純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊課件

1、純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,1,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN,2010-5-9,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,2,發(fā)展概況,在全球提倡環(huán)境保護(hù)和石油能源緊縮的情況下，傳統(tǒng)汽車已經(jīng)不能適應(yīng)人們的節(jié)能減排需求，新型汽車紛紛興起。 純電動(dòng)車EV是未來(lái)汽車發(fā)展的目標(biāo)，但受限于電池技術(shù)，安全性和性能得不到保障，成本高昂。 在這種情況下，混合動(dòng)力微車HEV作為過渡模式具有很高的市場(chǎng)契合度，成本較低，受電池技術(shù)限制較小，性能與安全性都有很高的保障性，預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)會(huì)占據(jù)適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額，加上國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)處于萌芽狀態(tài)，在此時(shí)介入是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，混合動(dòng)力微車配備小排量發(fā)動(dòng)機(jī)與

2、小功率電動(dòng)機(jī)，相關(guān)電力設(shè)備較為復(fù)雜，因此整車的電器保護(hù)與電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是必不可少的,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,3,整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,發(fā)動(dòng)機(jī),純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,4,電氣系統(tǒng)整體配置框圖,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,5,整車以車輛管理單元（VMU）作為主控制單元，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元（PMU）、電池管理系統(tǒng)（BMU）、CVT和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU及相關(guān)控制電器作為從控制單元，以發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池組作為控制對(duì)象。 車輛管理單元是整車控制的核心，以整車的性能最優(yōu)為目標(biāo)，控制車輛的運(yùn)行狀態(tài)、能源分配，協(xié)調(diào)和發(fā)揮各部分的優(yōu)勢(shì)。其功能如下： （1）汽車驅(qū)動(dòng)控制功能

3、根據(jù)駕駛員的要求以及相應(yīng)的車輛運(yùn)行狀態(tài)、工況，計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)滿足工況要求。 （2）制動(dòng)能量回饋控制根據(jù)制動(dòng)踏板的開度、車輛行駛狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)的信息，確定制動(dòng)模式和制動(dòng)力矩。 （3）整車能量管理控制能量消耗，對(duì)蓄電池、輔助動(dòng)力源和車載其他動(dòng)力系統(tǒng)統(tǒng)一管理，提高整車能量利用率，增加續(xù)駛里程,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,6,4）故障診斷及保障提供安全和診斷服務(wù)，充電和驅(qū)動(dòng)時(shí)的安全保障，故障的診斷監(jiān)控車輛溫度、冷卻系統(tǒng)、車輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視主要設(shè)備的過電流、過電壓、欠電壓、過熱，必要時(shí)切斷主斷路器。 （5）車輛狀態(tài)監(jiān)視通過通訊網(wǎng)絡(luò)采集車輛狀態(tài)信息，通過

4、人機(jī)界面顯示給司機(jī)。 （6）通訊管理整車通訊的主節(jié)點(diǎn)，接收來(lái)自電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、電池管理系統(tǒng)、人機(jī)界面的所有信息，發(fā)送電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定力矩、正反轉(zhuǎn)信息，各個(gè)部件的啟動(dòng)停止命令，車輛的工作模式和整車的運(yùn)行狀況等,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,7,整車通信網(wǎng)絡(luò),對(duì)于混合動(dòng)力汽車，很多部分都由獨(dú)立的電子控制器進(jìn)行控制。為了將整個(gè)電動(dòng)汽車內(nèi)各系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，我們采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。 CAN網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種，它是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，稱為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN網(wǎng)絡(luò)原本是德國(guó)BOSCH公司為歐洲汽車市場(chǎng)

5、所開發(fā)的。CAN推出之初是用于汽車內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。在現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN總線被廣泛的采用，奔馳、寶馬、大眾等汽車都采用了CAN總線進(jìn)行控制器的聯(lián)網(wǎng),純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,8,CAN總線的特點(diǎn)如下： （1）數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率高 根據(jù)物理層實(shí)現(xiàn)的不同最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)10km，最高傳輸速率可達(dá)1Mbit/s。 （2）多主、廣播式通信 CAN通信網(wǎng)絡(luò)沒有網(wǎng)絡(luò)地址之分，各個(gè)主設(shè)備的通信采用廣播式通信。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符決定接收或屏蔽該報(bào)文。原理上網(wǎng)絡(luò)可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量不限，但局限于物理層實(shí)現(xiàn)。 （3）CSMA/CD+AMP總

6、線訪問仲裁機(jī)制 CAN總線采用CSMA/CD+AMP總線訪問仲裁機(jī)制。各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)總線出現(xiàn)空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才允許發(fā)送數(shù)據(jù)。而當(dāng)總線上同時(shí)有超過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳送報(bào)文時(shí)，則采用“無(wú)損逐位仲裁”的方法來(lái)仲裁總線控制,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,9,權(quán)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文擁有最高優(yōu)先權(quán)，沒有來(lái)得及發(fā)送的報(bào)文則等待并重新發(fā)送。報(bào)文的優(yōu)先級(jí)由報(bào)文的標(biāo)識(shí)符決定。這樣擁有較高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文會(huì)贏得仲裁并能夠保證在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)送成功，從而保證了通訊的實(shí)時(shí)性。 （4）高安全性，可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)和處理機(jī)制 CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)。節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)切斷

7、的功能。 整車控制系統(tǒng)主要由6個(gè)部分7個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，6個(gè)部分是：車輛管理單元、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元、CVT與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、人機(jī)界面和狀態(tài)傳感器。7個(gè)節(jié)點(diǎn)是：車輛管理單元、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元、CVT與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、加速踏板、制動(dòng)踏板和人機(jī)界面。其中車輛控制單元是主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn),純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,10,人機(jī)界面,整車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下所示,CVT與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU,車輛管理單元,電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元,電池管理系統(tǒng),CAN總線,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,11,HEVCAN總線節(jié)點(diǎn)分析表,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,12,C

