崔慶虎， 王 波， 張 剛， 馮汝廣， 許 璇， 薛守飛

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

隨著國家對(duì)電動(dòng)客車的推廣，電動(dòng)客車保有量在我國迅速增加。在這個(gè)過程中也出現(xiàn)了很多共性的問題，其中電磁兼容問題尤為突出[1-3]，導(dǎo)致CAN總線信號(hào)質(zhì)量差。CAN總線作為電動(dòng)客車的神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)客車至關(guān)重要，CAN總線信號(hào)質(zhì)量的好壞直接影響到電動(dòng)客車的安全性及可靠性[4]。

1 CAN總線故障的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，電動(dòng)客車上CAN總線信號(hào)質(zhì)量差一般表現(xiàn)為：

1) CAN網(wǎng)絡(luò)通信故障，整車誤報(bào)警或不報(bào)警。

2) CAN總線上某個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)不在線或者無規(guī)律的間斷掉線。

3) 高壓掉電，控制器燒毀，或儀表盤顯示滯后等。

造成以上問題的原因可分為3種，下面分別介紹。

1.1 總線上有接反的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的故障

通過CANalyzer中的statistic模塊或者其他能夠查看總線上每秒錯(cuò)誤幀數(shù)量的工具來查看總線上的每秒錯(cuò)誤幀數(shù)量。如圖1所示。

圖1 CANalyzer中顯示每秒錯(cuò)誤幀的界面

如果每秒錯(cuò)誤幀數(shù)量從一上電到運(yùn)行過程中一直穩(wěn)定在幾百或者幾十的范圍內(nèi)，波動(dòng)不大，基本可以斷定這不是干擾引起的，而是由于總線上不影響車輛正常行駛的模塊CAN線接反造成的。用示波器捕捉的錯(cuò)誤幀數(shù)量穩(wěn)定的CAN總線CAN_H和CAN_L之間的波形如圖2所示。

這種情況下只需將采集CAN報(bào)文設(shè)備的CAN_H和CAN_L反接，報(bào)文采集軟件上就會(huì)顯示出接反報(bào)文的ID，通過該ID便可以迅速定位接反的模塊，這種情況下將接反模塊的CAN_H和CAN_L交換，問題便能夠解決。

圖2 CAN總線上有節(jié)點(diǎn)接反的波形

1.2 CAN總線收發(fā)器損壞導(dǎo)致的故障

如果每秒錯(cuò)誤幀數(shù)量穩(wěn)定在2 500幀以上，這就會(huì)有很多報(bào)文不能正確接收。這種情況大多數(shù)是由于總線上某個(gè)模塊的CAN收發(fā)器出了問題，可以將總線上的模塊一個(gè)一個(gè)地從總線上拔掉。如果出了問題的模塊被拔掉，總線馬上就能恢復(fù)正常。此時(shí)，出問題的模塊由于是硬件問題，需要對(duì)其進(jìn)行更換，更換為正常模塊后，問題便可以解決。

以上2種情況雖然也造成了總線上面有錯(cuò)誤幀，經(jīng)常被誤認(rèn)為是電磁干擾引起的，但究其原因并不是由整車的電磁兼容環(huán)境不好造成的，下面著重介紹由電磁兼容引起的干擾情況。

1.3 電磁干擾引發(fā)的故障

如果每秒錯(cuò)誤幀的波動(dòng)范圍很大，且上電之后車輛在靜止時(shí)的錯(cuò)誤幀要明顯小于車輛在運(yùn)行過程中的錯(cuò)誤幀。這種情況一般就是由電磁干擾造成的。其原因?yàn)榭蛙嚰铀倩蛘邷p速時(shí)，逆變產(chǎn)生巨大電流變化而產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，通過動(dòng)力線纜耦合到附近CAN總線。正常的CAN波形如圖3所示，而有干擾的CAN波形如圖4所示。對(duì)圖4進(jìn)行放大并串行譯碼，可得圖5。

從圖5中可知，由于脈沖干擾導(dǎo)致18FF22F3這一幀報(bào)文連續(xù)發(fā)了3次才發(fā)送成功。這不僅增加了CAN線的負(fù)擔(dān)，而且也使通訊時(shí)間延遲，造成很多不可控的因素。

圖3 正常CAN總線CAN_H與CAN_L之間的波形

圖4 有干擾的CAN總線CAN_H與CAN_L之間的波形

圖5 由干擾引起的CAN總線錯(cuò)誤幀的波形圖

通過進(jìn)一步放大有干擾的波形圖可以看到，本來是一個(gè)隱性位的電平，由于一個(gè)脈沖干擾，被拉高成顯性位。CAN總線的位錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制檢測(cè)到發(fā)送的為隱性位但總線狀態(tài)為顯性，導(dǎo)致CAN線發(fā)動(dòng)了一個(gè)主動(dòng)錯(cuò)誤。這就是由整車電磁環(huán)境的不友好造成的。

