李 瑋，王 晶Li Wei，Wang Jing

純電動汽車電機(jī)控制器CAN通信丟失故障處理方法

李 瑋1，王 晶2Li Wei1，Wang Jing2

（1. 北京新能源汽車股份有限公司 工程研究院，北京 100176；2. 廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北 廊坊 065000）

給出了一種適用于純電動汽車電機(jī)控制器由于電磁干擾導(dǎo)致CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）通信丟失的故障處理方法。該方法通過電機(jī)控制器中間層軟件發(fā)送CAN通信生命信號的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件對零部件CAN通信狀態(tài)的監(jiān)控，應(yīng)用層根據(jù)生命信號計算出CAN通信的丟幀率，并評估出CAN通信丟失狀況，在此基礎(chǔ)上對與電機(jī)控制器通過CAN通信的零部件按照通信故障后的危害程度進(jìn)行分級，并分別給出了不同嚴(yán)重程度下各零部件的通信丟失故障處理方法。該方法在不改變現(xiàn)有設(shè)計方案及硬件選型的基礎(chǔ)上，充分通過策略優(yōu)化將電機(jī)控制器CAN通信故障的危害程度降低，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，同時提高了車上人員的駕乘感受。

純電動汽車；通信丟失；故障處理

0 引 言

車輛作為當(dāng)今世界的重要交通工具，其行駛環(huán)境復(fù)雜多樣，與傳統(tǒng)燃油車不同，純電動汽車存在大量的高壓零部件，如動力電池、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機(jī)與加熱電阻）、DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流轉(zhuǎn)換器）等，因此面臨著比傳統(tǒng)燃油車更為嚴(yán)峻的電磁干擾問題[1-3]。電磁干擾能夠干擾傳感器、通信等系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)而引發(fā)安全隱患，也因?yàn)槿绱耍冸妱悠嚨碾姶鸥蓴_問題也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一[4-5]。目前解決純電動汽車電磁干擾問題主要從3個方面著手，一是設(shè)計源頭優(yōu)化；二是硬件防御；三是軟件防護(hù)。設(shè)計源頭優(yōu)化指的是在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段就采用各種措施，如通過優(yōu)化設(shè)計方案等，來避免或減少未來產(chǎn)品的電磁干擾問題；硬件防御一般指的是通過提高零部件等級與抗干擾能力降低電磁干擾問題對系統(tǒng)整體的影響；軟件防御則是在現(xiàn)有電磁環(huán)境下，通過合理設(shè)計軟件策略來降低電磁干擾對車輛的影響。一般而言，首先需要通過設(shè)計優(yōu)化來避免或減少后期產(chǎn)品的電磁干擾問題，在此基礎(chǔ)上提高硬件水平，軟件防御大多是作為最后的手段來彌補(bǔ)電磁干擾對系統(tǒng)的影響。

針對純電動汽車行駛工況的復(fù)雜多樣，以及由于自身特性導(dǎo)致當(dāng)前階段車輛電磁干擾未被完全解決的問題[6-9]，提出了一種適用于純電動汽車電機(jī)控制器由于電磁干擾導(dǎo)致CAN通信丟失的故障處理方法。該方法通過電機(jī)控制器的中間層軟件發(fā)送CAN通信生命信號的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件對零部件CAN通信狀態(tài)的監(jiān)控，應(yīng)用層根據(jù)生命信號計算出CAN通信的丟幀率，并評估出CAN通信丟失狀況，在此基礎(chǔ)上對與電機(jī)控制器通過CAN通信的零部件按照通信故障后的危害程度進(jìn)行分級，并分別給出了不同嚴(yán)重程度下各零部件的通信丟失故障處理方法。該方法在不改變現(xiàn)有設(shè)計方案及硬件選型的基礎(chǔ)上，充分通過策略優(yōu)化將電機(jī)控制器CAN通信故障的危害程度降低，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，同時提高了車上人員的駕乘感受。

1 電機(jī)控制器軟件架構(gòu)

