新能源汽車電氣技術(shù) 第2版 課件 5-1.新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的認(rèn)知

新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的認(rèn)知

車載網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的新興技術(shù)領(lǐng)域，它支持汽車向智能化發(fā)展。人們把所有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接映射為一個(gè)通信介質(zhì)（總線），所有電子控制單元（ECU）共享總線、數(shù)據(jù)以位連續(xù)的形式傳輸，總線網(wǎng)絡(luò)由此產(chǎn)生。一、車載網(wǎng)絡(luò)的概念

當(dāng)今，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重要而徹底的變革。零配件供應(yīng)商的豐富想象力與汽車購買者對(duì)于舒適設(shè)備的更高要求緊密相聯(lián)，并且隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛上電控系統(tǒng)的數(shù)量不斷增多，而且功能也越來越復(fù)雜。很多汽車采用了多個(gè)電腦（ECU）。每一個(gè)電腦都需要與多個(gè)傳感器、執(zhí)行器之間發(fā)生通信，而每一個(gè)輸入、輸出信號(hào)又可以與多個(gè)電腦之間發(fā)生通信。如果每一個(gè)電控系統(tǒng)都獨(dú)立配置一整套相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器，那么將有大量的線束、接插件密布于汽車的各個(gè)部位，這樣不僅會(huì)增添汽車生產(chǎn)車間組裝工入的裝配困難以及車身重量，而且也會(huì)增加了汽車售后維修人員對(duì)故障診斷、維修的難度。另外，為了提高汽車綜合控制的準(zhǔn)確性，綜合控制系統(tǒng)也迫切需要輸入、輸出信號(hào)數(shù)據(jù)共享。二、車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述

隨著科技的發(fā)展，需求的提升，因此存在著多種車用網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的委員會(huì)將汽車的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)大致分為三類：

A類：主要是針對(duì)傳感器或執(zhí)行器操控的低速網(wǎng)絡(luò)，它的數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)來說較低，通常只有1-10kbps。多數(shù)用在燈光照明、座椅調(diào)節(jié)、電動(dòng)門窗控制等上面，在A類網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也存在著多種，目前LIN總線正在逐步發(fā)展，這種總線的協(xié)議主要是面對(duì)低端通訊，它所要求通信速率環(huán)境并不高，由單總線的方式來完成整個(gè)操控過程。三、新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)分類

B類：屬于中速的網(wǎng)絡(luò)。所面向的多數(shù)是獨(dú)立模塊，在模塊間完成對(duì)數(shù)據(jù)的共享作用，速率一般處與10-100kbps之間。一般運(yùn)用于車輛的信息控制中心，作用是診斷車輛所產(chǎn)生的各類故障，如：儀表盤故障指示燈的告警功能，各類安全氣囊和自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的自檢等。這類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括控制器、各類處理器（ECU、TCU、BMS等模塊）、局域網(wǎng)協(xié)議三個(gè)方面。在故障診斷和容錯(cuò)性能方面，控制器局域網(wǎng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，對(duì)汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性有著較高的要求，并在將來的一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)著無法替代的地位。三、新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)分類

C類：是一個(gè)面向高速，具有實(shí)時(shí)閉環(huán)控制功能的多路性數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)速率需求最多可達(dá)20Mb/s以上，主要的作用是對(duì)車載多媒體及導(dǎo)航控制、人工智能服務(wù)、牽引控制、懸架控制等，以簡(jiǎn)化式分布方法控制來減少對(duì)車身線束的需求。在這類標(biāo)準(zhǔn)中，日系和歐系汽車制造上多數(shù)上采用擁有高速通訊控制器的局域網(wǎng)。除此之外，利用3G物聯(lián)卡、4G專網(wǎng)技術(shù)結(jié)合TCU通訊模塊，使得速率性能有了大幅提高。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異，與其配套的各類控制器、執(zhí)行器功能也將會(huì)得到大幅的提升，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)進(jìn)行不斷的完善和提高。三、新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)分類四、新能源汽車車載網(wǎng)絡(luò)的要求

