基于CAN 總線的電動汽車電源管理通信系統(tǒng)設(shè)計
出處：forhappy 發(fā)布于：2007-10-19 11:59:47
摘 要：電動汽車的電源管理方案，涉及到了發(fā)動機、電動機、蓄電池的工作狀況、車輛行駛速度、行駛阻力以及駕駛員的操作等諸多參數(shù)，利用CAN總線技術(shù)，把以上參數(shù)的測控裝置連接起來，是實現(xiàn)電動汽車的電源管理的關(guān)鍵步驟，本文主要論述了基于CAN 總線的電動汽車電源管理中的通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：電動汽車；電源管理； CAN 總線；通信技術(shù)
隨著石油價格的上漲以及環(huán)保要求的提高，電動已經(jīng)成為是未來汽車發(fā)展的一個重要方向。對于以電池供電的全電動力系統(tǒng)或者以發(fā)動機和蓄電池混合動力系統(tǒng)而言，電源管理系統(tǒng)設(shè)計是關(guān)系車輛性能的一個重要因素，設(shè)計時需要考慮綜合車輛總體設(shè)計方案和外部使用環(huán)境，為了節(jié)約電源，還需要設(shè)計一定的控制策略保證電源的利用。所以很有必要對全電車輛的電源管理系統(tǒng)進行深入探討。
1，電動汽車能源管理的重要性
電動汽車的電源管理，主要作用在于充分發(fā)揮燃料的燃燒效能，使發(fā)動機在工況點附近工作，并通過電動機和蓄電池的能量儲備與輸出，及時調(diào)節(jié)車輛運行工況和外界路面條件之間的匹配關(guān)系。經(jīng)過十多年的發(fā)展，電動汽車的動力系統(tǒng)設(shè)計方面，目前有實用性價值并已有商業(yè)化運轉(zhuǎn)的模式，只有混合動力汽車?；旌蟿恿ο到y(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。所以，這里只考慮混合動力系統(tǒng)的電源管理情況?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的電源管理，從功能上而言，需要實現(xiàn)如下兩個目標：
（1）保證發(fā)動機的工況，避免出現(xiàn)發(fā)動機的低效工作。通?？蓪l(fā)動機調(diào)整在工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機的輸出來適應(yīng)各種外界路況變化。例如，當車輛處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，當車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機- 電動機組和電池組共同向電動機提供電能。這樣，由于發(fā)動機避免了怠速和低速運轉(zhuǎn)從而提高了發(fā)動機的效率，不僅減少了廢氣排放，而且節(jié)約了電源。
（2 ）充分利用車輛的慣性能量。當車輛減速、制動或者下坡路行駛時，則由車輪的慣性力驅(qū)動電動機。這時電動機變成了發(fā)電機，可以反向蓄電池充電，節(jié)約了燃料。
統(tǒng)計表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的40％，在市區(qū)還會跌至25％，而采用電源優(yōu)化管理的電動車輛，如豐田的Prius汽車，其動力性已經(jīng)超過同級車水平，燃油節(jié)省75%。
2，電源管理系統(tǒng)的通信需求與CAN 總線技術(shù)
電動汽車的電源管理，需要隨時監(jiān)控發(fā)動機、電動機、蓄電池的工作狀況、車輛行駛速度、行駛阻力數(shù)據(jù)以及駕駛員的操作情況，并且能夠根據(jù)上述數(shù)據(jù)經(jīng)過智能化處理后自動控制節(jié)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(zhuǎn)換相關(guān)的部件運行狀態(tài)傳感器的連接方式。
目前，汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信主要采用CAN 總線技術(shù)，該總線技術(shù)早由德國BOSCH 公司推出，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題。利用CAN 總線開發(fā)的電動汽車電源管理系統(tǒng)，不僅通信速率高、準確、可靠性高，而且易于與整車控制網(wǎng)絡(luò)相兼容，為傳感器信號、各個控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎(chǔ)平臺，所以本課題中，采用CAN 總線作為電源管理的基本通信技術(shù)。
3，基于CAN 總線的能源管控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
電動汽車底盤部分耗能與節(jié)能系統(tǒng)連接起來形成的基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示，共包括制動能量轉(zhuǎn)換裝置、動力總成、電池管理、電機控制器、行駛阻力測試幾個下位關(guān)鍵監(jiān)測節(jié)點和一個由車載計算機系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點。
圖1 基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
動能量轉(zhuǎn)換裝置與駕駛員的操控監(jiān)測系統(tǒng)、電池電機控制器共同工作。當駕駛員踩踏制動踏板時，首先制動電機靠近待制動的旋轉(zhuǎn)器件，如傳動軸，消耗車輛慣性能量，并轉(zhuǎn)換為電能，同時操控監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到制動踏板動作時，對電池充電電路進行調(diào)整，實現(xiàn)制動電機傳遞過來的電能的存儲。