MCU（Motor Control Unit，電機(jī)控制器）的軟件構(gòu)架如圖1所示。

圖1 電機(jī)控制器軟件構(gòu)架

電機(jī)控制器軟件可分為3層，分別為應(yīng)用層、中間層與底層。應(yīng)用層為具體的控制算法實(shí)現(xiàn)提供支持，如弱磁控制、電流環(huán)控制等，其目的是生成具體的控制器代碼；中間層為應(yīng)用層的功能實(shí)現(xiàn)提供支持，如操作系統(tǒng)一般在這一層；底層為中間層提供具體支持，是硬件與軟件溝通的橋梁，如提供通信驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)A/D（Analog to Digital，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）功能等，并向中間層提供控制和算法所需要的接口。

2 CAN通信丟失檢測與嚴(yán)重度分級

CAN通信丟失故障處理方法主要由中間層與應(yīng)用層共同實(shí)現(xiàn)。

由中間層判斷某零部件的CAN通信狀態(tài)，并按照固定周期n向應(yīng)用層發(fā)送生命信號Counter，其中中間層每接收到一次CAN生命信號Counter便自動加1；令該零部件的CAN報文發(fā)送周期為，則應(yīng)用層每×?xí)r間判斷一次生命信號Counter的增量（其中×為一個檢測周期，為正整數(shù)，>0），定義Counter的增量為n，在此基礎(chǔ)上得到本次檢測周期內(nèi)的CAN丟幀率，具體為

式中：CANloss為本次檢測周期內(nèi)的CAN丟幀率。在計算出CAN丟幀率的前提下評估CAN通信丟失的嚴(yán)重程度，具體邏輯如圖2所示。

其中為連續(xù)一定檢測周期條件下的CAN通信丟幀率。如圖2所示若小于等于規(guī)定閾值1，則認(rèn)為此時CAN網(wǎng)絡(luò)處于輕度丟失狀態(tài)（輕度級別，該級別包括無丟幀情況），同時認(rèn)為對行車安全無影響；若1＜則由輕度CAN通信丟失狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到中度CAN通信丟失狀態(tài)（中度級別），此時認(rèn)為對行車安全有輕微影響；若值繼續(xù)升高并超過2，則由中度CAN通信丟失狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到嚴(yán)重CAN通信丟失狀態(tài)（嚴(yán)重級別）。若值降低，則可以從嚴(yán)重級別向中度及輕度級別跳轉(zhuǎn)，在跳轉(zhuǎn)過程中引入了滯環(huán)參數(shù)（>0），以防止相鄰狀態(tài)間的頻繁切換。

車輛中不同零部件會根據(jù)其所實(shí)現(xiàn)的功能按照不同的周期發(fā)送CAN報文，中間層利用固定周期n進(jìn)行計數(shù)，并輸出CAN通信生命信號，在應(yīng)用層中根據(jù)該零部件CAN報文發(fā)送周期進(jìn)行丟幀率的計算，保證中間層軟件的可移植性，使其便于平臺化推廣。相對于中間層來說，應(yīng)用層軟件更加易于修改，并且在車輛開發(fā)過程中，時常會根據(jù)CAN總線負(fù)載率來調(diào)整零部件的CAN報文發(fā)送周期，因此對于應(yīng)用層軟件來說可將零部件的CAN報文發(fā)送周期設(shè)定為標(biāo)定量，之后根據(jù)需求的變化對其進(jìn)行調(diào)整，不僅方便軟件開發(fā)，同時能夠保證中間層軟件的一致性。

3 CAN通信零部件分級

為保證電機(jī)控制器的功能實(shí)現(xiàn)，需要與6個外部零部件進(jìn)行CAN通信，分別為ICM（Instrument Control Monitor，儀表控制器）、DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流轉(zhuǎn)換器）、ABS（Antilock Brake System，制動防抱死系統(tǒng)）、ESP（Electronic Stability Program，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）、BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)），電機(jī)控制器與以上6個部件發(fā)生通信丟失故障后對整車安全造成的影響是不同的，因此根據(jù)發(fā)生CAN通信故障后的危害對以上6個零部件進(jìn)行分級，如圖3所示。

