基于CAN总线网络的电动汽车控制

1、基于C AN总线网络的电动汽车控制曹军义,吴宝峰,曹秉刚(西安交通大学电动车研发中心,西安710049摘要:采用区域自治、功能分散和分层设计等方法,建立了基于CAN总线的电动汽车网络控制平台,并为电动汽车设计了网络控制单元和内部网关,分析了网络中数据的特点和传输方法。此平台不仅降低了安装维修复杂程度,提高汽车系统操作的可靠性和实时性,还可以合理配置能源的分配和调度。关键词:电动汽车;能源管理;CAN;网络控制中图分类号:U469172;T N339101文献标识码:A文章编号:1001-3881(200511-121-3The Con trol of Electr i c Veh i cles

2、 Ba sed on CAN NetworkCAO Jun2yi,WU Bao2feng,CAO B ing2gang(R&D Center of Electric Vehicle,X ian J iaot ong University,X ian710049,China Abstract:The net w ork contr ol architecture of electric vehicles(E Vbased on C AN bus was constructed,in which regi onal au2 t onomy,functi on distributi on a

3、nd hierarchy methods were adop ted1Net w ork contr ol unit and in-vehicle gate way were designed,and trans m itting methods and p r operties of data in the net w ork were discussed1This architecture m ight reduce difficulties in installati on and maintenance,i m p r ove the system reliability and re

4、al-ti m e of mani pulati on,and obtain the reas onable distributi on of energy1 Keywords:Electric vehicles;Energy manage ment;C AN;Net w ork contr ol0前言能源的危机和环境问题加快了电动汽车的发展和应用1,2。电动汽车要求有高效的能源利用率和低的排放,更要具有现代燃油汽车的舒适性和可靠性,这样才能提高市场的接受能力。电动汽车主要有以下优点35:利用电池里储存的电能行驶,因此行驶过程完全不排或排得很少;振动和噪声很小,是一种很安静的车辆;减速时能回收

5、能量,因而效率高;由于利用电能,不一定必须依靠石油;电机可以精确和独立地控制,制动性和操作稳定性更好。电动车的研究和开发要求电子化的程度更高,不仅对系统的控制要求提高,使汽车的平稳性和舒适性好,而且对能源的管理和优化要求也提高。这样必须做到系统布线简单,运行可靠,系统协调能力强,能源利用率高,而且能实现故障自检,维修方便。本论文提出以CAN总线控制网络为基础的网络控制技术。采用区域自治,功能分散,集中协调的策略,不仅降低了安装维修的复杂程度,提高汽车系统操作的可靠性和实时性,还可以合理配置能源的分配和调度。1汽车网络技术的现状和分析汽车的网络技术是汽车提升技术水平的重要基础。它不仅解决汽车电子

6、化中出现的线路复杂和线束增加的技术问题,而且还提高了数据通信和系统的控制能力。汽车行业早期采用一些现有的常规标准,如UART(Universal A synchr onous Receiver/Trans m itter。后来根据自己的需要来开发网络系统,但较少与外部合作。CAN控制器局域网络最初由Bosch公司为汽车设计的,在欧洲汽车领域获得广泛的应用,并推出了一系列国际标准协议:IS O11898-1(CAN总线数据链路层、I S O11898-2(物理层的高速收发器、I S O11898-3(物理层的错误容限低速收发器、IS O 11898-4(时间触发CAN。L I N(Local I

7、nterconnect Net w ork是在1998年由汽车生产商Audi、BMW、Dai m ler Chrysler、Volvo和Volks wagen与半导体元器件生产厂Mot orola、开发工具公司VCT(Volcano Com2 municati ons Technologies联合制定的一个汽车低端网络协议6。这种合作的开发模式可能为以后汽车网络标准所仿效。L I N的协议标准以SC I(UART(Serial Co mmunication I nterface为基础,物理层适应汽车故障诊断标准I S O9141,满足车辆环境下的E MC和ES D要求。目前应用最广泛,支撑技术

8、和元器件最丰富的是CAN和S AE J18507。CAN总线是一种多主总线、支持分布式实时控制的通信网络。它以其独特的方式处理仲裁、进行报文确认和错误报警。它给电动车的设计带来很多方便和可取之处。CAN的主要特点:(1基于优先级的非破坏性总线仲裁技术,实时性高;(2完善的错误监测机制,可靠性高;(3通信速率高,高达1Mbp s;(4节点数多。正因为CAN总线的这些特点,使它在对可靠性和实时性要求高的应用领域获得了广泛的应用。为提高车载网络的性能,Philip s公司推出了具有高容错能力的CAN总线驱动器TJA1054, TJA1054正是为欧洲的跑车设计的。2001年,新的CAN总线协议TTC