動力總成系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)發(fā)動機工況的優(yōu)化運行。在正常行使的情況下，發(fā)動機的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進系統(tǒng)，驅(qū)動車輛正常行使，另一路則帶動電機工作，向蓄電池供電。此時，電機與電池構(gòu)成的輔助動力系統(tǒng)相當于一個能量調(diào)節(jié)裝置，通過電池電機控制器和行駛阻力測試裝置，根據(jù)外界路況的變化，實現(xiàn)發(fā)動機兩路輸出能量的調(diào)整和分配。
通過CAN總線，車載計算機系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點把整個能源管控網(wǎng)絡(luò)連接起來，通過專門的軟件系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制策略的輸出，實現(xiàn)外界行駛阻力與發(fā)動機能量調(diào)整之間的優(yōu)化匹配，實現(xiàn)車輛內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換利用，實現(xiàn)電機、電池系統(tǒng)的節(jié)能、蓄能和補充能量的調(diào)節(jié)作用。
4，基于CAN 總線的各監(jiān)控節(jié)點結(jié)構(gòu)和通信流程
CAN 總線節(jié)點結(jié)構(gòu)一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機相連，實現(xiàn)上位機與CAN總線的通訊；另一類則是由單片機、CAN控制器及CAN驅(qū)動器構(gòu)成，作為一類節(jié)點與CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，在本文設(shè)計的能源管控系統(tǒng)中，上位主控節(jié)點采用了類CAN總線節(jié)點結(jié)構(gòu)，各個關(guān)鍵監(jiān)測/控制系統(tǒng)采用了第二類CAN 總線節(jié)點結(jié)構(gòu)。各個節(jié)點的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的連接方式如圖2 所示。在總線的兩端配置了兩個120Ω的電阻，其作用是總線匹配阻抗，可以增加總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，減少數(shù)據(jù)傳輸中的出錯率。
對于各個下位監(jiān)控節(jié)點而言，通?？刹捎?1 系列單片機作為該節(jié)點的監(jiān)測信號初級處理中心裝置，而用SJA1000 來做C A N 控制器，PCA82C250 則是一種常用的CAN 收發(fā)器和物理總線的接口，主要可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN 控制器的差動接受能力。采用上述三種元器件構(gòu)成的一個下位監(jiān)控節(jié)點的電路圖形如圖3 所示。
CAN 總線的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由SJA1000 完成。SJA1000 在上電硬件復(fù)位之后，必須對其進行軟件初始化之后才可以進行數(shù)據(jù)通訊，其主要作用是實現(xiàn)對總線的速率、驗收屏蔽碼、輸出引腳驅(qū)動方式、總線模式及時鐘分頻進行定義。整個能源管控系統(tǒng)通信過程中，各控制器按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)(車速、蓄電池電壓、電流和行駛阻力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等)到總線上,同時也要接收其它控制器的信息?？偩€上其它控制器根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù),系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn),一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應(yīng)的報文寄存器中。此時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(yù)先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標識符進行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器,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(shù)據(jù)的流程如圖4 所示。
5，結(jié)束語
CAN 總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡(luò)總線已開始在汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN 總線共享所有的信息和資源,達到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的。本文所設(shè)計的基于CAN 總線的電動汽車能源管控系統(tǒng)通信方案，基本能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約能源，優(yōu)化發(fā)動機工作效率的目的，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，對于提高汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性都有重要意義。
