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

　　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。

　　4 基于CAN 總線(xiàn)的各監控節點(diǎn)結構和通信流程

　　CAN 總線(xiàn)節點(diǎn)結構一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)采用CAN適配卡與PC機相連，實(shí)現上位機與CAN總線(xiàn)的通訊;另一類(lèi)則是由單片機、CAN控制器及CAN驅動(dòng)器構成，作為一類(lèi)節點(diǎn)與CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，在本文設計的能源管控系統中，上位主控節點(diǎn)采用了第一類(lèi)CAN總線(xiàn)節點(diǎn)結構，各個(gè)關(guān)鍵監測/控制系統采用了第二類(lèi) CAN 總線(xiàn)節點(diǎn)結構。各個(gè)節點(diǎn)的結構和系統的連接方式如圖2 所示。在總線(xiàn)的兩端配置了兩個(gè)120Ω的電阻，其作用是總線(xiàn)匹配阻抗，可以增加總線(xiàn)傳輸的穩定性和抗干擾能力，減少數據傳輸中的出錯率。

　　對于各個(gè)下位監控節點(diǎn)而言，通?？刹捎?1 系列單片機作為該節點(diǎn)的監測信號初級處理中心裝置，而用SJA1000 來(lái)做C A N 控制器，PCA82C250 則是一種常用的CAN 收發(fā)器和物理總線(xiàn)的接口，主要可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN 控制器的差動(dòng)接受能力。采用上述三種元器件構成的一個(gè)下位監控節點(diǎn)的電路圖形如圖3 所示。

　　CAN 總線(xiàn)的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。其中物理層和數據鏈路層的功能由SJA1000 完成。SJA1000 在上電硬件復位之后，必須對其進(jìn)行軟件初始化之后才可以進(jìn)行數據通訊，其主要作用是實(shí)現對總線(xiàn)的速率、驗收屏蔽碼、輸出引腳驅動(dòng)方式、總線(xiàn)模式及時(shí)鐘分頻進(jìn)行定義。整個(gè)能源管控系統通信過(guò)程中，各控制器按規定格式和周期發(fā)送數據(車(chē)速、蓄電池電壓、電流和行駛阻力和發(fā)動(dòng)機轉速等)到總線(xiàn)上,同時(shí)也要接收其它控制器的信息。

　　總線(xiàn)上其它控制器根據需要各取所需的報文。對于接收數據,系統采用中斷的方式實(shí)現,一旦中斷發(fā)生,即將接收的數據自動(dòng)裝載到相應的報文寄存器中。此時(shí)還可采用屏蔽濾波方式,利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預先在接收緩沖器初始化時(shí)設定的標識符進(jìn)行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進(jìn)入接收緩沖器,那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外, 從而減輕CPU 處理報文的負擔。上位機利用中斷方式接收相關(guān)數據的流程如圖4 所示。

　　5 結束語(yǔ)

　　CAN 總線(xiàn)作為一種可靠的汽車(chē)計算機網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)已開(kāi)始在汽車(chē)上得到應用,使得各汽車(chē)計算機控制單元能夠通過(guò)CAN 總線(xiàn)共享所有的信息和資源,達到簡(jiǎn)化布線(xiàn)、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個(gè)控制系統的目的。本文所設計的基于CAN 總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)能源管控系統通信方案，基本能夠實(shí)現節約能源，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機工作效率的目的，并且技術(shù)相對比較成熟，具有高度靈活性、簡(jiǎn)單的擴展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯誤能力，對于提高汽車(chē)的動(dòng)力性、操作穩定性、安全性都有重要意義。