1.多媒體娛樂及信息系統(tǒng)

這個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸要求相對(duì)來說較高，不僅在通信的速率上，而且還要具備高帶寬或者是高速無線傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2.擁有更加安全穩(wěn)定的線控系統(tǒng)

由于這個(gè)系統(tǒng)在制動(dòng)和導(dǎo)航系統(tǒng)上所涉及的安全性很高，因此在數(shù)據(jù)交換中對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性、容錯(cuò)性有著更高的技術(shù)要求。

3.車身系統(tǒng)的控制

就此領(lǐng)域而言，已經(jīng)擁有近三十年的技術(shù)積累和廣泛的商業(yè)應(yīng)用，技術(shù)環(huán)境相對(duì)成熟。其中包括了傳統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)和電傳輔助控制系統(tǒng)。

4.支線端控制系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)主要是一些簡(jiǎn)單的電子控制單元，比如說對(duì)隨動(dòng)大燈、電動(dòng)天窗及后視鏡的控制和對(duì)載有智能傳感器車門的控制等。對(duì)LIN技術(shù)的廣泛應(yīng)用是當(dāng)下各家車企的主流方向。五、CAN總線的特點(diǎn)

隨著汽車上電子設(shè)備越來越復(fù)雜，為了減少電線數(shù)量，汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了廣泛的應(yīng)用。汽車總線在本質(zhì)上是通過某種規(guī)定的協(xié)議將汽車內(nèi)的各個(gè)電控單元連接到一起，形成一個(gè)局域網(wǎng)。各部分電控單元采集相關(guān)信息送往總線顯示，或者自身的傳感器等部件執(zhí)行總線上對(duì)應(yīng)的控制命令。所以，車輛內(nèi)部智能網(wǎng)絡(luò)一般由車輛總線和各電控單元的傳感器構(gòu)成。CAN（ControllerAreaNetwork）控制器局域網(wǎng)由德國BOSCH公司率先推出，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISOll898）。它主要為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制單元之間的數(shù)據(jù)交換和通信而設(shè)計(jì)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。六、CAN的分層結(jié)構(gòu)

CAN協(xié)議是建立在IS0/0SI標(biāo)準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上，不過其模型只取0SI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。CAN可提供高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率（此時(shí)通信距離最長為40m），直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5Kbps以下）。

CAN總線通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)地址編碼，而對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，但在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。七、CAN總線在純新能源汽車上的應(yīng)用發(fā)展

使用什么樣的能源作為動(dòng)力，是傳統(tǒng)燃油車和純新能源汽車的最大區(qū)別。也就是說，我們用動(dòng)力蓄電池和電機(jī)的組合來替代油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)集中在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力蓄電池管理，以及整車的電控三大方面。當(dāng)然，新能源汽車的控制系統(tǒng)還包括車身控制系統(tǒng)、人機(jī)顯示、真空助力系統(tǒng)等部分，每個(gè)設(shè)備都構(gòu)成了獨(dú)立的控制單元。在許多中高級(jí)汽車上，整車還配備了驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)（ASR）、安全氣囊系統(tǒng)（SRS）、巡行控制系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)控制系統(tǒng)（ABS）、空調(diào)系統(tǒng)及其他一些電控單元。越來越多的控制設(shè)備和通訊設(shè)備出現(xiàn)，使得各電子控制單元之間有了越來越密切的聯(lián)系，大量的電控單元通過總線通信構(gòu)成了基于CAN總線的汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。八、LIN規(guī)范的產(chǎn)生與發(fā)展

根據(jù)SAE分類，A類網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸位速率在1.10kbps之問。在該類網(wǎng)絡(luò)中存有多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，然而沒有一種協(xié)議能成為各大公司共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)汽車生產(chǎn)商都試圖建立起自己的低速網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，因此一直以來，A類網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)繁雜，未能得到有效的統(tǒng)一。但是這一狀況隨著LIN（LoealInterconnectNetwork）總線的推出而得到解決。

