动力CAN总线的认知与应用

一、动力CAN网络框架认识

CAN网络有多种不同的拓扑结构，其中的总线型结构实时性好，错误检测校正能力强，系统可靠性高，自我排故诊断的功能。因而，采用总线型CAN网络结构从理论上讲能够满足汽车可靠性和实时性的要求。整车控制CAN网络结构如下所示。

在纯电动汽车控制系统中，如图所示包括4个节点，即VCU（整车控制单元）、PCU（电机控制单元）、BMS（电池管理系统控制单元）、HEC（仪表显示控制单元）。动力系统的通信主要存在于前三个节点之间来实现对整车运行状态的控制，其中HEC节点在CAN网络上处于只接听不发送的状态，接收网络中的整车行驶信息，电机运行信息以及电池状态信息等并实时显示。

（一）VCU（整车控制单元）

VCU相当于电动汽车的大脑，它起到控制全局的作用，接受汽车上传感器的信息，通过A/D转换后计算，编码为CAN报文，发送到总线上控制其他节点的工作。

同时，将一些整车相关的信息（车速、电池SOC、踏板位置、电池状态、门锁信息）在组合仪表上显示出来。

其中最核心的就是通过传感器的输入值与系统当前状态及汽车工况等条件计算出合适的电机扭矩值，通过CAN总线发送到电机控制系统，指挥电机正确工作。另外，VCU还能控制主继电器的开关，使得整个系统上电和断电。

（二）PCU（电机控制单元）

PCU相当于电动汽车的四肢，它的主要工作是为整车控制器发送扭矩值。

采用双路电来调速电机，使电机工作在设定的转速下，并且根据电动机的温度变化控制电机的冷却水泵和冷却风扇，从而有效的调节电机温度。

另外，PCU也能实现将电池提供的直流电转换为电机运行所需的高压交流电以及将当前电机工作状态反馈给VCU。

（三）BMS（电池管理系统控制单元）

BMS等同于电动汽车血液循环的“心脏”，电池为“血液循环及能量系统”。

BMS的主要功能是通过检测和管理电池，对荷电状态（SOC）健康状态（SOH）和功能状态（SOF）进行快速、实时的检测，实现对电池状态的监测作用，防止电池过充电或者过放电。并且提供必要的信息，保证电池能够保持在最佳的工作状态，延长电池寿命，并将电池的实时信息传输给子系统，为系统整体筑略提供数据依据。

电池管理系统（BMS）是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。它BMS采用中央控制单元和本地控制结构，从控模块主要用于监控实时信息，具体参数有单体电池电压、母线电流、实时温度、SOC等；主控模块用来进行数据计算、SOC评估和通信响应动作。为了达到系统整体把控和局部响应的目的，采用CAN总线传输数据。

二、控制单元节点报文信息

整车CAN网络各节点对应的报文名称、报文ID及刷新率如下表所示。

下表所示是整车控制单元节点VCU1报文信息，该报文信息可用于实现对电机控制模式、电机转速或转矩的控制，又可对高压配电进行控制，从而实现对整车的驱动控制。整车控制单元节点根据各节点优先级的不同和报文的刷新率来协调整车上所有节点的协同工作，调节能量的合理流向，达到对整车动力系统的最优控制。

三、控制硬件和软件设计

在不干扰总线数据传输的情况下，CAN总线控制单元对总线上传输的数据进行实时监控，实时记录和实时报警，同时在调试汽车时对主控制器进行参数标定。

在多个工作状态（停车状态、充电状态、启动状态、运行状态、车辆前进和后退状态、回馈制动状态、机械制动状态、一般故障状态、重大故障状态）各子系统通过CAN总线进行通讯和数据传输，将各个分散的节点连成一个闭环系统，实现整个分布式系统的控制功能。

