CAN現(xiàn)場總線在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)控制模塊、再生制動(dòng)控制模塊、電機(jī)控制模塊、能量管理模塊、電池控制模塊、儀表顯示模塊及故障診斷模塊等組成。通過CAN實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制模塊間的信息通信。除了指令的發(fā)送和接收外，汽車的一些基本狀態(tài)信息（如電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池荷電狀態(tài)、車速等）是大部分控制單元必須獲取的數(shù)據(jù)，控制單元采用廣播方式向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

如果在同一時(shí)刻所有控制單元都向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生總線上的數(shù)據(jù)沖突，因此，CAN總線協(xié)議提出了用標(biāo)識(shí)符識(shí)別數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)的總線仲裁。表1給出了電動(dòng)汽車電控單元接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型及其它單元對(duì)這些信息共享的程序。

表1 電動(dòng)汽車電控單元接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型注：T-發(fā)送，R-接收

2. 模塊單元電路框圖

在對(duì)高速CAN上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用通用擴(kuò)展單元（UDU）。這樣只需通過改變軟件來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的不同功能，從而簡化了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

通用擴(kuò)展單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通用擴(kuò)展單元在通用擴(kuò)展單元中選用AT89C52作微控制器

它是一個(gè)低電壓、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS251指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可適用于許多較復(fù)雜系統(tǒng)的控制應(yīng)用場合。

CAN控制器采用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000，它是應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。它可以存儲(chǔ)一條將在CAN總線上發(fā)送或接收的完整報(bào)文，另外具有64字節(jié)擴(kuò)展接收緩沖區(qū)REFIFO，接收緩存更大，在微控制器處理一個(gè)報(bào)文的同時(shí)可以繼續(xù)接收其它發(fā)來的報(bào)文。

總線收發(fā)器采用PCA82C250，它提供協(xié)議控制器和物理傳輸線路直接的接口，可以用高達(dá)1Mb/s的速率在2條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。

最多掛接節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。采用PCA82C250可以增大通信距離，提高系統(tǒng)瞬間抗干擾能力，降低射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同組成CAN總線的控制和接口電路。

3. 電池管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄電池對(duì)電動(dòng)汽車而言是影響整車性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，它對(duì)續(xù)駛里程、加速性能和最大爬坡度等性能都會(huì)產(chǎn)生直接影響。電池控制系統(tǒng)主要是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)（電池電壓、電流和溫度），管理電池的工作情況（避免出現(xiàn)過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象）以便最大限度地利用電池的存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命。其結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 電池管理控制單元結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）對(duì)主輔電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控通過UDU采集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監(jiān)控電池的工作狀況并進(jìn)行故障診斷。

（2）UDU接收來自總線的汽車行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)汽車動(dòng)力需求實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及功率輸出;當(dāng)收到制動(dòng)信息時(shí)，控制單元調(diào)控逆變器和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，啟動(dòng)再生制動(dòng)系統(tǒng)回收制動(dòng)能量。

（3）預(yù)測電池剩余電量和相應(yīng)的剩余行駛里程控制單元把采集到的充放電電流參數(shù)采用相應(yīng)的算法預(yù)測剩余電量。同時(shí)利用從總線上接收的車速信息估算剩余行駛里程，并把估算結(jié)果通過總線發(fā)送到儀表顯示單元。

4. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

由于汽車內(nèi)溫度變化范圍大（-45～100℃），電磁干擾和其它電子噪聲強(qiáng)，環(huán)境惡劣，要保證系統(tǒng)在車內(nèi)運(yùn)行的可靠性，就必須提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身的容錯(cuò)能力和抗干擾能力。

在設(shè)計(jì)時(shí)采用軟硬件結(jié)合的方法進(jìn)行抗干擾。

硬件方面采用電磁兼容設(shè)計(jì)，重點(diǎn)處理靜電場、磁場和傳輸線路及電路引入的干擾，采用濾波、去耦、隔離、屏蔽和接地等方式，加入電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。

（1）傳輸線采用屏蔽雙絞線。

（2）用看門狗定時(shí)器進(jìn)行超時(shí)復(fù)位。

（3）在CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的光電隔離電路，電源也采用微型DC/DC模塊來進(jìn)行隔離。

（4）將PCA82C250的CANH和CANL分別通過一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，可起到限流作用，保護(hù)PCA82C250免受過流沖擊，CANH和CANL分別并聯(lián)一個(gè)30pF的電容接地，也可過濾總線上的高頻干擾。

（5）傳輸介質(zhì)的損壞或總線驅(qū)動(dòng)器的損壞等都會(huì)破壞CAN的可靠通信，這些故障如不能自動(dòng)檢測并采取相應(yīng)措施排除，將使系統(tǒng)部分甚至完全失去通信能力。解決這一問題的有效途徑是采用冗余通信控制，從而保證通信系統(tǒng)主要功能正常運(yùn)行，以此提高系統(tǒng)的可靠性。

軟件方面采用比錯(cuò)和容錯(cuò)等技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，設(shè)計(jì)上電復(fù)位抗干擾程序，運(yùn)用實(shí)效保險(xiǎn)等技術(shù)設(shè)計(jì)抗瞬間干擾程序等。

五、結(jié)束語

介紹CAN總線的特點(diǎn)及在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置，并引入通用擴(kuò)展單元簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，對(duì)影響電動(dòng)汽車性能的電池管理控制單元進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、功能完善和成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足電動(dòng)汽車的工作要求。