9、AN(Ti me-Trigger Contr oller A rea Net w ork出现,它是在不改变传统CAN总线协议基础上的高层协议,专为如汽车发动机控制的高可靠性应用系统开发的8。在TTCAN网络中,有一个全局时钟,系统中的每一个活动都事先安排在一定的时间窗口内,保证确定的通信时间,避免时间延迟,同时可以更有效地利用CAN总线带宽。目前TTCAN有三个时间窗口:专用时间窗口、仲裁时间窗口和自由时间窗口,它们分别适用于不同的信息报文。这些可以 保证CAN 在汽车线控技术应用如线控刹车和线控驾驶等,用电控网络替代传统机械液压控制系统,特别适用于电动汽车多轮独立驱动和控制。由于CAN 总线

10、技术的成熟和广泛应用,特别是大的汽车制造商,如BMW 、Saab 、Volvo 、Audi,以及日本的高档车都采用了CAN 总线作为控制网络,2002年美国通用汽车公司也宣布:新汽车的信息平台将建立在CAN 总线协议之上。虽然其它协议在未来的高速应用领域竞争中将更有前景,但考虑技术应用的成熟度和市场,CAN 总线将更有优势。目前我国电动车“863”计划,明确规定必须采用CAN 总线的控制网络,这也符合了国际汽车发展的趋势。2电动汽车网络的特点目前电动车主要有纯电动汽车(BEV 、混合动力电动汽车(HEV 和燃料电池电动汽车(FCEV ,为提高电动汽车的效率和市场的接受能力,电动车的研发主要集中

11、在研制高能量密度比的电池、采用高效率电机和控制策略、优化的能量管理和调度方法以及新的电动车用材料和新车型的开发3,4。电动汽车的发展既要继承原有的汽车技术,比如电子控制自动变速器、电子控制防滑(ABS/ASR 控制系统、电子控制悬架系统、电子控制全自动空调系统、电子控制动力转向系统、安全气囊系统、巡航控制系统等,保持汽车的动力性、安全性、可靠性和舒适性;又要结合电动车本身的特点,开发适合自身的技术,电动汽车的电子化程度要求更高,系统的协作和可靠性要求更好,为此本文结合现有汽车技术的发展现状和趋势,设计了基于网络技术平台的电动汽车控制技术。211电动汽车电控系统组成电动汽车电控系统主要由能量供给

12、单元、能量回收单元、能量管理单元、温度控制单元、电机、电力电子控制器、功率转换器和辅助动力单元等部件组成,如图1 所示。图1电动汽车电控系统目前电动车的能量供给单元主要有铅酸电池、镍氢电池、燃料电池和氢燃料电池等,它提供电动车主要动力能源。为提高电动车的续驶里程、增加电动车的有效空间和减少电动车的重量,电动车的研究和设计者开始考虑新的能量存储方式,并将制动能量回收技术加入电动车系统。由此设计的能量回收单元成为电动车的一个重要部件。目前主要有飞轮储能回收方法和超级电容储能回收方法等9,10。而且具有电池和超级电容混合储能的电动车按照一定的策略控制可以实现更好的综合性能:加速和制动性能、电池长寿命

13、等。为监控能量供给单元,保证动力源的可靠和稳定工作,尤其是铅酸电池电动车,电动车应有能量管理单元。它实时检测电池的工作状态,并根据内部参数和外部运行状态优化调度能量供给。对铅酸电池电动车必须有温度控制单元,铅酸电池对温度比较敏感,0以下此类电动车将行驶里程降低30%11,大大降低了电动车的市场承受能力。不象燃油汽车带有空调系统,电动车必须有温度控制单元保证电池处于最佳温度范围,同时也可以维持车内的温度。电动车的驱动电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。由于电机的价格、尺寸、效率、控制性能和可靠性等诸多因素制约着其在电动车上的使用,究竟选用那一种电机作为电动车的驱动电机目前

