基于CAN總線和差分驅動技術實現(xiàn)電動車綜合網(wǎng)絡結構的設計

1.概述

由于環(huán)境保護與能源危機問題，以及傳統(tǒng)汽車消耗大量石油，造成我國每年需要進口石油一億噸以上，開發(fā)電動汽車技術是我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，國家在“十五”計劃中，成立了“863電動汽車重大專項”項目，本論文就是在此背景下開展了純電動車整車綜合控制技術研究。

純電動汽車系統(tǒng)包括電池及其管理系統(tǒng)、電機及其控制系統(tǒng)、充電機的信號監(jiān)控、信號檢測與控制系統(tǒng)等，電動車還要求與車輛調度系統(tǒng)通訊，實時將車輛的位置、剩余電量等數(shù)據(jù)傳送到調度中心，甚至還要求將電動車的各種工作數(shù)據(jù)傳送到調度中心，調度中心通過這些數(shù)據(jù)就可以了解當前汽車的狀態(tài)，為車隊的調度以及故障維修提供原始數(shù)據(jù)，可見，整車系統(tǒng)還必須提供與調度系統(tǒng)的通訊接口。由于電動車本身的復雜性，電動車的維修與診斷也非常困難，因此必須有在線的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)視窗口，研制車載信息顯示是必要的，這就要求電動車綜合控制系統(tǒng)帶LCD系統(tǒng)以及按鍵輸入，實現(xiàn)人機接口功能。

采用網(wǎng)絡方案是解決電動車復雜系統(tǒng)的關鍵，現(xiàn)代電子技術的發(fā)展也為電動車綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了條件，強大的微處理器往往帶有各種功能的接口，包括通用的異步串行口UART，高速通訊的CAN總線等，采用差分驅動技術，可以提高這些總線在電動車上的抗干擾性能，使得這些總線在電動車上的使用成為可能。電動車不但電氣系統(tǒng)邏輯復雜，而且電氣環(huán)境也非常惡劣，最高電壓高達500多伏，而且由于電動機的斬波控制，引起系統(tǒng)的高頻干擾常常使車載電器系統(tǒng)工作失靈，因此，要求整車控制系統(tǒng)有很高的可靠性。

電池管理系統(tǒng)是整車綜合信息系統(tǒng)的一部分，是解決電動車充電安全性、使用經(jīng)濟性、增加電動車續(xù)駛里程的基礎。該系統(tǒng)的關鍵技術是如何解決電池組整體電壓高達380伏以上，而單節(jié)電池電壓只有3.0伏以下的矛盾，還有一個關鍵問題是如何降低系統(tǒng)的硬件成本，提高系統(tǒng)的可靠性，由于電池數(shù)量多達300多塊，如何降低單節(jié)電池的檢測成本非常關鍵。本項目通過高速開關技術、高精度A/D技術、光電隔離技術、瞬態(tài)干擾抑制技術、高集成度單片機技術、數(shù)字化溫度傳感器技術、以及高可靠性電源技術等的綜合應用，實現(xiàn)了高速高精度地對每節(jié)電池的端電壓檢測、電池組溫度檢測，并可以控制電池組的風扇，防止電池出現(xiàn)高溫。

整車網(wǎng)絡的劃分主要考慮電動車的功能與產業(yè)化等要求，從圖1可以看到，一些關系到整車安全的部件，都直接由整車控制器來管理，屬于第二層，對于大量數(shù)據(jù)通訊，而且要求實時性非常高的部分，也在第二層完成;對于實時性要求不高的則放置再第三層，如人機接口部分、調度接口部分、調試接口等;對于數(shù)量大，實時性不高的電池管理系統(tǒng)，則通過廉價的RS485總線實現(xiàn)，從而有利于電動車的產業(yè)化。

系統(tǒng)在車上的布置如圖2所示。該車是為北京科技奧運準備的11米低地板公交車，采用鋰離子電池供電，電池按箱存放在車底，共計分裝在10箱中，在每個電池箱上安裝有電池管理模塊，該模塊的功能是檢測每塊電池的端電壓與電池的溫度，同時對電池溫度進行控制，電池箱中間通過RS485總線連接到整車控制器上。全部檢測模塊583與后部檢測模塊583、以及電機控制器以及CAN擴展模塊都接在CAN總線模塊上，該總線同時連接到整車控制器上，受整車控制器的統(tǒng)一控制;整車的人機接口通過RS232總線連接，該接口實現(xiàn)整車的信息顯示，屬于網(wǎng)絡的第三層，與調度系統(tǒng)的通訊通過CAN總線擴展實現(xiàn)。

3.電動車綜合控制器組成

整車控制器是電動車的核心，負責整車的信號采集與控制，是通訊的中心，屬于三層網(wǎng)絡的第二層，擔負著與電池管理系統(tǒng)的通訊與控制、電機系統(tǒng)的通訊與控制、以及人機接口等。本項目采用Motorola公司的DSP作為控制器的CPU，該CPU的程序存儲器全部在芯片內部，CAN2.0B總線集成在芯片內部，芯片還有12位的高精度A/D轉換器。秉承 Motorla公司MCU高可靠性的特點，該CPU特別適合于電動車這樣高干擾的場合應用。