關(guān)鍵詞：電動汽車；電源管理； CAN 總線；通信技術(shù)
隨著石油價格的上漲以及環(huán)保要求的提高，電動已經(jīng)成為是未來汽車發(fā)展的一個重要方向。對于以電池供電的全電動力系統(tǒng)或者以發(fā)動機和蓄電池混合動力系統(tǒng)而言，電源管理系統(tǒng)設(shè)計是關(guān)系車輛性能的一個重要因素，設(shè)計時需要考慮綜合車輛總體設(shè)計方案和外部使用環(huán)境，為了節(jié)約電源，還需要設(shè)計一定的控制策略保證電源的利用。所以很有必要對全電車輛的電源管理系統(tǒng)進行深入探討。
1，電動汽車能源管理的重要性
電動汽車的電源管理，主要作用在于充分發(fā)揮燃料的燃燒效能，使發(fā)動機在工況點附近工作，并通過電動機和蓄電池的能量儲備與輸出，及時調(diào)節(jié)車輛運行工況和外界路面條件之間的匹配關(guān)系。經(jīng)過十多年的發(fā)展，電動汽車的動力系統(tǒng)設(shè)計方面，目前有實用性價值并已有商業(yè)化運轉(zhuǎn)的模式，只有混合動力汽車?；旌蟿恿ο到y(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。所以，這里只考慮混合動力系統(tǒng)的電源管理情況?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的電源管理，從功能上而言，需要實現(xiàn)如下兩個目標：
（1）保證發(fā)動機的工況，避免出現(xiàn)發(fā)動機的低效工作。通?？蓪l(fā)動機調(diào)整在工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機的輸出來適應(yīng)各種外界路況變化。例如，當車輛處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，當車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機- 電動機組和電池組共同向電動機提供電能。這樣，由于發(fā)動機避免了怠速和低速運轉(zhuǎn)從而提高了發(fā)動機的效率，不僅減少了廢氣排放，而且節(jié)約了電源。
（2 ）充分利用車輛的慣性能量。當車輛減速、制動或者下坡路行駛時，則由車輪的慣性力驅(qū)動電動機。這時電動機變成了發(fā)電機，可以反向蓄電池充電，節(jié)約了燃料。
統(tǒng)計表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的40％，在市區(qū)還會跌至25％，而采用電源優(yōu)化管理的電動車輛，如豐田的Prius汽車，其動力性已經(jīng)超過同級車水平，燃油節(jié)省75%。
2，電源管理系統(tǒng)的通信需求與CAN 總線技術(shù)
電動汽車的電源管理，需要隨時監(jiān)控發(fā)動機、電動機、蓄電池的工作狀況、車輛行駛速度、行駛阻力數(shù)據(jù)以及駕駛員的操作情況，并且能夠根據(jù)上述數(shù)據(jù)經(jīng)過智能化處理后自動控制節(jié)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(zhuǎn)換相關(guān)的部件運行狀態(tài)傳感器的連接方式。
目前，汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信主要采用CAN 總線技術(shù)，該總線技術(shù)早由德國BOSCH 公司推出，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題。利用CAN 總線開發(fā)的電動汽車電源管理系統(tǒng)，不僅通信速率高、準確、可靠性高，而且易于與整車控制網(wǎng)絡(luò)相兼容，為傳感器信號、各個控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎(chǔ)平臺，所以本課題中，采用CAN 總線作為電源管理的基本通信技術(shù)。
3，基于CAN 總線的能源管控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
電動汽車底盤部分耗能與節(jié)能系統(tǒng)連接起來形成的基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示，共包括制動能量轉(zhuǎn)換裝置、動力總成、電池管理、電機控制器、行駛阻力測試幾個下位關(guān)鍵監(jiān)測節(jié)點和一個由車載計算機系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點。
圖1 基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
動能量轉(zhuǎn)換裝置與駕駛員的操控監(jiān)測系統(tǒng)、電池電機控制器共同工作。當駕駛員踩踏制動踏板時，首先制動電機靠近待制動的旋轉(zhuǎn)器件，如傳動軸，消耗車輛慣性能量，并轉(zhuǎn)換為電能，同時操控監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到制動踏板動作時，對電池充電電路進行調(diào)整，實現(xiàn)制動電機傳遞過來的電能的存儲。
動力總成系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)發(fā)動機工況的優(yōu)化運行。在正常行使的情況下，發(fā)動機的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進系統(tǒng)，驅(qū)動車輛正常行使，另一路則帶動電機工作，向蓄電池供電。此時，電機與電池構(gòu)成的輔助動力系統(tǒng)相當于一個能量調(diào)節(jié)裝置，通過電池電機控制器和行駛阻力測試裝置，根據(jù)外界路況的變化，實現(xiàn)發(fā)動機兩路輸出能量的調(diào)整和分配。