14、还没有定论12。电力电子控制器主要采集电动车的运行状态和外部用户指令,并协调能量管理单元把电池能量转换成电动车驱动力矩所需的电压。功率转换器主要实现能量的变换和调制。辅助动力单元主要包括辅助动力转向系统、刹车系统和车上照明系统等。212电动汽车网络设计电动汽车要替代现有燃油汽车,不仅要根据电动汽车的自身特点吸收传统汽车的优点,保证舒适性、安全性和可靠性,利用原有的汽车的车身控制技术,它包括悬架控制系统,防抱死刹车制动系统和动力转向系统;更要开发电动汽车的系统集成控制和诊断能力、以及能量管理系统,提高系统的可靠性和能源管理利用效率。根据电动汽车的系统要求,设计的电动汽车网络如图2 所示。图2电动

15、汽车网络电动汽车的网络分两层设计。上层采用CAN 总线网络,它的特性在第二部分已分析过,保证通信的可靠性和实时性,上层控制单元节点的主要特点有:数据信息的通信量大,实时性要求高。例如:电机控制单元的电机电压、电流和转速不仅作为自身控制单元使用,还要实时提供给人机界面、能量管理单元、刹车控制系统和悬架控制单元。上层控制单元主要包括人机界面、电机控制单元、电池监控单元、能量管理单元、GPS 、刹车控制单元和悬架控制单元等。如果是混合动力电动车,汽车网络还需要一个发动机单元,如图2虚线框所示,基于CAN 总线的发动机控制管理系统请参考文献13,14。人机界面负责汽车状态显示:车速、电池的工作电压、电

16、流和温度等。电池监控单元负责实时监测电池的状态,铅酸电池对驾驶路况和环境温度要求高,保证电池长期稳定工作是电动车性能的重要保证。设计的电池监控单元要保证电池的充放电电流、电压和温度在一定范围内,否则出现报警,并应及时处理。当出现大电流放电时,电池监控单元将通知能源管理单元使超级电容给电机供电。能量管理单元负责系统的能量调度,主要包括电动车启动动力供给、根据路况的能量分配和制动能量回收等。电机控制单元主要负责电机的驱动和控制,根据不同的电机将有不同电机控制单元。故障诊断单元将为电动汽车提供集成的诊断端口,基于CAN 总线的IS O 15765高速应用接口正在开发中,并将最终按汽车的国际诊断标准O

17、BD -设计电动车的诊断接口15。GPS 单元将为电动汽车提供定位、安保、最佳电站查找和最佳行驶路线等,还可为有效的智能交通系统提供接口。刹车控制单元和悬架控制单元主要采用燃油汽车的相关技术,在以后的研究中将紧跟汽车线控技术的发展,设计独立可靠的CAN 总线控制单元。下层采用L I N 总线网络。L I N 总线的主要特点:一主多从的单总线网络结构,最多支持15个从机;通信速率最高为20Kbits/s,电动汽车上应用一般为214、916和1912Kbits/s;报文帧包含有2、4或8个数据字节和3个控制字节,控制字节有同步段、标识段和校验段,如图3所示;从节点自同步机制(只有主机有精确的时钟;

18、支持睡眠/唤醒操作功能,降低系统功耗;完善的8位CRC 错误检测机制;物理层支持I S O 9141。上述的L I N 总线特点使其在电动汽车上得到应用,并具有接线简单、安装方便、通信可靠、成本比CAN 和其它总线低、便于系统扩展等优点。L I N 总线网络主要连接在电子控制单元和智能传感器或作动器之间,上层CAN 网络和下层L I N 网络之间必须有CAN /L I N 网关连接,如图2 所示。图3L I N 总线报文结构由以上分析可见:电动汽车上的转向灯控制、车门的控制以及车窗的控制都可以连接在L I N 总线上,且扩展其它部件灵活方便,象娱乐设备、数字指南针等。213网络控制单元设计与实

19、现在电动汽车网络的上层网络中,每一个节点都是一个独立的控制单元,每个控制单元都包括数据信息加工处理部分和网络通信部分,因此控制单元都有相应的嵌入式微处理器和CAN 控制器。控制单元主要完成如下功能:(1数据信息的采集;(2数据处理和单元控制;(3故障分析和诊断;(4数据通信。根据电动汽车网络上的数据信息特点可以把数据信息分为周期性信号和非周期性信号。周期性信号就是被网络节点定时触发发送的信号,如电动车系统中的电池电压、电流信号,电池监控单元采集后要定时发送给能量管理单元,供其调度系统中能量分配和使用。非周期性信号就是在电动车网络中不定期被发送的信号,如驾驶者的驱动驾驶信号:踏板和操从杆引起速度

