電動汽車CAN總線通用協(xié)議的應用研究.doc

1、電動汽車CAN總線通用協(xié)議的應用研究1 前言 在電動汽車的研究中，通常采用嵌入式計算機或高性能單片機作為主控計算機。但就控制器的結(jié)構(gòu)而言，國外主要經(jīng)歷了集中式控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)兩代。CAN總線就是分布式控制系統(tǒng)的物理基礎之一，已成為電動汽車主流的總線結(jié)構(gòu)。 2CAN通信協(xié)議隨著CAN在各種領域的應用和推廣，對其通信格式的標準化提出了要求。1991年9月PhilipsSemiconductors制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（Ver-sion2.0）。該技術(shù)包括A和B兩部分。2.0A給出了CAN報文標準格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種格式。1993年11月ISO頒布了CAN國際標準IS

2、O11898,為控制局域網(wǎng)的標準化和規(guī)范化鋪平了道路。 目前，SAEJ1939標準已成為世界上各大車輛部件制造商均支持的重要通信標準，尤其在大客車、載貨汽車、特種車輛和工程機械中得到廣泛的應用。它共有10個子標準。J1939的通信協(xié)議是以CAN總線通信協(xié)議為基礎制定的，借用CAN的信息幀傳遞J1939的信息，即利用CAN總線的29位標識符形成J1939的編碼系統(tǒng)，這樣就約定了貨車和客車的通用編碼，并按這一規(guī)則形成了J1939的通信協(xié)議。表1為標準CAN和J1939信息幀的仲裁域和控制域的意義區(qū)別（擴展模式）。由此可見標準CAN和J1939通信協(xié)議的區(qū)別在于29位標識符。J1939的數(shù)據(jù)域與CA

3、N的數(shù)據(jù)域都是相同的。J1939是將CAN的29位標識符（ID）進行了物理定義，同時制定了相應數(shù)據(jù)定義。CAN的標準格式變?yōu)镴1939是通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,protocoldataunit）來實施和封裝的。每個PDU信息幀由7部分組成，結(jié)構(gòu)為P、R、DP、PF、PS、SA和DATA。PDU實際意義就是CAN的29位辨識碼加上數(shù)據(jù)。 在國家863計劃電動汽車重大專項中，雖也將通信協(xié)議課題列入其中，但總體看來是各自為政，沒有形成一個有效的具有指導意義的協(xié)議。本研究希望對行業(yè)的規(guī)范起到一定的推動作用。 3qr_HEV的CAN總線網(wǎng)絡 研究的基于CVT的類菱形混合動力汽車（qr_HEV）中采用C

4、AN總線網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)（如圖1），以SAEJ1939協(xié)議為參考依據(jù)，結(jié)合各類電動汽車的特點，并對其中不甚合理的地方進行了修改，制定了一個通用協(xié)議CN2004。它包括CN2004A和CN2004B兩個子協(xié)議。其中，CN2004B協(xié)議是以擴展幀報文格式為基礎的；而CN2004A協(xié)議是以標準幀報文格式為基礎的，將另文介紹。 qr_HEV中CAN總線上共有7個節(jié)點，按圖1從上到下、從左到右的順序，它們分別是車輛能源總成控制單元（VCU）、電機控制單元（MCU）、顯示控制單元（DCU）、電池控制單元（BCU）、CVT控制單元（CCU）、發(fā)動機電子油門控制單元（TCU）、輔助電器控制單元（ACU）。其中AC

5、U起網(wǎng)關(guān)作用，將BIT-BUS總線上信息與CAN總線上信息進行交流。 4 基于29位ID的通用協(xié)議CN2004B由于CAN協(xié)議沒有規(guī)定信息標志符的分配，因此可以根據(jù)不同應用使用不同的方法。因為CAN信息的標志符決定了信息相關(guān)的優(yōu)先權(quán)和信息的等待時間，所以信息標志符分配的方法被認為是基于CAN的系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)元素，它同時影響了信息濾波適用性、合理的通信結(jié)構(gòu)適用性和標志符使用的效率。在設計一個基于CAN的通信系統(tǒng)時，確定CAN標志符的分配非常重要，標志符的分配和定位也是較高層解決手段中一個主要的項目。 CN2004B是一種高級的CAN協(xié)議標準，它對各類電動汽車內(nèi)部ECU的地址分配、通信方式以及報文

