基于CAN 總線的電動(dòng)汽車電源管理通信設(shè)計(jì)

　　摘 要：電動(dòng)汽車的電源管理方案，涉及到了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、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(cè)控裝置連接起來，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(dòng)汽車電源管理中的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電源管理； CAN 總線；通信技術(shù)

　　隨著石油價(jià)格的上漲以及環(huán)保要求的提高，電動(dòng)已經(jīng)成為是未來汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向。對(duì)于以電池供電的全電動(dòng)力系統(tǒng)或者以發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是關(guān)系車輛性能的一個(gè)重要因素，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮綜合車輛總體設(shè)計(jì)方案和外部使用環(huán)境，為了節(jié)約電源，還需要設(shè)計(jì)一定的控制策略保證電源的最佳利用。所以很有必要對(duì)全電車輛的電源管理系統(tǒng)進(jìn)行深入探討。

1，電動(dòng)汽車能源管理的重要性

　　電動(dòng)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(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近工作，并通過電動(dòng)機(jī)和蓄電池的能量?jī)?chǔ)備與輸出，及時(shí)調(diào)節(jié)車輛運(yùn)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(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，目前最有實(shí)用性價(jià)值并已有商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)的模式，只有混合動(dòng)力汽車。混合動(dòng)力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)。所以，這里只考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)的電源管理情況?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的電源管理，從功能上而言，需要實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)目標(biāo)：

（1）保證發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工況，避免出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低效工作。通常可將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來適應(yīng)各種外界路況變化。例如，當(dāng)車輛處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)車輛處啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)- 電動(dòng)機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供電能。這樣，由于發(fā)動(dòng)機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)車輛減速、制動(dòng)或者下坡路行駛時(shí)，則由車輪的慣性力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，可以反向蓄電池充電，節(jié)約了燃料。

統(tǒng)計(jì)表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動(dòng)力潛能的40％，在市區(qū)還會(huì)跌至25％，而采用電源優(yōu)化管理的電動(dòng)車輛，如豐田的Prius汽車，其動(dòng)力性已經(jīng)超過同級(jí)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(dòng)汽車的電源管理，需要隨時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、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(dòng)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(yùn)行狀態(tài)傳感器的連接方式。

　　目前，汽車內(nèi)部測(cè)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)最早由德國(guó)BOSCH 公司推出，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)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(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)，不僅通信速率高、準(zhǔn)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(hào)、各個(gè)控制單元的計(jì)算信息和運(yùn)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(tái)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，共包括制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置、動(dòng)力總成、電池管理、電機(jī)控制器、行駛阻力測(cè)試幾個(gè)下位關(guān)鍵監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)由車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點(diǎn)。

圖1 基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置與駕駛員的操控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電池電機(jī)控制器共同工作。當(dāng)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板時(shí)，首先制動(dòng)電機(jī)靠近待制動(dòng)的旋轉(zhuǎn)器件，如傳動(dòng)軸，消耗車輛慣性能量，并轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)操控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到制動(dòng)踏板動(dòng)作時(shí)，對(duì)電池充電電路進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電機(jī)傳遞過來的電能的存儲(chǔ)。

　　動(dòng)力總成系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的優(yōu)化運(yùn)行。在正常行使的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動(dòng)與推進(jìn)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)車輛正常行使，另一路則帶動(dòng)電機(jī)工作，向蓄電池供電。此時(shí)，電機(jī)與電池構(gòu)成的輔助動(dòng)力系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)能量調(diào)節(jié)裝置，通過電池電機(jī)控制器和行駛阻力測(cè)試裝置，根據(jù)外界路況的變化，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)兩路輸出能量的調(diào)整和分配。

　　通過CAN總線，車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點(diǎn)把整個(gè)能源管控網(wǎng)絡(luò)連接起來，通過專門的軟件系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制策略的輸出，實(shí)現(xiàn)外界行駛阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)能量調(diào)整之間的優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換利用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、電池系統(tǒng)的節(jié)能、蓄能和補(bǔ)充能量的調(diào)節(jié)作用。

4，基于CAN 總線的各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和通信流程

　　CAN 總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與CAN總線的通訊；另一類則是由單片機(jī)、CAN控制器及CAN驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，作為一類節(jié)點(diǎn)與CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在本文設(shè)計(jì)的能源管控系統(tǒng)中，上位主控節(jié)點(diǎn)采用了第一類CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，各個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)/控制系統(tǒng)采用了第二類CAN 總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(cuò)率。

　　對(duì)于各個(gè)下位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)而言，通常可采用51 系列單片機(jī)作為該節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)初級(jí)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(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN 控制器的差動(dòng)接受能力。采用上述三種元器件構(gòu)成的一個(gè)下位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(duì)其進(jìn)行軟件初始化之后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的速率、驗(yàn)收屏蔽碼、輸出引腳驅(qū)動(dòng)方式、總線模式及時(shí)鐘分頻進(jìn)行定義。整個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等)到總線上,同時(shí)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(bào)文。對(duì)于接收數(shù)據(jù),系統(tǒng)采用中斷的方式實(shí)現(xiàn),一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)裝載到相應(yīng)的報(bào)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(duì)接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行有選擇地逐位比較,只有標(biāo)識(shí)符匹配的報(bào)文才能進(jìn)入接收緩沖器,那些不符合要求的報(bào)文將被屏蔽于接收緩沖器外, 從而減輕CPU 處理報(bào)文的負(fù)擔(dān)。上位機(jī)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(yǔ)
　　CAN 總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已開始在汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過CAN 總線共享所有的信息和資源,達(dá)到簡(jiǎn)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(hù)性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。本文所設(shè)計(jì)的基于CAN 總線的電動(dòng)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(dòng)機(jī)工作效率的目的，并且技術(shù)相對(duì)比較成熟，具有高度靈活性、簡(jiǎn)單的擴(kuò)展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯(cuò)誤能力，對(duì)于提高汽車的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、安全性都有重要意義。