1998年，汽車制造商奧迪（Audi）公司、寶馬（BMW）公司、戴姆勒克萊斯勒（DaimlerChrysler）公司、沃爾沃（Volvo）汽車公司、大眾（Volkswagen）汽車公司、通信領(lǐng)域的專業(yè)廠商火山通信技術(shù)（VCTVolcanoCommunicationsTechnologiesl公司以及半導(dǎo)體生產(chǎn)商摩托羅拉（Motorola）公司共同創(chuàng)建了LIN協(xié)會(huì)，其目的是為汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供一個(gè)開放的A類串行總線通信標(biāo)準(zhǔn)。允許在此基礎(chǔ)上開發(fā)汽車低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且不需要使用者支付使用費(fèi)或版稅。九、LIN的分層結(jié)構(gòu)

LINl.2規(guī)范根據(jù)0SI參考模型，被分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中：

1.物理層

定義了信號(hào)如何在總線媒體上傳輸，本規(guī)范中定義了物理層的驅(qū)動(dòng)器/接收器特性。

2.數(shù)據(jù)鏈路層

1）媒體訪問控制MAC（MediumAccessContr01）子層是LIN協(xié)議的核心。它管理從LLC子層接收到的報(bào)文，也管理發(fā)送至ULLC子層的報(bào)文。MAC子層由故障界定這個(gè)管理實(shí)體監(jiān)控。

2）邏輯鏈路控制LLC（LogicalLinkLayer）子層涉及報(bào)文濾波和恢復(fù)管理的功能。十、LIN總線特點(diǎn)

LIN總線協(xié)議是一種建立在通用的scI/UART硬件接口上，并將分布在車輛不同位置的智能傳感器和執(zhí)行器連接到車內(nèi)主體網(wǎng)絡(luò)的單總線、局部互連的串行通信協(xié)議。它采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單主多從介質(zhì)訪問方式，是一種面向底層的控制協(xié)議。

LIN的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只要具有SCI的單片機(jī)都可以用作LIN網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)。除此之PbLIN網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)將該網(wǎng)絡(luò)連接到主網(wǎng)上，比如CAN網(wǎng)絡(luò)，所以LIN網(wǎng)絡(luò)不是CAN的替代品而是它的補(bǔ)充。LIN網(wǎng)絡(luò)提高了汽車分層多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的性能，降低了汽車電子控制裝置的開發(fā)、生產(chǎn)及診斷的服務(wù)成本。十一、LIN總線工作原理

報(bào)文傳輸是由報(bào)文幀的格式形成和控制。報(bào)文幀由主機(jī)任務(wù)向從機(jī)任務(wù)傳送同步和標(biāo)識(shí)符信息，并將一個(gè)從機(jī)任務(wù)的信息傳送到所有其他從機(jī)任務(wù)。主機(jī)任務(wù)位于主機(jī)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，它負(fù)責(zé)報(bào)文的進(jìn)度表、發(fā)送報(bào)文頭。從機(jī)任務(wù)位于所有的（即主機(jī)和從機(jī)）節(jié)點(diǎn)中，其中一個(gè)（主機(jī)節(jié)點(diǎn)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)）發(fā)送報(bào)文的響應(yīng)。十二、純電動(dòng)汽車的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，純新能源汽車控制系統(tǒng)中，通常包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是：網(wǎng)絡(luò)主控制單元ECU、電機(jī)控制器單元ECU、蓄電池管理系統(tǒng)單元ECU和CAN總線控制單元。十三、汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障類型

1.電源系統(tǒng)故障

汽車車載網(wǎng)絡(luò)信息傳輸系統(tǒng)的核心部分是含有通信IC芯片的電控模塊，電控模塊的正常工作電壓在10.1～15.0V。如果汽車電源系統(tǒng)提供的工作電壓低于該范圍，就會(huì)造成一些對(duì)工作電壓要求高的電控模塊出現(xiàn)短暫的停工，從而使整個(gè)汽車多路信息傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)短暫無法通信的現(xiàn)象。產(chǎn)生故障的原因主要是蓄電池、發(fā)電機(jī)、供電線路、熔斷絲等元器件有故障。