6、發(fā)送優(yōu)先級等都作了明確的規(guī)定，并且對電動汽車內(nèi)部各個具體的ECU通信作了較為詳細的說明，以期最大限度地發(fā)揮CAN優(yōu)異性能。 4.1CN2004B協(xié)議ID定義由于在CAN協(xié)議里規(guī)定，標志位ID越小的優(yōu)先級越高，因此在確定ID時要考慮以下幾種情況：（1）報警信息幀的優(yōu)先級應該高于其它信息；（2）需求緊急性高的信息幀要優(yōu)先；(3)出現(xiàn)頻率較高的信息幀的優(yōu)先級可以略低一些，以免使得出現(xiàn)頻率較低的信息幀搶占不到總線。 CN2004B協(xié)議借用了J1939中P、R、PF等意義等同的字符定義，但其ID區(qū)的定義不同，主要體現(xiàn)在PDU信息幀發(fā)送順序上，SAEJ1939是按PRDPPFPSSADATA進行的，而CN

7、2004B則是按PRDPSAPFPSDATA進行的，將SA調(diào)到了PF之前。這樣做的目的是：當不同的控制器爭用總線時，若它們發(fā)送信息的優(yōu)先級相等，則由源地址碼較低的節(jié)點占用總線，即優(yōu)先傳遞源地址碼較低的節(jié)點信息；同時保留了J1939中性能組號（PGN，performancegroupnumber）的順序，這樣可以最大限度地吸取J1939/71中定義的車輛控制的各種參數(shù)及命令PGN。因此，在定義源地址碼時要充分考慮各種可能性，以確保最大的安全性。PF、PS的定義可以參照SAEJ1939制定，也可以自定義。當一個節(jié)點發(fā)送的信息無法用8個字節(jié)的數(shù)據(jù)也就是一個短幀來完全表示時，只要適當定義PF、PS利用

8、PGN就可以擴展該節(jié)點的數(shù)據(jù)空間，詳見表1。 4.2CN2004B協(xié)議P定義 ID中的優(yōu)先權(quán)P定義如表2所示。 從某種意義上來說，優(yōu)先權(quán)可以看作是信息分組號，是信息類型的分類，是廣義的參數(shù)組類型。適當運用，可以有效地增強網(wǎng)絡通信的靈活性。 4.3CN2004B協(xié)議SA定義在J1939中，源地址（SA）的定義比較簡單，它共有256空間，但只定義了0-70與248-255，而71-127為SAE保留，128-247為特定工業(yè)組定義。 從定義的順序來看，它未能充分體現(xiàn)輕重緩急。而在CN2004B中源地址SA是按優(yōu)先級的順序進行排列的。分配號仍從OOH開始。原則上為每個節(jié)點分配一個獨一無二的地址碼。表

9、3為部分電動汽車控制器源地址碼。對于表3,有以下幾條規(guī)則需要進行說明。（1）整車控制器是全面控制車輛各個總成的單元，是整個車輛的核心；多能源總成控制器是僅對發(fā)動機、電機、電池進行管理的單元，是HEV僅有的概念。當二者統(tǒng)一時，選用其一即可。在qrHEV中就是二者合一的，SA為OOH。（2）配給發(fā)動機2個源地址碼是鑒于現(xiàn)行條件下發(fā)動機電控形式的多樣性而決定的。在qrHEV中采用了步進電機控制的電子油門控制單元，它獨立于原先的發(fā)動機電控單元，因此占一個節(jié)點號，定義為03H。（3）電機共有4個節(jié)點號，最多時分別對應于四輪輪轂電機驅(qū)動的各個電機。針對具體情況，還可對應于HEV中的ISG、起動電機、ISG

10、/ISA等。在qrHEV中，僅用了其中的一個節(jié)點號04H。 （4）變速器控制器和傳動系控制器各有2個控制節(jié)點號，分別對應于發(fā)動機、電機各自使用不同的電控變速機構(gòu)時這一特殊情況。在qrHEV中，CVT占用其中一個節(jié)點號08H。 （5）在已開發(fā)的電動汽車上，目前最多使用3種混合電源，加上原先的12V蓄電池電源，故預定義有4個電池節(jié)點號，前3個節(jié)點視具體情況可以為高能蓄電池、燃料電池、飛輪電池、超級電容等的不同組合；最后一個節(jié)點定義為12V電池DC/DC變換器節(jié)點。在qr_HEV中，使用14H這一節(jié)點號。（6）在進行節(jié)點號分配時，在CN2004中也考慮了為中繼器、網(wǎng)橋、路由、網(wǎng)關(guān)分配節(jié)點號，利用了1

