基于CAN总线的电动汽车控制系统设计

一、前言

CAN总线是德国博世公司在20世纪80年代初开发的一种通信协议，用于解决汽车中许多控制和测试仪器之间的数据交换。CAN总线由于其卓越的可靠性、实时性和灵活性，在业界得到了广泛的认可和应用，并于1993年正式成为国际标准和行业标准，被誉为“最有前途的现场总线”之一。以CAN为代表的总线技术在汽车中的应用，不仅减少了车身线束，而且提高了汽车的可靠性。在国外现代汽车的设计中，CAN已经成为一项必要的技术。梅赛德斯-奔驰、宝马、大众、沃尔沃和雷诺都使用CAN作为控制器联网的手段。目前，我国CAN总线技术在汽车中的应用存在较大差距，CAN总线技术应用于电动汽车的研究仍处于起步阶段。

电动汽车集成了许多电子控制系统，如电池管理系统、电机控制系统、驱动控制系统、再生制动系统和ABS系统。电子设备的广泛应用将不可避免地导致车身布线的增加和复杂性、运行可靠性的降低、线路功率损耗的增加以及故障维护的困难。特别是随着大量电子控制单元的引入，为了提高信号的利用率，需要不同的电子单元共享大量的数据和信息，汽车综合控制系统中的大量控制信号也需要实时交换。传统的线束远远不能满足这一需求。将CAN总线技术引入电动汽车可以克服上述缺点，具有广阔的应用前景。本文将CAN总线技术应用于电动汽车控制系统，采用通用扩展单元解决电动汽车控制体系电路设计复杂的问题，并将各电控单元的信息进行优化组合，实现信息的充分共享，从而提高电动汽车控制系统的性能。

第二，CAN总线的特点

CAN属于现场总线类别，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线在工业控制领域的广泛应用得益于其自身的技术特点。

（1） 数据可以通过多种方式传输和接收，如点对点、点对多点和全球广播，只需通过消息过滤，而无需特殊的“调度”。

（2） 灵活的沟通方式。CAN以多主模式工作，网络中的任何节点都可以随时主动向网络上的其他节点发送信息，而不考虑主节点和从节点，也不需要站点地址等节点信息。

（3） CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级最高的节点可以在不受影响的情况下继续发送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载较重的情况下。

（4） 短帧格式通信具有传输时间短、干扰概率低、检错效果好的优点。每帧最大字节数为8，可以满足一般工业领域对控制命令、工作条件和测试数据的一般要求。同时，8B不会占用太长的总线时间，从而保证了实时通信。

（5） CAN信息的每一帧都有CRC校验和其他错误检测措施，这确保了数据通信的可靠性。

第三，CAN总线在电动汽车中的应用

CAN总线在电动汽车中的应用具有以下优点。

（1） 减少每个功能模块所需的线束数量和体积。

（2） 降低了整车质量和车辆成本，数据传输可靠性高，安装方便，扩展了车辆功能。

（3） 一些数据，如车速、电机转速和SOC，可以在总线上共享，因此去除了冗余传感器，以最大限度地减少传感器信号线，控制单元可以实现高速数据传输。

（4） 您可以通过添加节点来扩展该功能。如果在数据扩展中添加了新信息，则只需要升级软件即可。

（5） 实时监测和校正电磁输入引起的传输误差……

rference，并在检测到故障后存储故障代码。

目前，有许多汽车网络标准，侧重于不同的功能。为了便于研究、设计和应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网络分为A、B和C3类。

面向传感器/执行器控制的A类低速网络，数据传输比特率通常只有1~10kB/s。。主要用于电动门窗、座椅调节和照明控制。

b类是用于独立模块之间数据共享的中速网络，其比特率通常为10~100kb/s。它主要用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示和安全气囊系统，以减少冗余传感器和其他电子部件。

面向高速、实时闭环控制的C级多路传输网络，最高比特率可达1Mb/s，主要用于悬架控制、牵引力控制、先进的发动机控制和ABS系统，以简化分布式控制，进一步减少车身线束。到目前为止，唯一符合C类网络要求的汽车控制局域网是CAN协议。

第四，方案设计

该系统主要由驱动控制模块、再生制动控制模块、电机控制模块、能量管理模块、蓄电池控制模块、仪表显示模块和故障诊断模块组成。控制模块之间的信息通信通过CAN实现。除了发送和接收指令外，汽车的一些基本状态信息（如电机速度、电池充电状态、车速等）是大多数控制单元必须获得的数据，控制单元通过广播向总线发送数据。

