的光明未來(lái)。近些年來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲的一些國(guó)家和跨國(guó)公司已經(jīng)投入大量資金和研發(fā)投入，我國(guó)也奮起自追，積極投入電動(dòng)汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，目前新能源車(chē)在市場(chǎng)、整車(chē)、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(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，我們和世界發(fā)達(dá)國(guó)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(mǎi)過(guò)汽車(chē)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(guó)還有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樯a(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的更改，而且是設(shè)計(jì)、制造、材料、電氣、控制和整個(gè)社會(huì)服務(wù)體系的全面變革，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，沒(méi)有包袱，市場(chǎng)巨大，生存空間充足。

此外，我們還可以通過(guò)開(kāi)發(fā)自主的電動(dòng)汽車(chē)，申請(qǐng)專利、制定標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)自己的汽車(chē)工業(yè)。加入世貿(mào)組織后，再靠關(guān)稅、政府政策來(lái)保護(hù)本國(guó)利益已經(jīng)不行了，一流企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家也一樣，這是產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則。電動(dòng)汽車(chē)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(guó)的合法權(quán)益。

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)走在國(guó)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(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。

純電動(dòng)汽車(chē)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(guó)家計(jì)量、環(huán)保部等，用一年時(shí)間研究了純電動(dòng)汽車(chē)和重型燃油車(chē)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(dòng)汽車(chē)CAN總線應(yīng)用層和開(kāi)發(fā)CAN總線整車(chē)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(dòng)程序。在充分理解整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，參考SAE J1939協(xié)議定制符合電動(dòng)汽車(chē)特點(diǎn)又兼容混合動(dòng)力汽車(chē)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(shí) 是在CAN中比較復(fù)雜的內(nèi)容，現(xiàn)有的CAN總線方面對(duì)位定時(shí)講解的過(guò)于含糊而且不統(tǒng)一，在純電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)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(jì)了符合電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的調(diào)試測(cè)試環(huán)境，還在CAN總線系統(tǒng)測(cè)試指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)出指定車(chē)型的CAN總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的DBC文件。

純電動(dòng)汽車(chē)各ECU單元的作用

在純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)中，主要包括4個(gè)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(dòng)汽車(chē)的大腦，它起到控制全局的作用，主控制器ECU接受汽車(chē)上傳感器的信息，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算，編碼為CAN報(bào)文，發(fā)送到總線上控制其他節(jié)點(diǎn)的工作。同時(shí)，將一些整車(chē)相關(guān)的信息（車(chē)速、電池SCO、踏板位置、電池狀態(tài)、門(mén)鎖信息）在組合儀表上顯示出來(lái)。其中最核心的就是通過(guò)傳感器的輸入值與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及汽車(chē)工況等條件計(jì)算出合適的電機(jī)扭矩值，通過(guò)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(kāi)關(guān)，使得整個(gè)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(dòng)汽車(chē)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(lái)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(dòng)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(dòng)汽車(chē)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(shí)電池不成組，每塊電池的電壓不超過(guò)5V，這樣由于單個(gè)電池的性能差異，就需要在電池充放電過(guò)程中經(jīng)常要均衡電壓，保證電池性能，這個(gè)由BMS電池管理系統(tǒng)來(lái)控制。BMS等同于電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(duì)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)記錄和實(shí)時(shí)報(bào)警，還提供了離線分析功能在純電動(dòng)汽車(chē)調(diào)試階段對(duì)主控制器主要計(jì)算參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。各個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的空間，將相關(guān)的數(shù)據(jù)放到一個(gè)報(bào)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(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)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(chē)狀態(tài)、充電狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、車(chē)輛前進(jìn)和后退狀態(tài)、回饋制動(dòng)狀態(tài)、機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)、一般故障狀態(tài)、重大故障狀態(tài)。純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)正是通過(guò)CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊和傳遞參數(shù)，將各個(gè)分散的節(jié)點(diǎn)連成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，把每個(gè)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)（定位時(shí)、總線終端匹配阻抗、CAN驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)和DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)）這也是CAN調(diào)試中的難點(diǎn)。

CAN總線定位時(shí)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(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。接收端在相當(dāng)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流中保持位同步。必須俄能識(shí)別每個(gè)二進(jìn)制位是從什么時(shí)候開(kāi)始的。為此，對(duì)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(guò)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(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘嚴(yán)格一致，采用接收器通過(guò)調(diào)節(jié)器從數(shù)據(jù)中提出同步信號(hào)或者是接收器和發(fā)送器統(tǒng)一時(shí)鐘的方法，CAN總線的定位時(shí)在系統(tǒng)位編碼/解碼時(shí)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(gè)不同的時(shí)段：在預(yù)分頻倍數(shù)確定時(shí)，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(lái)了，而其他幾個(gè)時(shí)間段是可變的，所有，我們可以發(fā)現(xiàn)在位定時(shí)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(zhǎng)度和總線節(jié)點(diǎn)的振蕩器容差來(lái)確定。

如果要獲得一個(gè)給定速率下的最大總線長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)度的矛盾，所以需要我們優(yōu)化位定時(shí)參數(shù)，使得系統(tǒng)獲得更大的振蕩器容差和最大總線長(zhǎng)度。