基于CAN 總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)電源管理通信系統設計

摘 要：電動(dòng)汽車(chē)的電源管理方案，涉及到了發(fā)動(dòng)機、電動(dòng)機、蓄電池的工作狀況、車(chē)輛行駛速度、行駛阻力以及駕駛員的操作等諸多參數，利用CAN總線(xiàn)技術(shù)，把以上參數的測控裝置連接起來(lái)，是實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)的電源管理的關(guān)鍵步驟，本文主要論述了基于CAN 總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)電源管理中的通信系統設計與實(shí)現技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；電源管理； CAN 總線(xiàn)；通信技術(shù)

隨著(zhù)石油價(jià)格的上漲以及環(huán)保要求的提高，電動(dòng)已經(jīng)成為是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要方向。對于以電池供電的全電動(dòng)力系統或者以發(fā)動(dòng)機和蓄電池混合動(dòng)力系統而言，電源管理系統設計是關(guān)系車(chē)輛性能的一個(gè)重要因素，設計時(shí)需要考慮綜合車(chē)輛總體設計方案和外部使用環(huán)境，為了節約電源，還需要設計一定的控制策略保證電源的最佳利用。所以很有必要對全電車(chē)輛的電源管理系統進(jìn)行深入探討。

1，電動(dòng)汽車(chē)能源管理的重要性
電動(dòng)汽車(chē)的電源管理，主要作用在于充分發(fā)揮燃料的燃燒效能，使發(fā)動(dòng)機在最佳工況點(diǎn)附近工作，并通過(guò)電動(dòng)機和蓄電池的能量?jì)渑c輸出，及時(shí)調節車(chē)輛運行工況和外界路面條件之間的匹配關(guān)系。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統設計方面，目前最有實(shí)用性?xún)r(jià)值并已有商業(yè)化運轉的模式，只有混合動(dòng)力汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力系統總成已從原來(lái)發(fā)動(dòng)機與電機離散結構向發(fā)動(dòng)機電機和變速箱一體化結構發(fā)展，即集成化混合動(dòng)力總成系統。所以，這里只考慮混合動(dòng)力系統的電源管理情況?；旌蟿?dòng)力系統的電源管理，從功能上而言，需要實(shí)現如下兩個(gè)目標：

（1）保證發(fā)動(dòng)機的最佳工況，避免出現發(fā)動(dòng)機的低效工作。通?？蓪l(fā)動(dòng)機調整在最佳工況點(diǎn)附近穩定運轉，通過(guò)調整電池和電動(dòng)機的輸出來(lái)適應各種外界路況變化。例如，當車(chē)輛處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅動(dòng)電動(dòng)機，當車(chē)輛處啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機- 電動(dòng)機組和電池組共同向電動(dòng)機提供電能。這樣，由于發(fā)動(dòng)機避免了怠速和低速運轉從而提高了發(fā)動(dòng)機的效率，不僅減少了廢氣排放，而且節約了電源。

（2 ）充分利用車(chē)輛的慣性能量。當車(chē)輛減速、制動(dòng)或者下坡路行駛時(shí)，則由車(chē)輪的慣性力驅動(dòng)電動(dòng)機。這時(shí)電動(dòng)機變成了發(fā)電機，可以反向蓄電池充電，節約了燃料。

統計表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車(chē)僅利用了動(dòng)力潛能的40％，在市區還會(huì )跌至25％，而采用電源優(yōu)化管理的電動(dòng)車(chē)輛，如豐田的Prius汽車(chē)，其動(dòng)力性已經(jīng)超過(guò)同級車(chē)水平，燃油節省75%。

2，電源管理系統的通信需求與CAN 總線(xiàn)技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)的電源管理，需要隨時(shí)監控發(fā)動(dòng)機、電動(dòng)機、蓄電池的工作狀況、車(chē)輛行駛速度、行駛阻力數據以及駕駛員的操作情況，并且能夠根據上述數據經(jīng)過(guò)智能化處理后自動(dòng)控制節能裝置或者電路工作，所以需要首先解決與能量消耗和能量轉換相關(guān)的部件運行狀態(tài)傳感器的連接方式。

目前，汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信主要采用CAN 總線(xiàn)技術(shù)，該總線(xiàn)技術(shù)最早由德國B(niǎo)OSCH 公司推出，主要用于解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換問(wèn)題。利用CAN 總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)電源管理系統，不僅通信速率高、準確、可靠性高，而且易于與整車(chē)控制網(wǎng)絡(luò )相兼容，為傳感器信號、各個(gè)控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車(chē)或離車(chē)故障診斷等提供了基礎平臺，所以本課題中，采用CAN 總線(xiàn)作為電源管理的基本通信技術(shù)。

3，基于CAN 總線(xiàn)的能源管控系統拓撲結構

電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)部分耗能與節能系統連接起來(lái)形成的基于CAN 總線(xiàn)的能源管控網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1 所示，共包括制動(dòng)能量轉換裝置、動(dòng)力總成、電池管理、電機控制器、行駛阻力測試幾個(gè)下位關(guān)鍵監測節點(diǎn)和一個(gè)由車(chē)載計算機系統構成的上位主控節點(diǎn)。

圖1 基于CAN 總線(xiàn)的能源管控網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

制動(dòng)能量轉換裝置與駕駛員的操控監測系統、電池電機控制器共同工作。當駕駛員踩踏制動(dòng)踏板時(shí)，首先制動(dòng)電機靠近待制動(dòng)的旋轉器件，如傳動(dòng)軸，消耗車(chē)輛慣性能量，并轉換為電能，同時(shí)操控監測系統監測到制動(dòng)踏板動(dòng)作時(shí)，對電池充電電路進(jìn)行調整，實(shí)現制動(dòng)電機傳遞過(guò)來(lái)的電能的存儲。

動(dòng)力總成系統主要用于實(shí)現發(fā)動(dòng)機工況的優(yōu)化運行。在正常行使的情況下，發(fā)動(dòng)機的能量分為兩路，一路傳遞給車(chē)輛傳動(dòng)與推進(jìn)系統，驅動(dòng)車(chē)輛正常行使，另一路則帶動(dòng)電機工作，向蓄電池供電。此時(shí)，電機與電池構成的輔助動(dòng)力系統相當于一個(gè)能量調節裝置，通過(guò)電池電機控制器和行駛阻力測試裝置，根據外界路況的變化，實(shí)現發(fā)動(dòng)機兩路輸出能量的調整和分配。

通過(guò)CAN總線(xiàn)，車(chē)載計算機系統構成的上位主控節點(diǎn)把整個(gè)能源管控網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件系統，進(jìn)行數據采集、數據分析和控制策略的輸出，實(shí)現外界行駛阻力與發(fā)動(dòng)機能量調整之間的優(yōu)化匹配，實(shí)現車(chē)輛內部的能量轉換利用，實(shí)現電機、電池系統的節能、蓄能和補充能量的調節作用。