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CAN總線在新能源汽車中的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及應(yīng)用分析

作者: 時間:2022-12-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

從事汽車相關(guān)行業(yè)的小伙伴們,都知道CAN總線,它是當(dāng)今汽車各電控單元之間通信的總線標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在幾乎所有的汽車廠家都選擇使用CAN總線通信。CAN總線起初便是基于BOSCH公司為了解決汽車的電子控制單元增多帶來的布線空間矛盾、汽車重量增加等諸多問題而誕生的。同時,CAN總線將汽車內(nèi)部各電控單元之間連接成一個局域網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了信息的共享,大大減少了汽車的線束。新能源汽車更多資訊在“優(yōu)能工程師”,由易到難,由淺入深,全方位學(xué)習(xí),維信館主。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202212/442025.htm

圖 1 整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖

一、整車框圖

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

如圖所示 BMS 中核心控制器采用 NXP 的 S32K144,該 MCU 為 Cortex M4 內(nèi)核,最高工作頻率可達(dá)112 MHz,內(nèi)置了 48 MHz 的 RC 振蕩器,帶有 3 個 CAN 接口,其中 1 路支持 CAN FD 協(xié)議,當(dāng) CAN FD 配置為可變速率時,其數(shù)據(jù)域最高位速率可達(dá)到 8 Mbit/s。使用 S32K144 完成對電池組的狀態(tài)監(jiān)測及與整車主控制器的通信,簡化開發(fā)流程,通信效率也會大幅提升。

新能源汽車采用的動力電池電壓較高,其內(nèi)部由電池單芯組成電池組,再由數(shù)個電池組通過串并聯(lián)方式組成整個動力電池包,以提高動力電池的輸出能力。其輸出電壓通常會達(dá)到 300V,有些甚至高達(dá) 600V, 在搭建電池與整車的監(jiān)測與通信網(wǎng)絡(luò)時,電池組的高壓系統(tǒng)與整車通信網(wǎng)絡(luò)之間的是大家首要解決的問題。

整個 BMS 控制系統(tǒng)包含一個 BMS 主控單元及數(shù)個 BMS 從控單元,從控單元完成對整個動力電池中的獨立電池組進行監(jiān)控管理,并將數(shù)據(jù)上傳至主控 BMS 中,電池內(nèi)部 BMS 從控單元通信采用傳統(tǒng) CAN 網(wǎng)絡(luò),主控與整車采用多個 CAN 接口,完成數(shù)據(jù)、控制、顯示等信號的傳輸。

對動力電池組的監(jiān)控部分供電采用 DC-DC 隔離電源,數(shù)據(jù)采集控制器處理采集的各項電池信號,通過隔離 CAN 模塊發(fā)送至 BMS 主控制器。


圖 3 從控單元 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

三、BMS 間的電氣隔離

汽車內(nèi)部通常采用的是 12V 蓄電池供電系統(tǒng),要完成對高壓電池組的管理監(jiān)控,必須實現(xiàn)可靠的電源及信號隔離,本設(shè)計中需要對每個獨立電池組的 BMS 從控單元進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,動力電池內(nèi)部的 BMS 從控單元的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)以及 BMS 主控單元與整車的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。由于動力電池是由內(nèi)部的多個電池組串并聯(lián)形成的,各個電池組之間都有一定的電壓差,每個電池組的 BMS 都以該電池組的地作為系統(tǒng)的參考地進行電池組的數(shù)據(jù)采樣, 因此 BMS 從控單元間的數(shù)據(jù)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 等多個等級,這些可滿足動力電池內(nèi)部的隔離要求。隔離電源可選用致遠(yuǎn)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)實現(xiàn)了電源與信號的隔離,

因此 BMS 與整車進行通信的電氣硬件連接時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)器實現(xiàn)。CAN FD 接口驅(qū)動可采用 NXP 的 TJA1044GTK 實現(xiàn),其最高通信速率達(dá)到 5 Mbit/s,可實現(xiàn)電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)的傳輸。


圖 4 CAN 總線組網(wǎng)設(shè)計

四、抗干擾設(shè)計

高效可靠的通信除了必要的接口隔離,汽車每個控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾設(shè)計也不可或缺。動力電池內(nèi)部常有高壓大電流線束,這些線束通常會對通信網(wǎng)絡(luò)造成干擾。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)為雙絞線,選用合適的雙絞線,會使整車網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力大幅提升。汽車內(nèi)部的各個 ECU 之間的電氣連接線都是捆扎在一起的,這些線束通常會包含各種控制信號線,通信網(wǎng)絡(luò)線,ECU 的電源線等,電池組內(nèi)部也是如此,這些通信網(wǎng)絡(luò)線通常離電池的動力線較近,其受到的干擾也最大,而對于當(dāng)今的電動車,整車的 ECU 單元也越來越多,CAN 總線網(wǎng)絡(luò)受到的電磁干擾也更加嚴(yán)重,因此對于電池組的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾設(shè)計要格外注意。

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

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

各個 BMS 單元接入總線主干網(wǎng)的電纜盡可能短;

CAN 網(wǎng)絡(luò)盡量遠(yuǎn)離動力線,離開12V 電源線及控制線;

BMS 接入整車網(wǎng)絡(luò)的接口套磁環(huán)。

五、CAN總線通信的優(yōu)點

1.提高整個系統(tǒng)的可靠性。

2.減少各種線束數(shù)量,減小線束橫截面積,布線靈活,降低布線成本。

3.可多重使用傳感器。

4.能夠傳輸復(fù)雜數(shù)據(jù)。

5.進行系統(tǒng)變更時更具靈活性,隨時能夠擴展數(shù)據(jù)范圍。

6.為客戶實現(xiàn)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,CAN總線具有以下的特點:總線訪問——非破壞性仲裁的載波偵聽、多路訪問、沖突避免;多主機廣播式結(jié)構(gòu),自動優(yōu)先級仲裁,實時性很強;傳輸錯誤自動重發(fā),自動CRC校驗接收,數(shù)據(jù)出錯率極低;差分信號傳輸抗干擾能力強,適合汽車內(nèi)部強干擾的環(huán)境;硬件報文濾波功能,減輕CPU負(fù)擔(dān)。

基于以上的特點,CAN總線能保證實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸,保證汽車整車網(wǎng)絡(luò)的通訊正常,在新能源汽車行業(yè)具有不可替代的地位。




關(guān)鍵詞: 電壓隔離

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