針對(duì)這種情況，可以根據(jù)干擾脈沖的周期算出它的頻率，根據(jù)干擾的頻率基本上可以判斷干擾源是來自電機(jī)控制器還是集成電源。一般情況下，電動(dòng)客車上的電機(jī)控制器干擾頻率在10 kHz左右，而集成電源造成的干擾頻率較高，一般在40 kHz左右。根據(jù)確定的干擾源，可以有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行一些濾波處理，如加磁環(huán)或者一些濾波電容等[5-7]。

如果干擾源不好整改，可以從被干擾的CAN總線上進(jìn)行優(yōu)化。一般情況下，CAN總線受干擾較嚴(yán)重都是由于屏蔽線搭鐵不良或者某個(gè)模塊的電源負(fù)極線過長(zhǎng)。針對(duì)后一種情況，只要在靠近模塊的地方就近搭鐵就好了，原因?yàn)樵跊]有干擾的情況下，可以把地線看成是根導(dǎo)線；但是在有干擾的環(huán)境中，還要考慮它的等效電感，如果干擾太強(qiáng)以及導(dǎo)線走線過長(zhǎng)，就會(huì)感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢(shì)，而這個(gè)地線電壓又是CAN收發(fā)器的參考電壓，如果它不穩(wěn)定了，總線的通訊勢(shì)必受到影響。

通過以上幾步基本可以排除整車大部分CAN總線的故障。

2 提升CAN總線質(zhì)量的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)客車中配置的電子電器設(shè)備由于種類不同、空間安放位置各異，因此其電磁特性各不相同，使得電動(dòng)客車內(nèi)部空間的電磁場(chǎng)分布相對(duì)復(fù)雜。復(fù)雜的電磁環(huán)境很容易對(duì)CAN總線的信號(hào)形成串?dāng)_，這種串?dāng)_在整車上的排查非常困難[8]。因此只有在前期的設(shè)計(jì)中做好相應(yīng)的防護(hù)工作，才能從根本上提升CAN總線的通訊質(zhì)量及整車的安全性及可靠性。提升CAN總線信號(hào)質(zhì)量的主要設(shè)計(jì)改進(jìn)方案如下：

1) 對(duì)于高、低壓線束，尤其是高壓線與低壓CAN信號(hào)通訊線束，必須分開排布，避免線纜交叉布置造成的干擾。高低壓排布應(yīng)保證200 mm以上的空間距離。如果高壓線束與低壓線束有交叉，盡量使他們呈90°布置。

2) 電機(jī)高壓線纜應(yīng)獨(dú)立于其他線束走線，與其他線束最小距離為500 mm。同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)線束與其他線束長(zhǎng)距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁串?dāng)_[9]。

3) 高壓線束均需要帶屏蔽層，高壓線束連接器也要求帶屏蔽功能，或者通過其他搭接方式能夠?qū)崿F(xiàn)高壓線束屏蔽層搭鐵，屏蔽網(wǎng)端頭部分最好采用360°環(huán)接措施[10-11]。尤其是電機(jī)控制器處的高壓線一定要保證可靠的屏蔽搭鐵，因?yàn)殡姍C(jī)控制器是主要的干擾源，如果此處屏蔽搭鐵效果不好，很容易將干擾引入CAN總線，降低通訊質(zhì)量。

4) 系統(tǒng)屏蔽效能不但與高壓線束、高壓部件殼體本身的屏蔽性能有關(guān)，還與兩者在屏蔽端的處理工藝有關(guān)。為保證屏蔽連續(xù)性，屏蔽層連接電阻R的阻值應(yīng)小于100 mΩ。

5) 對(duì)于內(nèi)部帶有晶振的控制模塊，如儀表、整車控制器、電機(jī)控制器、BMS、DC/DC等，其電源線設(shè)計(jì)盡量縮短，對(duì)于電流較小的模塊的電源線可以采用帶有屏蔽層的二芯導(dǎo)線。

6) 對(duì)于大功率感性負(fù)載，如刮水器電機(jī)、ATS風(fēng)扇及其水泵、暖風(fēng)風(fēng)機(jī)等，其電源線在條件允許的情況下可以分離出來單獨(dú)設(shè)計(jì)。

7) 對(duì)于無線設(shè)備，如收音機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、車載調(diào)度終端等，其收發(fā)天線盡量單獨(dú)走線，或與CAN通訊線保持100 mm以上的距離。

3 結(jié)束語

某廠樣車通過運(yùn)用本文介紹的提升CAN總線質(zhì)量的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后，其電磁兼容性得到大幅改善，CAN總線信號(hào)質(zhì)量明顯提升。并且根據(jù)CAN總線數(shù)據(jù)分析鎖定干擾方法的指導(dǎo)，筆者在電動(dòng)客車下線調(diào)試以及市場(chǎng)電動(dòng)客車問題處理時(shí)，也能夠得以快速解決與通訊和干擾相關(guān)的問題。