某純電動輕型客車CAN總線車載網絡系統開發

朱江源，常久鵬，閆　　明（濰柴動力上海研發中心，上海　201315）

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某純電動輕型客車CAN總線車載網絡系統開發

朱江源，常久鵬，閆明
（濰柴動力上海研發中心，上海201315）

摘要：介紹某自主設計的純電動輕型客車CAN總線車載網絡系統的開發研究，并通過該開發實例對車載網絡架構開發進行了討論，同時針對網絡技術的發展對未來的電動車車載網絡架構進行了探討。

關鍵詞：電動汽車；CAN總線；車載網絡系統

隨著節能環保要求的不斷提高，國家已將新能源汽車的發展列為戰略發展產業，通過稅收優惠以及財政補貼等形式鼓勵新能源汽車的發展。同時由于Tesla的示范效應，國內外越來越多的汽車企業甚至互聯網企業開始進軍電動汽車制造這一領域。

汽車電子技術的快速發展，使得電子控制器在汽車中大量使用，大量的信息需要在控制系統中進行傳輸，因此現在的汽車離不開車載網絡技術。本文描述的純電動輕型客車是新近開發的車型，在該車中車載網絡系統采用了目前廣泛使用的CAN總線。本文將對該車載網絡系統的開發進行簡單的描述，并針對日益發展的電子技術和互聯網技術，展望了未來電動輕型客車的總線設計。

1　CAN總線簡介

CAN總線在車載網絡架構開發中得到了越來越廣泛的運用。歐洲的汽車制造商從1992年開始將CAN總線用于汽車中，基本采用的都是CAN總線標準ISO11898，可支持高達1 Mb／s的各種通信速率；從1994年以來，CAN總線協議SAE J1939協議則廣泛應用于貨車、客車、建筑設備、農業機械等工業領域的高速通信，其速率為250kb／s［1］。

CAN總線具有如下特點：①CAN總線采用基于優先權的多主方式息；②非破壞性的基于線路競爭的仲裁機制；③支持遠程數據請求；④配置靈活；⑤數據在整個系統范圍內具有一致性；⑥有檢錯和出錯的通報功能；⑦仲裁失敗或傳輸中被故障損壞的幀能自動重發；⑧能區分節點的臨時故障和永久性故障，并能自動斷開故障節點。

基于CAN總線的如上特點，在某純電動輕型客車的車載網絡系統開發中采用了CAN總線。CAN總線協議SAE J1939以CAN2.0B為基礎，除了CAN協議定義的物理層和數據鏈路層外，還定義了網絡層和應用層，SAE J1939協議廣泛應用于貨車、客車等商用車中［1］。鑒于SAE J1939在商用車中的成熟應用，該純電動輕型客車CAN總線采用了SAE J1939的通信協議。

2　純電動輕型客車的網絡架構設計

2.1國內主流的傳統燃油型輕型客車車載網絡架構設計

國內燃油型歐系輕型客車市場中，江鈴汽車的TANSIT（全順）和南京依維柯的DAILY（得意）是國內高檔輕客的主要品牌，長期占據著市場份額的前兩位。這兩個品牌的車載網絡都具有如下特點［2］。

1）都采用了雙路總線，兩段總線通信速率不一致，以網關或者是以某個控制器為節點來進行連接。

2）依維柯和全順的車型分別依托其合資方，沿用了成熟平臺，在網絡設計上不同程度采用了菲亞特

2.2自主純電動輕型客車的網絡架構開發

一款自主的純電動輕型客車的開發，在網絡架構設計時需要從成本、開發周期以及競爭形勢和發展趨勢等方面來考慮。由于是自主開發，同時是運用在純電動車中，因此在網絡架構的開發中充分考慮了以下幾點。