如果所有控制单元同时向总线发送数据，则总线上将出现数据冲突。因此，CAN总线协议提出了带有标识符的总线仲裁来识别数据优先级。表1显示了电动汽车电子控制单元接收和发送的数据类型，以及其他单元共享这些信息的程序。

1.模块单元电路框图

通用扩展单元（UDU）用于高速CAN上节点的硬件设计。这样，只需更改软件即可实现每个节点的不同功能，从而简化了硬件系统设计。

它是一款低电压、高性能的CMOS8位单片机，包含8kB可擦除只读程序存储器（EPROM）和256B随机存取数据存储器（RAM），与标准MCS251指令系统兼容，并具有通用的8位中央处理单元和闪存单元，可应用于复杂系统的许多控制应用。

CAN控制器采用飞利浦公司生产的SJA1000，是一种用于汽车和一般工业环境的独立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信协议所需的所有必要特性。SJA1000具有简单的总线连接，可以完成物理层和数据链路层的所有功能。它可以存储要在CAN总线上发送或接收的完整信息。此外，它还有一个64字节的扩展接收缓冲器REFIFO，它有一个更大的接收缓冲器。当微控制器正在处理一条消息时，它可以继续接收其他消息。

总线收发器采用PCA82C250，在协议控制器和物理传输线之间提供直接接口，可以在两条具有差分电压的总线电缆上以高达1MB/s的速率传输数据。

铰接节点的最大数量可以达到110个。使用PCA82C250可以增加通信距离，提高系统的瞬时抗干扰能力，减少射频干扰。PCA82C250和SJA1000共同构成了CAN总线的控制和接口电路。

2.电池管理控制系统设计

电池是影响电动汽车性能的关键因素，它将直接影响续航里程、加速性能和最大爬坡程度。电池控制系统主要监测电池的工作状态（电池电压、电流和温度），并管理电池的工作状况（避免过放电、过充电、过热和单个电池之间的严重电压不平衡），以最大限度地利用电池的储能能力和循环寿命。其结构如图3所示。

该系统主要实现以下功能。

（1） 对主电池和辅助电池进行实时监控。主电池和辅助电池在充电和放电过程中的电池电压、电流和电池温度为c……

通过UDU选择，以便监测电池的工作状态并进行故障诊断。

（2） UDU从总线接收车辆运行状态数据，并根据车辆功率需求实时调整电机转速和功率输出；

当接收到制动信息时，控制单元调节逆变器和电动机的动作，并启动再生制动系统以回收制动能量。

（3） 预测剩余电池电量和相应的剩余行驶里程控制单元通过使用收集的充电和放电电流参数以及相应的算法来预测剩余电池功率。同时，通过使用从公交车接收的速度信息来估计剩余里程，并通过公交车将估计结果发送到仪表显示单元。

3.系统可靠性设计

由于温度范围广（-45~100℃），电磁干扰等电子噪声强，环境恶劣，为了保证系统在车内运行的可靠性，需要提高网络结构本身的容错和抗干扰能力。

在设计中，采用了软硬件结合的方法进行抗干扰。

硬件采用电磁兼容设计，重点处理传输线路和电路引入的静电场、磁场和干扰，并通过滤波、去耦、隔离、屏蔽和接地等方式增加电源电压检测、看门狗等电路。具体措施如下。

（1） 传输线采用屏蔽双绞线。

（2） 使用看门狗计时器重置超时。

（3） CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离装置6N137组成的光电隔离电路，电源也通过微型DC/DC模块隔离。

（4） 将PCA82C250的CANH和CANL通过一个5Ω电阻器连接到CAN总线上，该电阻器可以限制电流并保护PCA82C50免受过电流影响，并将CANH和CAN与一个30pF电容器并联接地，该电容器还可以过滤总线上的高频干扰。

（5） 传输介质或总线驱动器的损坏会破坏CAN的可靠通信。如果这些故障不能被自动检测和消除，系统的通信能力将部分甚至完全丧失。解决这一问题的有效方法是采用冗余通信控制，以确保通信系统主要功能的正常运行，提高系统的可靠性。

在软件方面，采用了误差比较和容错技术，通过软件对信号进行滤波，设计了上电复位的抗干扰程序，并利用有效性保险技术设计了抗瞬时干扰程序。

五、结论

本文介绍了CAN总线的特点及其在电动汽车中的应用，设计了基于CAN总线的电动汽车整车控制系统的节点设置，并引入了一个通用的扩展单元来简化系统的硬件设计，并优化影响电动汽车性能的电池管理控制单元的设计。该系统具有结构紧凑、可靠性高、功能完善、成本低的优点，能够更好地满足电动汽车的工作要求。