ICM、DC/DC與電機(jī)控制器發(fā)生CAN通信故障時對整車安全影響較小，即使接收不到ICM與DC/DC的CAN報文也不會影響電機(jī)控制器的正常工作與行車安全，因此將這2個零部件的CAN通信故障危害等級定為低；行車過程中，若接收不到ABS與ESP的CAN報文，會影響電機(jī)控制器的制動能量回收功能，進(jìn)而對駕駛員的駕乘感受造成影響，因此將這2個零部件的CAN通信故障危害等級定為中；若電機(jī)控制器接收不到VCU或BMS的CAN報文，會使電機(jī)控制器無法接收到VCU的控制命令、扭矩命令、電池的SOC和電池最大放電功率值等信息，影響電機(jī)的扭矩輸出和功率輸出，同時危害行車安全，因此將這2個零部件的CAN通信故障危害等級定為高。

圖3 CAN通信故障零部件危害等級

4 CAN通信丟失電機(jī)控制器故障策略

結(jié)合CAN通信丟失的嚴(yán)重等級，給出各零部件發(fā)生通信丟失后的故障策略，見表1。

表1 電機(jī)控制器CAN通信丟失故障及應(yīng)對策略

5 結(jié) 論

純電動汽車電機(jī)控制器CAN通信丟失故障處理方法首先根據(jù)中間層發(fā)出的生命信號提出一種判斷CAN通信丟失程度的機(jī)制，根據(jù)計算得到的丟幀率將CAN通信丟失分為輕度、中度以及嚴(yán)重3個級別，為后續(xù)制定零部件CAN通信丟失故障策略提供了量化依據(jù)；另外該方法對與電機(jī)控制器進(jìn)行CAN通信的各相關(guān)零部件按照通信丟失后的行車危害程度進(jìn)行了區(qū)分，分為輕、中、嚴(yán)重3個等級，同樣為制定通信丟失故障具體策略提供了參考。在此基礎(chǔ)上針對同電機(jī)控制器進(jìn)行CAN通信的6個部件給出了一套CAN通信丟失故障的處理方法，其中6個零部件分別為ICM、DC/DC、ABS、ESP、VCU和BMS。所給出的故障策略以CAN通信丟失程度及各部件通信丟失后的安全危害程度為主要依據(jù)，在所制定的策略中，當(dāng)通信丟失危害程度較低時，充分考慮駕駛員的行車感受，盡量減少對車輛的限制；當(dāng)危害程度達(dá)到一定程度后，通過主動限制（限制扭矩、功率輸出、關(guān)閉PWM）、點(diǎn)亮報警燈、鳴報警音等方式降低安全隱患、提醒車上人員，為行車安全提供了有力保障。

以上電機(jī)控制器CAN通信丟失故障處理機(jī)制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于量產(chǎn)純電動汽車產(chǎn)品中，并取得了良好的效果。

[1]宋保林，陶銀鵬．純電動汽車電機(jī)控制器傳導(dǎo)性電磁干擾抑制[J]. 汽車工程，2013，35（11）：996-999.

[2]蔣曉琴. 淺談純電動汽車與燃油汽車電磁干擾的區(qū)別與聯(lián)系 [J]. 汽車電器，2018（8）：11-12.

[3]王若愚，暢溫隆，張攀. 新能源汽車法規(guī)符合性研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2018（21）：24-26.

[4]李興宇. 純電動汽車電磁兼容分析與電磁干擾抑制[J]. 汽車零部件，2017（10）：77-79.

[5]李旭，王麗芳，何舉剛，等．電動汽車BMS 電磁兼容性能優(yōu)化研究［J］．電工電能新技術(shù)，2014，33（3）：39-43．

[6]武哲，高松，李軍偉，等．純電動汽車時間觸發(fā)總通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)消息調(diào)度策略研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（9）：279-285.

[7]王振國. 基于CAN總線的純電動汽車組合儀表設(shè)計[J]. 上海汽車，2013（3）：21-24.

[8]韓友國，王若飛，陶穎，等. 純電動汽車CAN總線通信系統(tǒng)研究[J]. 科技視界，2018（1）：1-3.

[9]鐘勇，鐘志華，余群明，等. 電動汽車CAN總線通用協(xié)議的應(yīng)用研究[J]. 汽車工程，2006，28（5）：422-426.

U463.6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.010

1002-4581（2020）01-0035-04