8、AN通信原理,現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它只具有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而與 OSI 不完全保持一致。按照 OSI 基準(zhǔn)模型，CAN 結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 物理層應(yīng)給出系統(tǒng)的電氣規(guī)約：總線負(fù)載、傳送速率（波特率）、物理信號(hào)定義、總線故障檢測(cè)方法、電纜選擇、系統(tǒng)的機(jī)械和電氣接口等。 數(shù)據(jù)鏈路層需給出報(bào)文結(jié)構(gòu)（幀格式）的定義，在遵循 CAN2.0A/B 的基礎(chǔ)上，仲裁場(chǎng)必須遵循 SAE J1939 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于標(biāo)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其數(shù)據(jù)場(chǎng)還必須遵循 CCP 協(xié)議。 CAN 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收以四種不同類型的幀形式出現(xiàn)和控制，其中：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器；遠(yuǎn)程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以請(qǐng)

9、求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀；出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以檢測(cè)總線錯(cuò)誤，而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。此外，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀間空間同先前幀隔開,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,13,因出錯(cuò)幀和超載幀由硬件（集成芯片）自動(dòng)發(fā)送，設(shè)計(jì)員直接面臨的是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，而汽車控制通信網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)程幀的使用甚少，因此我們只要研究與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)幀由 7 個(gè)不同的位場(chǎng)組成：即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度可為 0。CAN 協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)信息幀和擴(kuò)展信息幀兩種格式，區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)幀采用 11 位標(biāo)識(shí)符（ID）,而擴(kuò)展幀采用 29 位標(biāo)識(shí)

10、符。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀如圖所示。 各個(gè)位場(chǎng)定義如下： （1） SOF（幀起始）：標(biāo)志總線空閑狀態(tài)，并使所有站點(diǎn)同步； （2）仲裁場(chǎng)：標(biāo)準(zhǔn)格式幀的 RTR 位為遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，可用于要求數(shù)據(jù)。擴(kuò)展格式幀的 SRR位為替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，IDE 為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)位,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,14,3) 控制場(chǎng)：共 6 位，DLC 告知隨后的數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度。 （4）數(shù)據(jù)場(chǎng)：共 064 位，即 8 個(gè)字節(jié)，包含將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 （5）校驗(yàn)場(chǎng)：共 16 位，包含一個(gè)檢測(cè)字，用于自動(dòng)檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤。 （6）應(yīng)答場(chǎng)：共 2 位，當(dāng)其它節(jié)點(diǎn)接收正確時(shí)，給出信號(hào)。 （7）EOF（幀結(jié)束）：共 7 位，標(biāo)志通信

11、結(jié)束,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,15,CAN的分層結(jié)構(gòu),純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,16,標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,17,CAN報(bào)文格式,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,18,優(yōu)先級(jí)(P) : 3位，它共分為8級(jí)(即0到7)，其中0最高，7最低。一般面向控制的信息優(yōu)先級(jí)為3，面向數(shù)據(jù)的信息優(yōu)先級(jí)為6。在系統(tǒng)中，要求響應(yīng)速度越快的控制子系統(tǒng)其控制信息優(yōu)先級(jí)越高。 保留位(R) :1位，此位清零，留待SAE將來(lái)使用。 數(shù)據(jù)頁(yè)(DP) : 1位，分為0頁(yè)和1頁(yè)。DP用來(lái)做數(shù)據(jù)頁(yè)的選擇，目前參數(shù)群編號(hào)PGN(包括保留位、數(shù)據(jù)頁(yè)、

12、PDU格式和特定PDU四個(gè)部分)大部分定義在0頁(yè)，1頁(yè)供將來(lái)擴(kuò)展使用。 源地址(SA): 8位，網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)特定的源地址僅匹配一個(gè)裝置以確保CAN標(biāo)識(shí)符的唯一性。 數(shù)據(jù)域:CAN數(shù)據(jù)幀只有8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)域，因此如果所要發(fā)送的數(shù)據(jù)超過8字節(jié)，就應(yīng)該分成幾個(gè)數(shù)據(jù)幀來(lái)分批發(fā)送。數(shù)據(jù)域的第一個(gè)字節(jié)從1開始作為報(bào)文的序號(hào)，后7個(gè)字節(jié)用來(lái)存放數(shù)據(jù)，所以PDU1格式和PDU2格式一共最多可以發(fā)送255 X 7 =1785個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，報(bào)文被接收以后按序號(hào)重新組合成原來(lái)的數(shù)據(jù)。當(dāng)傳遞速率大于10次/S時(shí)，則不允許多幀發(fā)送,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,19,SAE J1939中，信息優(yōu)先級(jí)順序,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,20,CN2004B DATA定義格式與ID定義,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,21,ID解析,純電動(dòng)汽車整車電氣設(shè)計(jì)及整車CAN通訊,22,總結(jié)與展望,近期做了很多關(guān)于整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作，但還有很多不足： （1）整車電氣設(shè)計(jì)的合理性，與各位同事所作部分的兼容性； （2）CAN總線通信剛剛上手，節(jié)點(diǎn)分配與協(xié)議部分都比較生澀； （3）僅對(duì)整車電氣系統(tǒng)有個(gè)整體的了解，具體到各子系統(tǒng)所需的電壓、電流、功率范圍、工作狀態(tài)、信息交換的概念還比較模糊； 接下來(lái)一段時(shí)間的工作重心要