CAN總線(xiàn)在新能源汽車(chē)中的通信網(wǎng)絡(luò )設計及應用分析

從事汽車(chē)相關(guān)行業(yè)的小伙伴們，都知道CAN總線(xiàn)，它是當今汽車(chē)各電控單元之間通信的總線(xiàn)標準，現在幾乎所有的汽車(chē)廠(chǎng)家都選擇使用CAN總線(xiàn)通信。CAN總線(xiàn)起初便是基于BOSCH公司為了解決汽車(chē)的電子控制單元增多帶來(lái)的布線(xiàn)空間矛盾、汽車(chē)重量增加等諸多問(wèn)題而誕生的。同時(shí)，CAN總線(xiàn)將汽車(chē)內部各電控單元之間連接成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了信息的共享，大大減少了汽車(chē)的線(xiàn)束。新能源汽車(chē)更多資訊在“優(yōu)能工程師”，由易到難，由淺入深，全方位學(xué)習，維信館主。

圖 1 整車(chē) CAN 網(wǎng)絡(luò )的結構圖

一、整車(chē)框圖

BMS 控制網(wǎng)絡(luò )只是整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的一小部分，而在電動(dòng)汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )中，除了 CAN，還有其他協(xié)調的通信網(wǎng)絡(luò )， 如 LIN、Ethernet、Flexray（高端車(chē)型）等。由此看來(lái)，汽車(chē) ECU 單元間的通信網(wǎng)絡(luò )本身就是一個(gè)復雜而龐大的系統，本文介紹的 BMS 電池組 CAN 網(wǎng)絡(luò )將通過(guò)電池管理ECU 連接至整車(chē) CAN 網(wǎng)絡(luò )。

圖 2 BMS 通信網(wǎng)絡(luò )

二、基于 CAN 網(wǎng)絡(luò )的BMS 通信系統

如圖所示 BMS 中核心控制器采用 NXP 的 S32K144，該 MCU 為 Cortex M4 內核，最高工作頻率可達112 MHz，內置了 48 MHz 的 RC 振蕩器，帶有 3 個(gè) CAN 接口，其中 1 路支持 CAN FD 協(xié)議，當 CAN FD 配置為可變速率時(shí)，其數據域最高位速率可達到 8 Mbit/s。使用 S32K144 完成對電池組的狀態(tài)監測及與整車(chē)主控制器的通信，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程，通信效率也會(huì )大幅提升。

新能源汽車(chē)采用的動(dòng)力電池電壓較高，其內部由電池單芯組成電池組，再由數個(gè)電池組通過(guò)串并聯(lián)方式組成整個(gè)動(dòng)力電池包，以提高動(dòng)力電池的輸出能力。其輸出電壓通常會(huì )達到 300V，有些甚至高達 600V， 在搭建電池與整車(chē)的監測與通信網(wǎng)絡(luò )時(shí)，電池組的高壓系統與整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )之間的電壓隔離是大家首要解決的問(wèn)題。

整個(gè) BMS 控制系統包含一個(gè) BMS 主控單元及數個(gè) BMS 從控單元，從控單元完成對整個(gè)動(dòng)力電池中的獨立電池組進(jìn)行監控管理，并將數據上傳至主控 BMS 中，電池內部 BMS 從控單元通信采用傳統 CAN 網(wǎng)絡(luò )，主控與整車(chē)采用多個(gè) CAN 接口，完成數據、控制、顯示等信號的傳輸。

對動(dòng)力電池組的監控部分供電采用 DC-DC 隔離電源，數據采集控制器處理采集的各項電池信號，通過(guò)隔離 CAN 模塊發(fā)送至 BMS 主控制器。

圖 3 從控單元 CAN 網(wǎng)絡(luò )設計

三、BMS 間的電氣隔離

汽車(chē)內部通常采用的是 12V 蓄電池供電系統，要完成對高壓電池組的管理監控，必須實(shí)現可靠的電源及信號隔離，本設計中需要對每個(gè)獨立電池組的 BMS 從控單元進(jìn)行電源和通信的電氣隔離，如圖 2 所示。