1）充分了解當前的電子應用水平，盡量使用現有資源和成熟產品，降低開發的風險和縮短開發周期。

2）在網絡節點上的選擇，充分考慮功能要求、實時性要求、信息交換量和成本。

3）采用了J1939協議，降低了開發私有協議的時間周期和技術風險。

4）構架需為未來增加的電子控制單元留有拓展空間。

3　純電動輕型客車的網絡拓撲設計

目前的純電動輕型客車的網絡拓撲如圖1所示，在后續的設計中還會增加電子控制單元。

圖1　　某純電動輕客的網絡架構設計

該網絡架構采用了J1939的通信協議，并且在J1939協議的基礎上進行了二次開發，通信的速率采用了250 kb／s。在網絡架構開發中控制器的選擇考慮了沿用性、關聯性、成本、周期等要素。

對于大部分的電器部件，由于集中在駕駛室附近，沿用燃油車設計，采用了BCM集中控制方式。對于安全氣囊、ABS等借用燃油車設計，考慮到升級CAN通信的成本，目前未接入網絡。

在網絡架構中分為3段，即CAN1段 （車身段）、CAN2段 （動力段）和充電段，電源管理模塊和整車控制器模塊在網絡中承擔類似網關的作用，通過它們可以將不同網段必要的信息進行路由。這樣既實現了信息的互聯，又降低了每個網段的通信負載率。

目前的總線架構設計既考慮了一定的先進性，又兼顧了成本的要求，具有一定的拓展性，在現階段是比較合適的網絡架構。

4　純電動輕客的網絡架構設計的仿真分析

4.1純電動輕客的網絡架構設計的仿真

針對上文的純電動輕型客車的網絡架構設計，利用Vector總線工具進行網絡結構設計的仿真，判斷車載網絡總線的負載率和總線的報文延時情況。

本網絡架構中的充電段設計參考國家標準GB／T 27930—2011《電動汽車非車載傳導式充電機與電源管理系統之間的通訊協議》，在網絡架構設計中不作為研究的重點，因此網絡架構的設計重心是上文中CAN1段 （車身段）和CAN2段 （動力段）的總線設計。

利用Vector的CANoe工具建立網絡架構總線的數據庫，完成網絡架構的配置設置進行仿真。仿真主要考察總線的以下幾個方面：正常工作時的總線負載率和總線報文的延時狀況、異常情況 （高負載率和總線出現故障錯誤幀）下的總線報文的延時狀況。從這幾個方面考慮可以檢驗網絡總線架構設計的合理性和魯棒性。

4.2純電動輕客的網絡架構設計的仿真結果分析

1）總線架構的設計，在負載率上的考慮是合理的，為保證總線能很好地工作，正常情況下總線的負載率最好應低于35%，而本設計中兩段負載率分別為21.8%和12.6%，是滿足負載率設計要求的，并且還留有一定的拓展空間，能夠適應未來在網絡中增加電子部件。

2）從總線架構的魯棒性設計上看，為保證總線的魯棒性，總線報文的延遲時間應低于報文的發送周期。在本設計中，在網絡異常狀況下，總線報文的延時均低于報文發送周期，因此該網絡架構的魯棒性設計也是合理的。

5　純電動輕客的網絡架構設計的實車驗證

針對純電動輕型客車的車載網絡的設計，在試驗車上進行了實車驗證，主要對實車的總線負載率進行了測試，從實車測試結果來看，總線的負載率與仿真結果基本相符。總線的設計是滿足要求的。

因此，該純電動輕型客車的車載網絡設計是合理的，完全滿足了當前的要求，且預留一定的拓展空間，適合未來在網絡上增加新的電控單元。

6　純電動輕型客車網絡架構設計的未來展望

6.1影響方面

伴隨著電子科技、互聯網技術的發展以及對車輛安全性要求的日益提高，未來會有更多的電子部件加入到汽車網絡中，這樣對汽車網絡架構的設計必然帶來巨大的沖擊。電動汽車相比于傳統的燃油車將是一個更佳的智能化的載體，總體而論未來會有以下幾個方面對網絡架構的設計帶來影響。

