某純電動汽車CAN網絡設計

何清華， 成艾國

（湖南大學機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082）

世界能源與環境問題引起越來越多人的關注，各行各業紛紛采取一系列的節能環保措施。而在汽車行業，人們則把希望寄托于新能源車。各種研究機構先后對新能源車關鍵技術進行研究，企業相繼開展新能源車的試制，政府出臺各項舉措，大力支持鼓勵新能源車研究與使用。

CAN總線一致被認為是汽車領域最有前途的現場總線。雖然國內對CAN總線的研究都還處于起步階段，國家還是將它列為新能源車必須的通信方式。在這種情況下，如何將CAN更好地應用于新能源車就成為亟待解決的問題之一。本文以純電動汽車為例，介紹了其設計中CAN網絡的開發過程。

1 CAN概述

1.1 CAN的起源與發展

CAN全稱為控制器局域網絡 （Controller Area Network），其本質是一種串行總線系統的通信協議。

1983年，Bosch開始研究應用于汽車的串行總線系統，并于1986年在SAE大會上首次公布CAN協議。1991年，CAN最先在Benz S系列轎車上實現。時至今日，除了CAN2.0規范、ISO 11898等底層協議之外，各領域不同企業相繼制訂了CAN應用層協議。汽車行業最廣為人知的如J1939、GMLAN、CANopen等。總之，CAN總線在其產生后的短短幾十年內，迅速獲得了許多行業的認可與青睞。

1.2 CAN2.0協議

依照ISO的OSI參考模型的分層標準，CAN被分為物理層、數據鏈路層及應用層。

物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位的實際傳輸。它涉及到位時間、位編碼、同步等內容。CAN2.0協議沒有定義物理層的驅動器/接收器特性，允許使用者根據應用，對發送媒體和信號電平進行優化。

數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層 （LLC）和媒體訪問控制子層 （MAC）。MAC子層是CAN2.0協議的核心，它把接收到的報文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報文。MAC子層負責報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。

CAN2.0協議沒有對應用層做任何規定，應用層協議一般由使用者定義。

1.3 CAN在純電動汽車上的應用現狀

眾所周知，CAN網絡是為汽車上越來越多的ECU間的通信而開發的。與傳統的總線通信相比，它具有簡單可靠、節約空間、輕量化等顯著優點。而與目前普遍使用的LIN總線相比，它的優點在于傳輸速率高。鑒于動力系統對實時性的要求，CAN總線更適用于動力系統。當然，除了CAN總線之外，MOST總線與FlexRay總線近年也得到一些應用。其中前者傳輸信息量大，多用于信息娛樂系統；后者實時性高，常見于線控轉向、制動等系統。雖然有不少專家預言，未來FlexRay將取代CAN，但同時他們也承認，CAN總線將在相當長的時間內得到普遍應用。

國家陸續出臺相關政策法規鼓勵引導新能源車，尤其是純電動汽車產業的發展。而純電動汽車的三大核心技術:動力電池、電機及整車控制器，均與CAN總線息息相關，企業要掌握這3項技術，必須突破CAN總線。

2 純電動汽車CAN網絡設計

2.1 節點設計

本純電動汽車的整車動力系統由鋰電池與電機組成。另外，為確保動力系統正常工作，相應的管理系統是必不可少的，如電池管理系統 （BMS）、電機控制器、整車控制器等，整個CAN網絡的結構見圖1。本車CAN網絡節點有6個，分別為整車控制器 （VCU）、 顯示ECU （DISPLAY）、 電池管理系統（BMS）、 電機控制器 （MOTORMANAGE）、 高壓電控制器 （HIGHVOLTAGE）及電動助力轉向系統（EPS）。

2.2 CAN網絡設計

在汽車CAN網絡開發領域，有人提出過V形設計流程，如圖2所示。與傳統單一方向的流程相比，該流程的特點是每個過程可以指向下一過程，也可返回上一過程，甚至指向其它過程。這種指向與返回是以CAN網絡數據庫為核心內容的，所有過程都是為了最優化該數據庫。

2.2.1 網絡定義

在網絡定義階段，我們首先需要對整車需求進行分析，整合需要進行CAN通信的資源分配。一般方法是首先確定CAN網絡結構，然后對每個節點的地址、收發信號、報文等進行定義。

由于節點數量較少，無網關，因此網絡結構簡單，所有節點直接掛在總線上。物理傳輸使用屏蔽雙絞線，終端電阻120 Ω，分別在整車控制器及電機控制器內。使用29位標識符的擴展幀格式，速率250 kb/s。

按照各節點優先級，節點地址分配見表1。

表1 CAN網絡節點地址

節點地址分配完成后，需要對網絡上各個節點發送的信號及報文參數進行定義。表2舉例列出了電動助力轉向系統 （EPS）的信號相關參數。

表2 EPS信號列表

以上工作完成后，再結合整車控制策略編寫應用層協議。此時的設計工作需要落實到每個報文的數據域字節定義。

2.2.2 仿真驗證

仿真驗證就是對整個網絡進行建模仿真，以驗證之前定義的網絡完整性。隨著開發的深入，仿真一般從軟件仿真到半物理仿真。該過程可以借用一些軟件工具，如CANoe、MATLAB等。在CANoe中，可以依照以上需求文檔，逐步定義虛擬網絡節點，報文及信號，最終建立.dbc數據庫文件，然后進行軟件仿真。圖3為本車CANoe網絡仿真窗口。

2.2.3 代碼實現

代碼實現階段需要對節點通信協議、接口軟件等編寫源代碼。這一過程可以由專業代碼編寫團隊或工具完成。此處不再詳細說明。

2.2.4 測試分析

在CAN網絡設計的后期，各節點硬件設計完成，就可以將圖3中細線的虛擬節點切換到粗線的實際節點，然后進行測試分析。測試結果可以在Trace、 Data、 Graphic、 Bus Statistics等子窗口中進行觀察。其中最重要的是Bus Statistics中對整個網絡性能的分析，如總線負載率、峰值負載，以及各種類型幀的數量。圖4就是某車型CAN網絡裝車完成后，用CANoe進行測試的結果。

2.2.5 標定

在以上工作完成后，系統架構基本完成，就可以對集成系統進行測試。設計者需要編寫測試用例，分析在各種情況下系統的性能，如抗干擾性、EMC性能、總線負載率等。系統裝車后，還需要結合整車對其進行標定，即對系統參數進行修改、測試，并最終選取參數最優值，修改代碼。

2.3 設計結果驗證

本車CAN網絡搭建完成后，系統測試結果顯示各項通信正常，總線負載率在15%以內。且隨后半年時間內，每周充電1次，行駛120 km以上，整車CAN網絡運行狀況良好。表明本純電動汽車CAN網絡設計圓滿完成。

3 結束語

本文以某純電動汽車為例，介紹了CAN網絡的基本設計思路，且各節點通信正常，設計結果得到驗證。本文旨在闡述設計思路，因此對某些具體細節未做過多描述。另外，整車其它低壓電器未納入CAN網絡管理中，也未關注故障診斷。希望在后續的研究中能夠從這些方面加以改進。

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