BMS 的通信網(wǎng)絡(luò )主要包括兩部分，動(dòng)力電池內部的 BMS 從控單元的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò )以及 BMS 主控單元與整車(chē)的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò )。由于動(dòng)力電池是由內部的多個(gè)電池組串并聯(lián)形成的，各個(gè)電池組之間都有一定的電壓差，每個(gè)電池組的 BMS 都以該電池組的地作為系統的參考地進(jìn)行電池組的數據采樣， 因此 BMS 從控單元間的數據通信可采用隔離模塊。目前常用的隔離 CAN 接口及隔離電源的隔離電壓等級有 2500VDC、3 000VDC 和 3500VDC 等多個(gè)等級，這些可滿(mǎn)足動(dòng)力電池內部的隔離要求。隔離電源可選用致遠的 ZY2405WRFCS-3W 模塊， 該模塊輸入電壓 9～18VDC，隔離電壓 3 000VDC。CAN 接口隔離可選用 CTM1051KT，其通信速率范圍 40k～1 Mbit/s，隔離電壓 3 500VDC。

BMS 主控單元與從控單元已經(jīng)實(shí)現了電源與信號的隔離，

因此 BMS 與整車(chē)進(jìn)行通信的電氣硬件連接時(shí)不需要使用隔離模塊。BMS 主控單元的 CAN 接口可使用 TJA1051 通用 CAN 收發(fā)器實(shí)現。CAN FD 接口驅動(dòng)可采用 NXP 的 TJA1044GTK 實(shí)現，其最高通信速率達到 5 Mbit/s，可實(shí)現電池組狀態(tài)數據及控制數據的傳輸。

圖 4 CAN 總線(xiàn)組網(wǎng)設計

四、抗干擾設計

高效可靠的通信除了必要的接口隔離，汽車(chē)每個(gè)控制系統通信網(wǎng)絡(luò )的抗干擾設計也不可或缺。動(dòng)力電池內部常有高壓大電流線(xiàn)束，這些線(xiàn)束通常會(huì )對通信網(wǎng)絡(luò )造成干擾。CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中信號傳輸的介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，選用合適的雙絞線(xiàn)，會(huì )使整車(chē)網(wǎng)絡(luò )的抗干擾能力大幅提升。汽車(chē)內部的各個(gè) ECU 之間的電氣連接線(xiàn)都是捆扎在一起的，這些線(xiàn)束通常會(huì )包含各種控制信號線(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)，ECU 的電源線(xiàn)等，電池組內部也是如此，這些通信網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)通常離電池的動(dòng)力線(xiàn)較近，其受到的干擾也最大，而對于當今的電動(dòng)車(chē)，整車(chē)的 ECU 單元也越來(lái)越多，CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )受到的電磁干擾也更加嚴重，因此對于電池組的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò )抗干擾設計要格外注意。

如圖 4 給出了使用雙層屏蔽線(xiàn)組網(wǎng)的示意圖，針對圖 4 可總結為以下幾個(gè)方面來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )的抗干擾能力：

使用雙層屏蔽雙絞線(xiàn)，外屏蔽層單點(diǎn)接大地，其中 CGND 通過(guò) 102 電容接機殼；

各個(gè) BMS 單元接入總線(xiàn)主干網(wǎng)的電纜盡可能短；

CAN 網(wǎng)絡(luò )盡量遠離動(dòng)力線(xiàn)，離開(kāi)12V 電源線(xiàn)及控制線(xiàn)；

BMS 接入整車(chē)網(wǎng)絡(luò )的接口套磁環(huán)。

五、CAN總線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)

1.提高整個(gè)系統的可靠性。

2.減少各種線(xiàn)束數量，減小線(xiàn)束橫截面積，布線(xiàn)靈活，降低布線(xiàn)成本。

3.可多重使用傳感器。

4.能夠傳輸復雜數據。

5.進(jìn)行系統變更時(shí)更具靈活性，隨時(shí)能夠擴展數據范圍。

6.為客戶(hù)實(shí)現新型功能。

7.有效診斷。

8.降低硬件成本。

相比于，目前流行的以太網(wǎng)和485總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)具有以下的特點(diǎn)：總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)——非破壞性仲裁的載波偵聽(tīng)、多路訪(fǎng)問(wèn)、沖突避免；多主機廣播式結構，自動(dòng)優(yōu)先級仲裁，實(shí)時(shí)性很強；傳輸錯誤自動(dòng)重發(fā)，自動(dòng)CRC校驗接收，數據出錯率極低；差分信號傳輸抗干擾能力強，適合汽車(chē)內部強干擾的環(huán)境；硬件報文濾波功能，減輕CPU負擔。

基于以上的特點(diǎn)，CAN總線(xiàn)能保證實(shí)時(shí)可靠的數據傳輸，保證汽車(chē)整車(chē)網(wǎng)絡(luò )的通訊正常，在新能源汽車(chē)行業(yè)具有不可替代的地位。