黃娟娟，夏超英，柳同生

(1．天津大學電氣與自動化工程學院，天津　300072；2．天津市核奧達新技術開發(fā)有限公司，天津　300350)

0　引言

隨著能源問題和環(huán)境問題的日益嚴重，電動汽車作為新能源汽車的代表，具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等優(yōu)點，已成為了汽車產業(yè)的趨勢[1]。電動汽車是由多個子系統(tǒng)構成的統(tǒng)一整體。隨著整車安全性、穩(wěn)定性、舒適性的提高，電動汽車上所需的控制部件越來越多，各子系統(tǒng)之間需要交換的信息也越來越多，整個控制系統(tǒng)也越來越復雜。

控制器局域網絡(Controller Area Network)是在汽車領域應用最廣泛的總線，它具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結構簡單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價格低廉等特點[2-3]。在汽車設計中，分布式CAN網絡常被用于數(shù)據(jù)通信，可以減少車身線束，降低布線的復雜度，方便故障診斷，滿足主要系統(tǒng)間大量數(shù)據(jù)信息實時交換的需要。整車控制系統(tǒng)CAN總線通信是純電動汽車發(fā)展的關鍵技術之一，其性能是保證其可靠性和實時性的基礎。

1　英飛凌XC2286N控制器特點

結合電動車整車控制器的功能需求以及車輛運行時的環(huán)境，純電動汽車整車控制器主控芯片需要有高速處理性能、穩(wěn)定性、硬件接口豐富、軟件功能豐富、經濟成本低等特點。

英飛凌XC2268N是一款高性能16位汽車級微控制器，集成了16位CPU，程序和數(shù)據(jù)存儲器、中斷控制器、外設控制處理器、一般定時器單元、看門狗定時器、MultiCAN模塊和幾個片上外設等，滿足純電動汽車控制的需要。該控制器具有功耗低、抗干擾能力強、高頻噪音低等特性，特別適合整車控制應用。其片內帶有集成MultiCAN模塊，簡化了傳統(tǒng)單片機外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復雜外圍電路。該模塊具有的主要特性有：

(1)CAN 功能根據(jù)CAN V2．0 B active 技術規(guī)范確定(與ISO 11898標準兼容)；

(2)多達6個獨立的CAN節(jié)點，每個節(jié)點可單獨設定數(shù)據(jù)傳送速率，最高通信速率可達1 Mbit/s；

(3)64個報文對象可獨立地分配給任意一個節(jié)點，并可獨立配置為發(fā)送或者接收對象處理11位標識符的標準幀或29位標識符的擴展幀，且每個對象均具有驗收濾波功能；

(4)先進的數(shù)據(jù)管理：報文對象可組織為雙鏈列表；

(5)具有靈活、功能強大的報文傳送控制和錯誤處理功能、先進的CAN總線位時序分析和由幀計數(shù)器實現(xiàn)波特率檢測功能；

(6)多達16個獨立的、可編程中斷輸出[4]。

2　純電動汽車整車控制系統(tǒng)

2．1整車控制系統(tǒng)

純電動汽車總成驅動系統(tǒng)主要由電機驅動系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及整車控制系統(tǒng)組成。其中整車控制系統(tǒng)相當于純電動汽車的大腦，其性能直接決定了電動汽車的行駛性能和穩(wěn)定性。整車控制系統(tǒng)一般由整車控制器、CAN總線通信系統(tǒng)、踏板以及車載顯示系統(tǒng)組成。根據(jù)電動汽車的特點及純電動汽車控制的需要，純電動汽車整車控制系統(tǒng)需要具有車輛信息采集與系統(tǒng)信息顯示、駕駛員駕駛意圖信息采集、對車輛其他工作部件的管理、CAN網絡通信、能量優(yōu)化管理、故障診斷和處理等功能。

2．2CAN通信模塊的結構及功能

CAN通信模塊主要完成數(shù)據(jù)通信功能，實現(xiàn)整車控制器與電機驅動器、電池管理系統(tǒng)等其他獨立控制模塊之間的信息交換。整車控制系統(tǒng)CAN通信模塊結構如圖1所示[5]，文中主要實現(xiàn)整車控制器與電機控制器、電池管理系統(tǒng)之間的通信，并預留了智能充電機、監(jiān)控和診斷接口以及智能顯示儀表3個節(jié)點，以供后期擴展。

圖1　整車控制系統(tǒng)CAN通信模塊結構圖

整車控制器通過傳感器獲取駕駛員的駕駛操作，解釋駕駛員的駕駛需求，同時通過CAN總線獲得電機和電池的狀態(tài)信息，并根據(jù)車輛運行狀態(tài)，進行力矩計算、能量管理、故障診斷與處理等，再通過CAN總線驅動繼電器組中的相應繼電器，向電機控制器發(fā)送力矩、轉速等操作指令[6]，驅動電機按駕駛員意圖運轉，同時也管理智能充電機、智能顯示終端等其他控制模塊的運行。