2.節(jié)點(diǎn)故障

節(jié)點(diǎn)是汽車多路信息傳輸系統(tǒng)中的電控模塊，因此節(jié)點(diǎn)故障就是電控模塊的故障。它包括軟件故障即傳輸協(xié)議或軟件程序有缺陷或沖突.這種故障一般成批出現(xiàn).且無法維修。硬件故障一般由于通訊芯片或集成電路故障，造成汽車多路信息傳輸系統(tǒng)無法正常工作。產(chǎn)生故障的原因主要是各類控制單元、傳感器等元器件有故障。

3.鏈路故障

當(dāng)汽車車載網(wǎng)絡(luò)信息傳輸系統(tǒng)的鏈路（或通信線路）出現(xiàn)故障時(shí)，如通信線路的短路、斷路，以及線路物理性質(zhì)引起的通信信號(hào)衰弱或失真，都會(huì)引起多個(gè)電控單元無法工作或電控系統(tǒng)錯(cuò)誤，使多路信息傳輸系統(tǒng)無法工作。判斷是否為鏈路故障時(shí)，一般采用示波囂或汽車專用光纖診斷儀來觀察通訊數(shù)據(jù)信號(hào)是否與標(biāo)準(zhǔn)通訊數(shù)據(jù)信號(hào)相符。十四、比亞迪E6新能源汽車車身CAN總線系統(tǒng)

比亞迪E6車身CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)采用多路傳輸?shù)募夹g(shù)原理。多路傳輸系統(tǒng)是多個(gè)模塊完成某一特定功能的電路或裝置，可以在同一通道或線路上同時(shí)傳輸多條信息。比亞迪E6CANBUS系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖所示。十五、吉利帝豪EV450CAN總線簡(jiǎn)介

CAN總線的通訊介質(zhì)是雙絞線，其中高速CAN總線的通訊速率為500kbps。雙絞線終端為2只120Ω的電阻高速CAN總線是差分總線。高速CAN總線串行數(shù)據(jù)總線(H)和高速CAN總線串行數(shù)據(jù)總線(L)從靜止或閑置電平驅(qū)動(dòng)到相反的極限。大約為2.5V的閑置電平被認(rèn)為是隱性傳輸數(shù)據(jù)并解釋為邏輯1。將線路驅(qū)動(dòng)至極限時(shí)，高速CAN總線串行數(shù)據(jù)總線(H)將升高1V而高速CAN總線串行數(shù)據(jù)總線(L)將降低1V。極限電壓差2V被認(rèn)為是顯性傳輸數(shù)據(jù)并解釋為邏輯0，如下圖所示。發(fā)送CAN信號(hào)時(shí)，電流從控制器的發(fā)送端流到CAN-H線，經(jīng)過終端電阻流入CAN-L線，再返回控制器的接收端。如果通信信號(hào)丟失，程序?qū)⑨槍?duì)各控制模塊設(shè)置失去通信故障診斷碼。該故障診斷碼可被故障診斷儀讀取。十六、吉利帝豪EV450CAN總線說明與應(yīng)用該車輛有2路CAN通訊總線。CAN總線網(wǎng)絡(luò)由以下部件組成：BCM、診斷接口(DLC)、ACM（輔助控制模塊）、ACU（安全氣囊模塊）、ABS/ESP、VCU（整車控制器）、PEPS、TCU、BMS（電池控制單元）、TEM、PEU(電機(jī)控制器)、組合儀表、空調(diào)控制器、EPB（電子駐車模塊）、轉(zhuǎn)向角傳感器、電動(dòng)壓縮機(jī)、DVD、EPS(電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向)、低速預(yù)緊控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、OBC（車載充電機(jī)）等。PEPS（無鑰匙進(jìn)入/啟動(dòng)模塊）使用LIN總線與啟動(dòng)開關(guān)、電子轉(zhuǎn)向