1）隨著對安全性要求的不斷提高，各種ADAS技術將不斷運用在車中，這類技術帶來車載網絡更大的信息交流量和更高的實時性要求，網絡架構的發展也必然走向更多路、更多種速率組合形式。

2）隨著車聯網技術的發展，汽車網絡還將進一步融入互聯網的因素，汽車網絡將接入無線通信，車載網絡必然需要考慮諸如3G／4G、Bluetooth、WiFi、ZigBee等無線通信形式，以實現信息的交互。

3）隨著智能駕駛技術的發展，自動駕駛技術的興起，汽車的駕駛將越來越頻繁與外部進行信息交互，依賴對外部信息的處理和判斷來實現智能駕駛，因此對車載網絡的實時性和信息處理量提出了更高的要求，必然會在一定程度上改變車載網絡的形態。

4）車聯網和智能駕駛技術的發展，將對車載網絡的安全性提出更高的要求。針對目前已經出現的黑客入侵車載網絡的事件，在未來車載網絡的設計中對于車載網絡互聯安全必將是引起關注的焦點之一。

6.2未來純電動輕型客車網絡架構的展望

1）網絡架構將出現多網絡段，多種速率的組合形式，滿足不同網絡的實時性和安全性要求，尤其是智能駕駛技術的發展將對車載網絡提出新的挑戰。

2）專用的無線接口將用于車聯網，需要獨立的網關設備來實現車載網絡與互聯網的對接，獨立的網關設備將實現有效的信息交換，降低接入互聯網后對車載網絡的負載率的沖擊，同時提供必要的安全防護，避免黑客利用互聯網侵入車載網絡而帶來的安全隱患。

3）LIN總線作為車載CAN總線的補充，將用于連接一些傳感器和智能性的執行部件，提升整車的智能化。

7　建議與結語

車載網絡自20世紀90年代誕生以來已經取得了飛速的發展，可以預期隨著車聯網和智能駕駛技術的發展，車載網絡的發展必定越來越快。隨著電子技術的發展，車載網絡對信息處理的實時性和處理量必然不斷加大，因此對于新型的車載網絡技術——如具有更高速率的CAN-FD、flexRay和以太網等的發展要密切關注。同時，車聯網技術以及車載智能系統的迅速發展，車載網絡的復雜性將大大提高，車載網絡安全問題也將凸顯出來，這對于車載網絡的設計者來說將是一個新的關注點。

附：名詞解釋

1）雙路總線：指車內的總線系統被分為兩路總線，每條總線上分布不同的控制器，兩條總線可能有不同的通信速率，通常是通過網關來進行總線間的信息路由，常見的如車身總線、動力總線。

2）私有協議：汽車廠商為實現技術保密，會在CAN協議的基礎上，將一些數據定義為私有，這些私有的數據通過一般的解析器無法進行解析。

參考文獻：

［1]羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統原理、設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［2]張凌露，高李明.輕型商用車車載網絡架構［J］.汽車電器，2015（3）：18-21.

［3]付百學，胡勝海.汽車車載網絡技術［M］.北京：機械工業出版社，2013.

（編輯文珍）

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0004－03

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-08-14

作者簡介：朱江源，男，工程師，主要研究方向為汽車電子電器、總線設計。和福特的私有協議。其中依維柯的動力網段部分采用了J1939，車身網段部分采用了私有協議。而全順則都采用了私有協議。

Development of CAN Bus Vehicle Network System for A Pure EV Light Bus

ZHU Jiang-yuan，CHANG Jiu-peng，YAN Ming
（Shanghai R&D center，Weichai Power Co.，Ltd.，Shanghai201315，China）

Abstract：The development and research of CAN bus vehicle network system for a self-designed pure EV light bus is introduced and the development of network architecture is discussed through this sample.Meanwhile，the network architecture for future EV is also discussed based on the development of network technology.

Key words：EV（Electric Vehicle）；CAN bus；vehicle network system