3　CAN通信模塊硬件設計

根據(jù)控制器設計要求，系統(tǒng)采用兩路CAN通信，分別對應XC2268N的CAN0和CAN1通道。CAN收發(fā)器采用TLE6251DS高速CAN總線收發(fā)器，該芯片可由整車控制器電源隔離側+5V電壓供電，具有很強的抗電磁干擾能力和高溫保護功能。為了提高CAN通信抵抗電磁干擾的能力，在XC2268N和CAN收發(fā)器之間加入了光耦隔離電路[7]。隔離電路采用HCPL0611高速光耦，最高傳輸速度可達10 Mbit/s，非常適合整車控制器的技術要求和應用環(huán)境，光耦輸入側和隔離側電壓分別由整車控制器電源VCC和隔離的+5 V電源提供。同時在總線輸出信號線CANH、CANL之間采用扼流線圈B82793-S0513，抑制共模干擾信號。CANH、CANL信號線對地之間采用雙向穩(wěn)壓二極管，防止信號的尖峰電壓干擾，保護總線網絡。整車控制器的兩路CAN通信模塊電路原理相同，如圖2所示。

圖2　CAN總線模塊電路原理圖

4　CAN總線應用層協(xié)議的制定

4．1CAN總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議的制定一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒體訪問子層(MAC))和應用層三個方面。CAN物理層是實現(xiàn)ECU與總線相連的電路。目前CAN物理層設計已經比較完善。CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層也已經在ISO11898-1中做了完整的定義，并且不可更改。因此該協(xié)議的制定主要是針對應用層進行設計。

4．2CAN總線應用層協(xié)議的制定

CAN總線應用層協(xié)議制定應使通信更加規(guī)范、穩(wěn)定、及時，能最大限度的發(fā)揮CAN總線的優(yōu)異性能，降低總線負載率[8-9]。

該系統(tǒng)協(xié)議滿足SAE J1939以及CAN 2．0B標準，采用29位識別碼擴展信息幀格式，通信波特率為250 kb/s．29位標識符分配表如表1所示。

表1　29位標識符分配表

表中各部分意義如下：

(1)P：優(yōu)先級，由3位組成，分8級，0為最高級，7為最低級；

(2)R：保留位，由1位組成，現(xiàn)固定為0；

(3)DP：數(shù)據(jù)頁，由1位組成，現(xiàn)固定為0；

(4)PDU格式(PF)：PDU代表協(xié)議數(shù)據(jù)單元，分為PDU1和PDU2兩種。PDU1用于點對點發(fā)送，PDU2用于全局廣播；

(5)特定PDU域(PS)：當PF<240時，PS定義為目標地址；PS在240到255之間，則定義為擴展組；

(6)源地址(SA)：在網絡中的每一個裝置都僅有一個唯一的8位源地址。

在分配節(jié)點地址時，要考慮各個節(jié)點的重要性，重要性越強的節(jié)點地址越小。該協(xié)議是參考SAE J1939 Issued APR2000推薦的地址對整車控制器、電機控制器以及電池管理系統(tǒng)等進行分配的。整車控制器地址為39(27H)、電機控制器地址為239(EFH)、電池管理系統(tǒng)地址為243(F3H)。

系統(tǒng)中，總共設計7個報文，每個報文有8個字節(jié)的信息。其中，整車控制器發(fā)送給電機控制器1個報文，該報文包括電機工作模式、電機目標轉速、目標轉矩等，報文優(yōu)先級設為3，通信周期設為10 ms.同時，整車控制器也接收電機控制器的4個報文和電池管理系統(tǒng)的1個報文，此5個報文優(yōu)先級也為3。電機控制器發(fā)送的報文信息包括電機控制器工作狀態(tài)、電機當前轉速和轉矩、累計里程數(shù)、電機故障狀態(tài)等，報文通信周期設為50 ms．電池管理系統(tǒng)發(fā)送的報文信息包括電池總電壓、電池母線電流、電池SOC等，由于電池內部傳感器信息更新較慢，所以通信周期設為500 ms．為了方便數(shù)據(jù)記錄，整車控制器還發(fā)給上位機1個報文，報文內容包括電機轉速、踏板開度、電機轉矩、電池電流等需要顯示的量。

5　CAN通信模塊軟件設計

設計是基于英飛凌XC2268N單片機，在Tasking編譯環(huán)境下，采用C語言進行程序設計。整車控制器CAN通信模塊的軟件設計主要包括CAN模塊的初始化、報文發(fā)送、報文接收3個部分?？紤]到電機的干擾和CAN總線的高速性，不用中斷模式即可滿足要求，所以在消息發(fā)送和讀取均采用定時調度的方式。由于CAN通信的可靠性很強，所以在程序中沒有專門對數(shù)據(jù)進行錯誤處理。