如圖3所示，本系統(tǒng)包括12路開關量輸入，該系統(tǒng)通過光電隔離進入CPU的端口，開關量包括制動開關、前進開關、空調開關、大閘開關等;8路模擬量輸入，包括油門開度;制動深度、前部懸掛氣壓、后部懸掛氣壓、低壓電器的電源電壓等;8路脈沖量輸入主要用來采集車輪輸出的脈沖信號，從而得到整車的行駛速度與行駛里程;繼電器控制輸出用于控制高壓短路器是否工作，如果檢測到高壓安全故障，自動切斷高壓電，從而保證系統(tǒng)的安全與乘員的安全。

通訊是整車控制器的重要功能，從圖3可以看出，整車控制器通過CAN總線、RS232總線與RS485三種通訊方式，為了提高系統(tǒng)的可靠性，所有的通訊口都加裝了安全保護電路，滿足電動車惡劣的電氣環(huán)境。

4.結論

電動車的綜合網(wǎng)絡結構，簡化路電動車的硬件電路，使得電動車這個非常復雜的系統(tǒng)，通過不同的模塊分別實現(xiàn)功能，模塊之間再通過總線連接在一起，在整車控制器的協(xié)調下工作，使得電動車各個系統(tǒng)成為一個有機的整體，一方面實現(xiàn)了電動車的各種功能，保證了電動車的安全性，為電動車商業(yè)化營運打下技術基礎，另一方面，由于采用網(wǎng)絡化技術，大大加快電動車的開發(fā)進度，將電動車系統(tǒng)功能模塊化，將相對獨立的系統(tǒng)交給其它專業(yè)單位開發(fā)，這對保證電動車的開發(fā)進度與性能的可靠性具有非常重要的意義。目前，安裝有本系統(tǒng)的電動車已經(jīng)有30多臺，并且正在北京的公交線路上試營運。

電動車電氣系統(tǒng)的開發(fā)往往是由多個單位協(xié)調同步協(xié)調進行，其中關鍵是各個單位必須遵循共同的通訊協(xié)議，在整個通訊系統(tǒng)中，整車控制器是核心，負責對各個零部件的管理，因此，通訊協(xié)議是否科學，決定了最終系統(tǒng)的性能。

2.電動車綜合網(wǎng)絡結構

本項目采用圖1所示的三層綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)結構，成功地實現(xiàn)了整個電動車的綜合控制，將電動車的各個部分組成為一個完整的有機整體。圖1中的三層根據(jù)網(wǎng)絡通訊層面進行劃分，最底層是局部管理系統(tǒng)，如電池管理系統(tǒng)，電池內部采集與控制系統(tǒng)、電機內部采集與控制系統(tǒng)等，這部分的總線方式靈活多樣，本項目中，由于電池數(shù)量非常大，采用廉價但可靠性高的RS485總線是為了降低成本，便于大批量產業(yè)應用;中間層是整車信息管理系統(tǒng)，包括與各個部件的通訊接口，如電機控制器接口、整車前部采集控制站點接口、整車后部采集控制站點的接口，還包括整車信號的直接采集，中間層的通訊速率與可靠性要求非常高，因此采用CAN總線接口方式;最上層是人機接口與通訊擴展接口，這部分實現(xiàn)電動車狀態(tài)顯示，幫助駕駛員實時了解電動車的狀態(tài)，同時監(jiān)視電動車的故障，如當前的電池狀態(tài)、電機狀態(tài)、整車狀態(tài)等，如果發(fā)生故障，可以實時顯示故障信息，通過大屏幕彩色液晶顯示與操作按鈕，方便了駕駛員對電動車的使用。同時，上層網(wǎng)絡還是綜合通訊的接口，包括與地面充電站的通訊，及時報告當前電池狀態(tài)，防止發(fā)生過充電的危險;上層通訊還包括與調度系統(tǒng)的通訊，及時向交通系統(tǒng)匯報當前電動車的狀態(tài)，接收綜合調度系統(tǒng)的指令;上層通訊系統(tǒng)還是電動車調試與研究的通訊接口，通過該接口，可以接入PC機，通過PC機記錄各種電動車數(shù)據(jù)，如記錄電動車運行工況、電動車電池實用過程中的歷史數(shù)據(jù)等，為了便于PC機接入整車綜合信息系統(tǒng)，本項目還開發(fā)了CAN總線與USB總線的接口，可以用PC的USB接口直接與CAN總線接口。

本系統(tǒng)還實現(xiàn)了電動車整車網(wǎng)絡布線。整車的各種控制信號不是直接通過電纜連接到被控設備上，而是首先將該信號送到電動車前部采集控制站點中，由前部采集站點采集該信號，然后在本地輸出或通過CAN總線發(fā)送到網(wǎng)絡上，由后部采集控制站點或其它站點輸出。通過這種方式控制，由以下優(yōu)點：⑴整車控制器可以實現(xiàn)對全部的車上信息進行監(jiān)視，實現(xiàn)整車的綜合故障診斷;⑵簡化了整車的布線，電動車的前部與后部只有CAN總線相連，提高了電動車的可靠性，簡化了生產工藝;⑶便于電動車的維修。該系統(tǒng)的核心技術是如何保證通訊的可靠性，從而防止系統(tǒng)發(fā)生誤操作。本項目通過自定義的CAN總線通訊協(xié)議、閉環(huán)的通訊檢驗方式，保證了通訊可靠性;在防止系統(tǒng)誤操作與死機等故障方面，應用故障保護與意外處理等軟件與硬件技術可以使系統(tǒng)即使在發(fā)生故障的情況下，可以在0.1秒的時間內恢復正常，在硬件發(fā)生致命故障時，保證系統(tǒng)處于安全模式。

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