11、28-247的特定工業(yè)組定義。 （7）從OF8H到OFFH的SA節(jié)點定義同J1939。 4.4CN2004B協(xié)議PGN定義在J1939中，PGN定義主要根據(jù)附錄中的附表A2確定。SAEJ1939/71應用層文檔定義整個應用層。它主要定義CAN通信的PGN和優(yōu)先權(quán)（P）。在CN2004B中PGN的定義基本等同于J1939的規(guī)定，但進行了擴充，如表4所示。在表4中，PF2與PF1014參數(shù)組是自定義的。PF=2的代號為SC1（狀態(tài)控制）；PF=10-14的代號分別為EM（發(fā)動機狀態(tài)）、MM（電機狀態(tài)）BPM（電池組狀態(tài)）、TM（傳動系狀態(tài)）、SM（狀態(tài)信息），其它均采用J1939的定義。 在qrH

12、EV研究中，基本上采用的是點對點通信。參數(shù)組RESET用于上電后整車控制器對各節(jié)點控制器的自檢命令或重置命令中；參數(shù)組ACKM用于各節(jié)點控制器對RESET命令的響應應答中；參數(shù)組TSC1用于整車控制器對發(fā)動機和電機進行速度轉(zhuǎn)矩控制命令中；參數(shù)組TCl用于整車控制器對變速器和傳動系進行控制命令中，即用于對CVT和AMT進行控制；參數(shù)組EM、MM、BPM、TM用于相關(guān)節(jié)點向整車控制器匯報發(fā)動機、電動機、電池組、變速器的狀態(tài)；參數(shù)組VT12、VT21用于各節(jié)點與顯示控制器之間信息的交流與反饋；RQST用于節(jié)點之間數(shù)據(jù)信息的請求指令中。在表5最后一欄中列舉了qr_HEV中點對點通信的ID定義，完全是根

13、據(jù)4.1-4.4中的規(guī)定確定的。 4.5CN2004B協(xié)議DATA定義CAN數(shù)據(jù)幀具體的數(shù)據(jù)定義，應根據(jù)信息流進行定義。而數(shù)據(jù)的定標則根據(jù)實際情況來制訂。表5為qr_HEV中所采用的數(shù)據(jù)定義格式，實屬商業(yè)機密，公布出來是為了形成一個統(tǒng)一的協(xié)議，各部件生產(chǎn)廠家統(tǒng)一按此協(xié)議進行CAN總線數(shù)據(jù)定義，則可以大大提升國內(nèi)企業(yè)、高校與科研院所進行合作與交流的便利性，對提高電動汽車行業(yè)的水平也有極大的推動作用。表格中未用字節(jié)統(tǒng)一用OFFH填充，未用位統(tǒng)一用bit1填充，從而與J1939保持一致。 為保護企業(yè)的機密，CN2004B協(xié)議只定義了數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)幀中所處位置與字節(jié)大小，并未對數(shù)據(jù)具體含義進行硬性規(guī)定，既

14、未規(guī)定數(shù)據(jù)的上下限，也未規(guī)定數(shù)據(jù)的精度、分辨率，且表中未用字節(jié)及位均未仔細定義。在表5中，作者還進行了如下規(guī)定。（1）整車控制器（VCU）對電機控制器（MCU）輸入信息主要是電機期望轉(zhuǎn)速（A1，2字節(jié)）、電機期望轉(zhuǎn)矩（A2，2字節(jié)）、電機狀態(tài)指令（A3,1字節(jié)）、電機期望速比或擋位（A4，1字節(jié)）。至于電機控制器本身是采用何種算法一概不予考慮，由電機制造商根據(jù)輸人條件自行確定。電機狀態(tài)指令A3包括電機工作與否、電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)、充電態(tài)或放電態(tài)、相應控制器件如離合器與制動器狀態(tài)等內(nèi)容，可以用相應位及其組合置0或1來表示。1或2字節(jié)表示數(shù)據(jù)長度；第7、第8字節(jié)空白表示未用。下同，數(shù)據(jù)長度略，詳見