为了充分利用总线的带宽，提高数据帧有效信息传输占比，把每个控制单元（节点）功能发挥到最好。

在分布式控制管理过程中有几个关键技术：定位时、总线终端匹配阻抗、CAN驱动器设计、DBC应用层协议的设计。

这些技术也成为了CAN总线调试的难点。

（一）位定时

CAN总线位定时本质上和“总线同步”紧密相关联，CAN总线系统的收/发双方必须以同步时钟来控制数据的“发送和接收”。

即使接收端在相当长的数据流中也要保持位同步，必须识别每个二进制位的开始时刻，因此对硬件终端的处理能力提出了高处理能力的需求。

在位定时配置时存在几组不同的参数都可以满足一定波特率的CAN总线，在这些参数中，一定存在一组最优的配置参数使得系统获得更大的振荡器容差和最大总线长度，通过在节点周围采样调试匹配位定时最佳参数。

（二）终端匹配阻抗

终端匹配阻抗有利于提高信号传输质量，在较高频率的信号转换速率情况下，信号边沿能量遇到不匹配会产生信号反射。

由于传输线缆横截面的几何结构发生变化，线缆的特征阻抗随之变化导致信号边沿能量反射，此时总线信号上会产生振铃。若振铃幅度过大，就会影响通信质量。如果在线缆末端增加一个与线缆特征阻抗一致的终端电阻，可以将这部分能量吸收，从而避免振铃的产生。

通过模拟试验，位速率为1Mbit/s，收发器CANH、CANL接一根10m左右的双绞线，收发器端接120Ω电阻末端信号是一个良好的无振铃的方波，此时的电阻值可以认为与线缆的特征阻抗一致，振铃消失。下图为良好的无振铃方波。

在CAN总线网络拓扑结构中，终端电阻的安装位置如下图所示，当CAN总线长度增长时，终端电阻阻值有所变化：

（三）总线驱动器设计

CAN总线驱动提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，为汽车中的高速应用（达1Mbps）而设计的。器件可以提供对总线的差动发送和接收功能是影响系统网络性能的关键因素之一。在系统中的位置如图所示：

82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用（达1Mbps）而设计的，器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。

驱动器电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。若温度超过大约160℃，则两个发送器输出端极限电流将减小，因而限制了芯片的升温。典型驱动器电路如下图所示。

上图示中的引脚见表格：

（四）DBC应用层协议的设计

DBC是总线上汽车控制单元间进行CAN通讯的报文内容。

由于CAN协议只定义了数据链路层与物理层，没有定义应用层协议，需要针对具体问题和用户需求自定义应用层协议，在汽车总线应用领域，不同汽车其应用层协议差异性较大。

采取这样一种自定义协议方式可以有效的满足实际需求，具体的协议实现具体的功能如XCAN协议、DSP协议。目前比较认可的CAN应用协议有：DeviceNet、CANopen、CAL、CANkingdom、J1939。

1.整车CAN协议地址的分配原则

如图所示，收发器的TX线始终与总线耦合，两者的耦合过程是通过一个开关电路来实现的。

整车CAN网络中每个节点也就是每个控制器都对应着一个地址，地址的作用就是用来明确数据的发送方与接收方，在对地址进行分配时需要遵循一定的规则。

有些控制器如充电机在J1939中已经定义了地址，则使用已经定义的地址0x56H，有些控制器如BMS有多个功能的则可以使用多个地址，有些控制器如VCU则需要自己重新定义地址。

当然重新定义地址的范围需要在208~231之间，并且用于车辆中的重要功能，这些ECU的地址分配如下表所示。

2.优先级制定原则

优先级的设置从最高0设置到最低7

控制命令类型消息默认优先级是3

请求和应答报文默认优先级为6

总线上通信量发生变化时优先级可以发生变化

3.参数群制定原则

对于各个控制器中含有相同功能的参数、相近刷新率的参数以及同属一个子系统的参数尽量放在一个参数组当中，以此来减少报文数量，达到降低总线负载率的目的。