一、前言

CAN总线是德国博世公司在20世纪80年代初开发的一种通信协议，用于解决汽车中许多控制和测试仪器之间的数据交换。CAN总线由于其卓越的可靠性、实时性和灵活性，在业界得到了广泛的认可和应用，并于1993年正式成为国际标准和行业标准，被誉为“最有前途的现场总线”之一。以CAN为代表的总线技术在汽车中的应用，不仅减少了车身线束，而且提高了汽车的可靠性。在国外现代汽车的设计中，CAN已经成为一项必要的技术。梅赛德斯-奔驰、宝马、大众、沃尔沃和雷诺都使用CAN作为控制器联网的手段。目前，我国CAN总线技术在汽车中的应用存在较大差距，CAN总线技术应用于电动汽车的研究仍处于起步阶段。

电动汽车集成了许多电子控制系统，如电池管理系统、电机控制系统、驱动控制系统、再生制动系统和ABS系统。电子设备的广泛应用将不可避免地导致车身布线的增加和复杂性、运行可靠性的降低、线路功率损耗的增加以及故障维护的困难。特别是随着大量电子控制单元的引入，为了提高利用率……

不同的电子单元需要共享大量的数据和信息，汽车综合控制系统中的大量控制信号也需要实时交换。传统的线束远远不能满足这一需求。将CAN总线技术引入电动汽车可以克服上述缺点，具有广阔的应用前景。本文将CAN总线技术应用于电动汽车控制系统，采用通用扩展单元解决电动汽车控制体系电路设计复杂的问题，并将各电控单元的信息进行优化组合，实现信息的充分共享，从而提高电动汽车控制系统的性能。

第二，CAN总线的特点

CAN属于现场总线类别，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线在工业控制领域的广泛应用得益于其自身的技术特点。

（1） 数据可以通过多种方式传输和接收，如点对点、点对多点和全球广播，只需通过消息过滤，而无需特殊的“调度”。

（2） 灵活的沟通方式。CAN以多主模式工作，网络中的任何节点都可以随时主动向网络上的其他节点发送信息，而不考虑主节点和从节点，也不需要站点地址等节点信息。

（3） CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级最高的节点可以在不受影响的情况下继续发送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载较重的情况下。

（4） 短帧格式通信具有传输时间短、干扰概率低、检错效果好的优点。每帧最大字节数为8，可以满足一般工业领域对控制命令、工作条件和测试数据的一般要求。同时，8B不会占用太长的总线时间，从而保证了实时通信。

（5） CAN信息的每一帧都有CRC校验和其他错误检测措施，这确保了数据通信的可靠性。

第三，CAN总线在电动汽车中的应用

CAN总线在电动汽车中的应用具有以下优点。

（1） 减少每个功能模块所需的线束数量和体积。

（2） 降低了整车质量和车辆成本，数据传输可靠性高，安装方便，扩展了车辆功能。

（3） 一些数据，如车速、电机转速和SOC，可以在总线上共享，因此去除了冗余传感器，以最大限度地减少传感器信号线，控制单元可以实现高速数据传输。

（4） 您可以通过添加节点来扩展该功能。如果在数据扩展中添加了新信息，则只需要升级软件即可。

（5） 实时监测和纠正电磁干扰引起的传输错误，并在检测到故障后存储故障代码。

目前，有许多汽车网络标准，侧重于不同的功能。为了便于研究、设计和应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网络分为A、B和C3类。

面向传感器/执行器控制的A类低速网络，数据传输比特率通常只有1~10kB/s。。主要用于电动门窗、座椅调节和照明控制。

b类是用于独立模块之间数据共享的中速网络，其比特率通常为10~100kb/s。它主要用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示和安全气囊系统，以减少冗余传感器和其他电子部件。

面向高速、实时闭环控制的C级多路传输网络，最高比特率可达1Mb/s，主要用于悬架控制、牵引力控制、先进的发动机控制和ABS系统，以简化分布式控制，进一步减少车身线束。到目前为止，唯一符合C类网络要求的汽车控制局域网是CAN协议。

第四，方案设计

该系统主要由驱动控制模块、再生制动控制模块、电机控制模块、能量管理模块、蓄电池控制模块、仪表显示模块和故障诊断模块组成。控制模块之间的信息通信是真实的……

通过CAN。除了发送和接收指令外，汽车的一些基本状态信息（如电机速度、电池充电状态、车速等）是大多数控制单元必须获得的数据，控制单元通过广播向总线发送数据。

如果所有控制单元同时向总线发送数据，则总线上将出现数据冲突。因此，CAN总线协议提出了带有标识符的总线仲裁来识别数据优先级。表1显示了电动汽车电子控制单元接收和发送的数据类型，以及其他单元共享这些信息的程序。