15、表5。（2）整車控制器（VCU）對發(fā)動機控制器（ECU）輸人信息主要是發(fā)動機期望轉(zhuǎn)速B1、發(fā)動機期望轉(zhuǎn)矩B2、發(fā)動機狀態(tài)指令B3、發(fā)動機期望速比或擋位B4。至于發(fā)動機控制器本身是采用什么控制算法一概不予考慮。發(fā)動機狀態(tài)指令B3包括發(fā)動機工作與否、發(fā)動機正轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)、點火或熄火、噴油或停止噴油、怠速與否、起動、發(fā)動機工作模式等內(nèi)容，可以用相應位及其組合置0或1來表示。（3）整車控制器（VCU）對發(fā)動機節(jié)氣門控制器(TCU)輸入信息主要有期望油門開度C1、最速指令C2。最速指令是指以最快速度達到極限位置。對電子油門主要有最大開度和最小開度2個位置，對應于急加速與緊急制動工況。（4）整車控制器（VCU

16、）對電池控制器（BCU輸人信息主要是電池狀態(tài)指令Dl、最大放電電流限制D2,最大充電電流限制D3、SOC上限D(zhuǎn)4、SOC下限D(zhuǎn)5。電池狀態(tài)指令D1包括對電池進行充電、放電、閑置及其相應繼電器狀態(tài)控制。（5）整車控制器（VCU）對輔助電器控制器（ACU)輸入信息主要是ACU狀態(tài)指令E1，它實際上是對駕駛員操作動作的電子化表述。對以下裝置進行控制：轉(zhuǎn)向、制動、倒車等信號裝置；近光、遠光等照明裝置；空調(diào)、玻窗電機等輔助電器。在qrHEV的研究中，這些裝置是通過類BITBUS總線進行傳輸和控制的。（6）整車控制器（VCU）對CVT控制器（CCU）輸人信息主要是期望傳動比F1和最速指令F2。最速指令包括

17、最快速度達到最小和最大傳動比。對應于AMT，期望傳動比可以是擋位要求信息。（7）整車控制器（VCU）對顯示控制器（DCU）輸入信息主要有當前車速G1、SOC（G2）、車輛當前工作模式G3、車輛狀態(tài)G4。車輛當前工作模式G3包括純電動、純內(nèi)燃機、混合驅(qū)動3種情況，每種情況下都有駐車、起動、倒車、巡航、加速、減速、怠速等。車輛狀態(tài)G4包括發(fā)動機狀態(tài)、電機狀態(tài)、CVT狀態(tài)、AMT狀態(tài)等。（8）所有控制器對整車控制器必須反饋與期望值對應的實際值和各總成當前狀態(tài)，這樣才能實現(xiàn)對相關(guān)總成的閉環(huán)控制，并及時對伺題進行糾正。（9）所有控制器應具備在線自我診斷功能，及時發(fā)現(xiàn)故障并報告整車控制器。當各總成出現(xiàn)嚴重

18、錯誤時應能及時應對，并通報整車控制器。可參考SAEJ1939進行?；诘?點和第9點的考慮，各節(jié)點反饋信息數(shù)據(jù)定義如下。（1）電機控制器（MCU）對整車控制器（VCU）的反饋信息是：電機實際轉(zhuǎn)速Hl、電機實際轉(zhuǎn)矩H2、電機當前速比或擋位H3、電機狀態(tài)H4、電機電壓H5、電機故障信息H6。（2）發(fā)動機控制器（ECU）對整車控制器（VCU）的反饋信息是：發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速I1、發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩I2、發(fā)動機當前速比或擋位I3、發(fā)動機狀態(tài)I4、發(fā)動機故障信息I5。（3）電子油門控制器(TCU)對整車控制器（VCU)的反饋信息是：發(fā)動機實際油門開度J1、電子油門極限位置信息J2、電子油門故障信息J3。（4）電池控制器（BCU）對整車控制器（VCU）的反饋信息是電池狀態(tài)K1、電池當前電流K2、電池當前電壓K3、電池充放電請求K4、溫度最高點值K5、溫度最低點值K6、電池故障信息K7。（5）輔助電器控制器（ACU）對整車控制器(VCU）的反饋信息是：ACU當前狀態(tài)L1、ACU故障信息L2。（6）CVT控制器（CCU）對整車控制器（VCU)的反饋信息是：CVT當前速比或擋位M1、CVT極限位置信息M2、CVT狀態(tài)M3、CVT故障信息M4。（7）顯示控制器（DCU）對整車控制器（VCU）的反饋信息是：DCU當前狀態(tài)N1、