20、和刹车信号变化,还有各个控制单元的故障检测报警信号等。这些信号往往有更多的随机性,而且还有更高的实时性要求。如果多个数据帧同时竞争总线时,必须保证故障信号和实时性更高的信号首先得到服务。因此为保证电动车系统的可靠工作,必须设计具有多优先级的网络。CAN 总线是一种非破坏性CS MA 网络,而且是基于优先级的非地址编码总线。作者设计的CAN 总线网络控制单元如图4所示。通过JT AG 接口,中央处理器的软件可以随系统的升级而更新;A /D 转换器负责模拟信号的采集;CAN 总线通信控制器负责控制单元的数据发送和接受,完成CAN 总线的数据链路层功能,如数据的编码和故障诊断等。数据存储器包括掉电保

21、护存储器和掉电不保护存储器。中央处理器负责调度控制单元的任务和完成信息的加工和处理 。图4电动车控制单元如图5所示,电动汽车内部网关,连接在上层网络和下层网络之间,完成上下层网络之间数据帧的解 析和转发。图5电动车内部网关3结论随着地球能源危机的加剧和环境压力的严峻,电动汽车的使用和开发成为必然,而且这种要求越来越强烈。根据电动车的特点和汽车技术发展的趋势,本(下转第126页丝动作,并回到准备状态待命,也可以多流同时或先后工作。313远程自动控制方式当用人机界面在控制方式画面上选择远程自动控制方式后,本机PLC 自动转入联网在线状态,准备好接受上位机喂丝数据和指令,在上位机控制下工作 。图2系

22、统程序流程图在上面3种工作方式下,本系统均可以实时与上位机联网传送喂丝数据,系统程序流程见图24。4结束语本文介绍的PLC 钢包炉外精炼网络测控系统已经在宝钢集团上海一钢和三钢、涟钢集团、安阳钢铁集团、沙钢集团、首钢集团等单位使用,使用效果表明该系统功能齐全、控制精度高、抗干扰能力强、提高和加强了炼钢生产的综合管理水平,在不断完善钢包炉外精炼专家系统的同时,在节能、降耗、提高特殊钢产品的质量上效果显著,深受用户欢迎。取得了显著的社会效益和经济效益。参考文献【1】Manfren Popp 1The Rap id W ay t o PROF I B US -DP R .Ger many PROF

23、I B US I nterface center/Lab,1997(231【2】W I L L I A M ST ALL I N GS 1局域网与城域网(第五版M 1北京:电子工业出版社,1998:1091201【3】刘怀,胡继峰1控制网络的实时性分析J 1工业控制计算机,2001(91【4】杨先海,吕传毅1基于网络的协同设计与制造系统的研究J 1机床与液压,2003(51作者简介:马庆华(1947,男,河南郑州人,郑州轻工业学院计算机与通信工程学院高级实验师,主要研究方向:工业自动化。电话:0371-*。收稿时间:2004-06-02(上接第123页文建立了基于CAN 总线的电动车网络控制平

24、台。网络平台结合了现代汽车技术,可以充分提高了电动车的驾驶舒适性、可靠性和平稳性。设计的网络控制单元采用区域管理的方法,结构简单,升级和维护方便,便于电动车的能量调度和管理。参考文献【1】孙逢春等1电动汽车21世纪的重要交通工具1北京理工大学出版社,19971【2】广濑久士,丹下昭二1电动车及混合动力车的现状与展望1汽车工程,2003,25(2:204-2091【3】C 1C 1Chan 1The state of the art of electric and hybrid vehi 2cles 1Pr oceedings of the I EEE,2002,90(2:2472751【4】曹

25、秉刚,张传伟,白志峰等1电动汽车技术进展和发展趋势1西安交通大学学报,2004,38(1:151【5】李竟成1电动车驱动控制与再生制动研究D 1西安交通大学,20031【6】L I N s pecificati on package Revisi on 1131www 1L in -subbus .org 1【7】秦贵和,葛安林等1汽车网络技术1汽车工程,2003,25(2:1511551【8】G 1Leen,D 1Heffernan 1Ti m e -triggered contr oller area net 2work 1Journal of Co mputing &Contr ol Engineering,2001,12(6:2452561【9】J 1M 1M iller,R 1S m ith 1U ltra -capacit or assisted electric