CAN現場(chǎng)總線(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)控制系統中的應用

該系統主要由驅動(dòng)控制模塊、再生制動(dòng)控制模塊、電機控制模塊、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(guò)CAN實(shí)現各個(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(chē)的一些基本狀態(tài)信息（如電機轉速、電池荷電狀態(tài)、車(chē)速等）是大部分控制單元必須獲取的數據，控制單元采用廣播方式向總線(xiàn)發(fā)送數據。

如果在同一時(shí)刻所有控制單元都向總線(xiàn)發(fā)送數據，將發(fā)生總線(xiàn)上的數據沖突，因此，CAN總線(xiàn)協(xié)議提出了用標識符識別數據優(yōu)先權的總線(xiàn)仲裁。表1給出了電動(dòng)汽車(chē)電控單元接收及發(fā)送的數據類(lèi)型及其它單元對這些信息共享的程序。

表1 電動(dòng)汽車(chē)電控單元接收及發(fā)送的數據類(lèi)型注：T-發(fā)送，R-接收

2. 模塊單元電路框圖

在對高速CAN上的節點(diǎn)進(jìn)行硬件設計時(shí)采用通用擴展單元（UDU）。這樣只需通過(guò)改變軟件來(lái)實(shí)現各節點(diǎn)的不同功能，從而簡(jiǎn)化了硬件系統設計。

通用擴展單元結構如圖2所示。

圖2 通用擴展單元在通用擴展單元中選用AT89C52作微控制器

它是一個(gè)低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含8kB的可反復擦寫(xiě)的只讀程序存儲器（EPROM）和256B的隨機存取數據存儲器（RAM），兼容標準MCS251指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，可適用于許多較復雜系統的控制應用場(chǎng)合。

CAN控制器采用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000，它是應用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨立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(jiǎn)單總線(xiàn)連接的SJA1000可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。它可以存儲一條將在CAN總線(xiàn)上發(fā)送或接收的完整報文，另外具有64字節擴展接收緩沖區REFIFO，接收緩存更大，在微控制器處理一個(gè)報文的同時(shí)可以繼續接收其它發(fā)來(lái)的報文。

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

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

3. 電池管理控制系統設計

蓄電池對電動(dòng)汽車(chē)而言是影響整車(chē)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，它對續駛里程、加速性能和最大爬坡度等性能都會(huì )產(chǎn)生直接影響。電池控制系統主要是監控電池的工作狀態(tài)（電池電壓、電流和溫度），管理電池的工作情況（避免出現過(guò)放電、過(guò)充、過(guò)熱和單體電池之間電壓嚴重不平衡現象）以便最大限度地利用電池的存儲能力和循環(huán)壽命。其結構如圖3。

圖3 電池管理控制單元結構圖

該系統主要實(shí)現以下功能。

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

（2）UDU接收來(lái)自總線(xiàn)的汽車(chē)行駛狀態(tài)數據根據汽車(chē)動(dòng)力需求實(shí)時(shí)調整電動(dòng)機轉速及功率輸出;當收到制動(dòng)信息時(shí)，控制單元調控逆變器和電動(dòng)機的動(dòng)作，啟動(dòng)再生制動(dòng)系統回收制動(dòng)能量。

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

4. 系統可靠性設計

由于汽車(chē)內溫度變化范圍大（-45～100℃），電磁干擾和其它電子噪聲強，環(huán)境惡劣，要保證系統在車(chē)內運行的可靠性，就必須提高網(wǎng)絡(luò )結構自身的容錯能力和抗干擾能力。

在設計時(shí)采用軟硬件結合的方法進(jìn)行抗干擾。

硬件方面采用電磁兼容設計，重點(diǎn)處理靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳輸線(xiàn)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(mén)狗等電路。具體措施如下。

（1）傳輸線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)。

（2）用看門(mén)狗定時(shí)器進(jìn)行超時(shí)復位。

（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構成的光電隔離電路，電源也采用微型DC/DC模塊來(lái)進(jìn)行隔離。

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

（5）傳輸介質(zhì)的損壞或總線(xiàn)驅動(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)檢測并采取相應措施排除，將使系統部分甚至完全失去通信能力。解決這一問(wèn)題的有效途徑是采用冗余通信控制，從而保證通信系統主要功能正常運行，以此提高系統的可靠性。

軟件方面采用比錯和容錯等技術(shù)，對信號進(jìn)行軟件濾波，設計上電復位抗干擾程序，運用實(shí)效保險等技術(shù)設計抗瞬間干擾程序等。

五、結束語(yǔ)

介紹CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)及在電動(dòng)汽車(chē)上的應用，設計了基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統的節點(diǎn)設置，并引入通用擴展單元簡(jiǎn)化了系統硬件設計，對影響電動(dòng)汽車(chē)性能的電池管理控制單元進(jìn)行了優(yōu)化設計。該系統具有結構緊湊、可靠性高、功能完善和成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的工作要求。