1.模块单元电路框图

通用扩展单元（UDU）用于高速CAN上节点的硬件设计。这样，只需更改软件即可实现每个节点的不同功能，从而简化了硬件系统设计。

它是一款低电压、高性能的CMOS8位单片机，包含8kB可擦除只读程序存储器（EPROM）和256B随机存取数据存储器（RAM），与标准MCS251指令系统兼容，并具有通用的8位中央处理单元和闪存单元，可应用于复杂系统的许多控制应用。

CAN控制器采用飞利浦公司生产的SJA1000，是一种用于汽车和一般工业环境的独立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信协议所需的所有必要特性。SJA1000具有简单的总线连接，可以完成物理层和数据链路层的所有功能。它可以存储要在CAN总线上发送或接收的完整信息。此外，它还有一个64字节的扩展接收缓冲器REFIFO，它有一个更大的接收缓冲器。当微控制器正在处理一条消息时，它可以继续接收其他消息。

总线收发器采用PCA82C250，在协议控制器和物理传输线之间提供直接接口，可以在两条具有差分电压的总线电缆上以高达1MB/s的速率传输数据。

铰接节点的最大数量可以达到110个。使用PCA82C250可以增加通信距离，提高系统的瞬时抗干扰能力，减少射频干扰。PCA82C250和SJA1000共同构成了CAN总线的控制和接口电路。

2.电池管理控制系统设计

电池是影响电动汽车性能的关键因素，它将直接影响续航里程、加速性能和最大爬坡程度。电池控制系统主要监测电池的工作状态（电池电压、电流和温度），并管理电池的工作状况（避免过放电、过充电、过热和单个电池之间的严重电压不平衡），以最大限度地利用电池的储能能力和循环寿命。其结构如图3所示。

该系统主要实现以下功能。

（1） 对主电池和辅助电池进行实时监控。通过UDU采集主电池和辅助电池充放电过程中的电池电压、电流和电池温度，以监测电池的工作状态并进行故障诊断。

（2） UDU从总线接收车辆运行状态数据，并根据车辆功率需求实时调整电机转速和功率输出；

当接收到制动信息时，控制单元调节逆变器和电动机的动作，并启动再生制动系统以回收制动能量。

（3） 预测剩余电池电量和相应的剩余行驶里程控制单元通过使用收集的充电和放电电流参数以及相应的算法来预测剩余电池功率。同时，通过使用从公交车接收的速度信息来估计剩余里程，并通过公交车将估计结果发送到仪表显示单元。

3.系统可靠性设计

由于温度范围广（-45~100℃），电磁干扰等电子噪声强，环境恶劣，为了保证系统在车内运行的可靠性，需要提高网络结构本身的容错和抗干扰能力。

在设计中，采用了软硬件结合的方法进行抗干扰。

硬件采用电磁兼容设计，重点处理传输线路和电路引入的静电场、磁场和干扰，并通过滤波、去耦、隔离、屏蔽和接地等方式增加电源电压检测、看门狗等电路。具体措施如下。

（1） 传输线采用屏蔽双绞线。

（2） 使用看门狗计时器重置超时。

（3） CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离装置6N137组成的光电隔离电路，电源也通过微型DC/DC模块隔离。

（4） 将PCA82C250的CANH和CANL通过一个5Ω电阻器连接到CAN总线上，该电阻器可以限制电流并保护PCA82C50免受过电流影响，并将CANH和CAN与一个30pF电容器并联接地，该电容器还可以过滤总线上的高频干扰。

（5） 传输介质或总线驱动器的损坏会破坏CAN的可靠通信。如果这些故障不能被自动检测和消除，系统的通信能力将部分甚至完全丧失。解决这一问题的有效方法是采用冗余通信控制，以确保通信系统主要功能的正常运行，提高系统的可靠性。

在软件方面，采用了误差比较和容错技术，通过软件对信号进行滤波，设计了上电复位的抗干扰程序，并利用有效性保险技术设计了抗瞬时干扰程序。

五、结论

本文介绍了CAN总线的特点及其在电动汽车中的应用，设计了基于CAN总线的电动汽车整车控制系统的节点设置，并引入了一个通用的扩展单元来简化系统的硬件设计，并优化影响电动汽车性能的电池管理控制单元的设计。该系统具有结构紧凑、可靠性高、功能完善、成本低的优点，能够更好地满足电动汽车的工作要求。

标签：奔驰宝马世纪大众RAM

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