通過CAN總線，車載計算機系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點把整個能源管控網(wǎng)絡(luò)連接起來，通過專門的軟件系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制策略的輸出，實現(xiàn)外界行駛阻力與發(fā)動機能量調(diào)整之間的優(yōu)化匹配，實現(xiàn)車輛內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換利用，實現(xiàn)電機、電池系統(tǒng)的節(jié)能、蓄能和補充能量的調(diào)節(jié)作用。
4，基于CAN 總線的各監(jiān)控節(jié)點結(jié)構(gòu)和通信流程
CAN 總線節(jié)點結(jié)構(gòu)一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機相連，實現(xiàn)上位機與CAN總線的通訊；另一類則是由單片機、CAN控制器及CAN驅(qū)動器構(gòu)成，作為一類節(jié)點與CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，在本文設(shè)計的能源管控系統(tǒng)中，上位主控節(jié)點采用了類CAN總線節(jié)點結(jié)構(gòu)，各個關(guān)鍵監(jiān)測/控制系統(tǒng)采用了第二類CAN 總線節(jié)點結(jié)構(gòu)。各個節(jié)點的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的連接方式如圖2 所示。在總線的兩端配置了兩個120Ω的電阻，其作用是總線匹配阻抗，可以增加總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，減少數(shù)據(jù)傳輸中的出錯率。
對于各個下位監(jiān)控節(jié)點而言，通?？刹捎?1 系列單片機作為該節(jié)點的監(jiān)測信號初級處理中心裝置，而用SJA1000 來做C A N 控制器，PCA82C250 則是一種常用的CAN 收發(fā)器和物理總線的接口，主要可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN 控制器的差動接受能力。采用上述三種元器件構(gòu)成的一個下位監(jiān)控節(jié)點的電路圖形如圖3 所示。
CAN 總線的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由SJA1000 完成。SJA1000 在上電硬件復(fù)位之后，必須對其進行軟件初始化之后才可以進行數(shù)據(jù)通訊，其主要作用是實現(xiàn)對總線的速率、驗收屏蔽碼、輸出引腳驅(qū)動方式、總線模式及時鐘分頻進行定義。整個能源管控系統(tǒng)通信過程中，各控制器按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)(車速、蓄電池電壓、電流和行駛阻力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等)到總線上,同時也要接收其它控制器的信息?？偩€上其它控制器根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù),系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn),一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應(yīng)的報文寄存器中。此時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(yù)先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標識符進行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器,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(shù)據(jù)的流程如圖4 所示。
5，結(jié)束語
CAN 總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡(luò)總線已開始在汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN 總線共享所有的信息和資源,達到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的。本文所設(shè)計的基于CAN 總線的電動汽車能源管控系統(tǒng)通信方案，基本能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約能源，優(yōu)化發(fā)動機工作效率的目的，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，對于提高汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性都有重要意義。
參考文獻:
[1]. SJA1000 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/SJA1000+_609075.html.
[2]. PCA82C250 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/PCA82C250+_542618.html.
關(guān)鍵詞：基于CAN 總線的電動汽車電源管理通信系統(tǒng)設(shè)計PCA82C250SJA1000
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