5．1CAN通信的初始化

要使用MultiCAN模塊，必須對CAN模塊進行初始化，配置相關寄存器。CAN模塊初始化包括CAN模塊的使能、波特率設置、驗收濾波器設置、報文對象設置、CAN工作模式設定等[10]。CAN總線初始化程序流程圖如圖3所示。

圖3　CAN初始化程序流程圖

5．2報文的發(fā)送

報文發(fā)送請求是通過在報文所屬的報文對象中設置發(fā)送請求實現(xiàn)的，且一個CAN節(jié)點同時僅可以發(fā)送一個報文對象以避免總線沖突。程序以62．5μs的定時器中斷為時基，在中斷服務程序入口處設置計數(shù)器，每當定時器中斷中計數(shù)器計到160時，即10ms時，置CAN總線發(fā)送標志位，調用CAN發(fā)送程序，電機發(fā)送第一個報文，計數(shù)器清零；每當給電機發(fā)送20次后，置上位機顯示標志位，整車控制器給上位機發(fā)送第二個報文。報文發(fā)送流程圖如圖4(a)所示。

5．3報文的接收

整車控制器一共需要接收5個報文對象。英飛凌XC2268N帶有自動濾波功能，當CAN總線發(fā)來一個報文，根據(jù)CAN總線應用層協(xié)議規(guī)定好的ID含義，就可將需要的數(shù)據(jù)保存到消息緩沖區(qū)，將不需要的過濾掉。接收到的報文被組織為雙鏈表，報文的優(yōu)先級排序是由ID標識中優(yōu)先級符決定，當優(yōu)先級一樣時，按接收列表順序決定。報文接收程序流程圖如圖4(b)所示。

(a)發(fā)送程序(b)接收程序

6　實驗結果

為了驗證設計的可行性，使用了Vector CANcardXL 進行試驗，CANalyzer網絡分析工具進行數(shù)據(jù)采集和上位機顯示。CANalyzer具有良好的性能和編程功能，可以很方便的記錄、觀察、分析CAN通信結果。

臺架試驗裝置主要有整車控制器、電機、電機控制器、測功機、電池、電池管理系統(tǒng)等。測功機與電機相連充當負載和倒拖電機以實現(xiàn)回饋制動。圖5為測功機在20 N·m的情況下，電機轉速、踏板信號、電機轉矩和電池電流的關系?？紤]到安全性，該次實驗把電機轉速限定為2 000轉。

從圖中可以看出在0～63 s，電機處于加速狀態(tài)，當踏板開度超過踏板死區(qū)0.025時，電機轉矩跟隨整車控制器給定轉矩，超過了20N·m，電機開始加速；踏板開度越

圖5　臺架試驗結果

大，電機轉矩越大，加速越快，電池放電電流也會增大。在63～96 s，電機處于穩(wěn)速階段，隨后整車控制器讀取到剎車信號，電機轉矩降低，轉速降低，電池回收能量。圖中虛線選出兩個關鍵點，可見當踏板開度減小和增大時，電機轉矩能夠迅速響應，使電機速度隨之變化，同時電池放電電流也緊隨電機轉矩變化而變化。在整個過程中，整車控制器、電機控制器以及電池管理系統(tǒng)之間的通信非常及時、穩(wěn)定、可靠。

圖6為CAN總線負載率和吞吐量，從圖中可以看出，總線負載率在10%左右，峰值僅為10.76%，與以往相比，有了明顯的降低，提高了CAN通信的可靠性，并為后期拓展留出余量；總線每秒總吞吐量為187。

圖6　CAN總線負載率和吞吐量

圖7為各ID每s吞吐量，圖中可以看出，整車控制器的2個ID每s分別發(fā)送100幀和5幀，電機控制器的4個ID每s發(fā)送20幀，電池管理系統(tǒng)每s發(fā)送2幀，可以驗證各個節(jié)點通信的正確性。

7　結束語

整車控制系統(tǒng)作為純電動汽車的核心部件，需要實現(xiàn)整車控制器與其他模塊的信息傳遞，保證純電動汽車中其他獨立控制子系統(tǒng)的可靠運行。系統(tǒng)硬件電路設計簡單、軟件設計復雜化低、并具有良好的拓展性。

圖7　各ID每秒吞吐量

由試驗結果可以看出，網絡中各個節(jié)點可以實現(xiàn)可靠、及時的數(shù)據(jù)通信。整車控制器可以控制電動汽車加減速、勻速運行以及制動能量回饋。CAN通信模塊體積小、功耗低、抗干擾性好、處理能力強，可在汽車這種電磁干擾強的復雜環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作；整個通信過程穩(wěn)定、可靠、高效，使汽車能夠及時響應駕駛員駕駛信息安全穩(wěn)定的運行，達到了預期的效果。

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