某纯电动汽车CAN网络设计

何清华， 成艾国

（湖南大学机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082）

世界能源与环境问题引起越来越多人的关注，各行各业纷纷采取一系列的节能环保措施。而在汽车行业，人们则把希望寄托于新能源车。各种研究机构先后对新能源车关键技术进行研究，企业相继开展新能源车的试制，政府出台各项举措，大力支持鼓励新能源车研究与使用。

CAN总线一致被认为是汽车领域最有前途的现场总线。虽然国内对CAN总线的研究都还处于起步阶段，国家还是将它列为新能源车必须的通信方式。在这种情况下，如何将CAN更好地应用于新能源车就成为亟待解决的问题之一。本文以纯电动汽车为例，介绍了其设计中CAN网络的开发过程。

1 CAN概述

1.1 CAN的起源与发展

CAN全称为控制器局域网络 （Controller Area Network），其本质是一种串行总线系统的通信协议。

1983年，Bosch开始研究应用于汽车的串行总线系统，并于1986年在SAE大会上首次公布CAN协议。1991年，CAN最先在Benz S系列轿车上实现。时至今日，除了CAN2.0规范、ISO 11898等底层协议之外，各领域不同企业相继制订了CAN应用层协议。汽车行业最广为人知的如J1939、GMLAN、CANopen等。总之，CAN总线在其产生后的短短几十年内，迅速获得了许多行业的认可与青睐。

1.2 CAN2.0协议

依照ISO的OSI参考模型的分层标准，CAN被分为物理层、数据链路层及应用层。

物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。它涉及到位时间、位编码、同步等内容。CAN2.0协议没有定义物理层的驱动器/接收器特性，允许使用者根据应用，对发送媒体和信号电平进行优化。

数据链路层分为逻辑链路控制子层 （LLC）和媒体访问控制子层 （MAC）。MAC子层是CAN2.0协议的核心，它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。

CAN2.0协议没有对应用层做任何规定，应用层协议一般由使用者定义。

1.3 CAN在纯电动汽车上的应用现状

众所周知，CAN网络是为汽车上越来越多的ECU间的通信而开发的。与传统的总线通信相比，它具有简单可靠、节约空间、轻量化等显著优点。而与目前普遍使用的LIN总线相比，它的优点在于传输速率高。鉴于动力系统对实时性的要求，CAN总线更适用于动力系统。当然，除了CAN总线之外，MOST总线与FlexRay总线近年也得到一些应用。其中前者传输信息量大，多用于信息娱乐系统；后者实时性高，常见于线控转向、制动等系统。虽然有不少专家预言，未来FlexRay将取代CAN，但同时他们也承认，CAN总线将在相当长的时间内得到普遍应用。

国家陆续出台相关政策法规鼓励引导新能源车，尤其是纯电动汽车产业的发展。而纯电动汽车的三大核心技术:动力电池、电机及整车控制器，均与CAN总线息息相关，企业要掌握这3项技术，必须突破CAN总线。

2 纯电动汽车CAN网络设计

2.1 节点设计

本纯电动汽车的整车动力系统由锂电池与电机组成。另外，为确保动力系统正常工作，相应的管理系统是必不可少的，如电池管理系统 （BMS）、电机控制器、整车控制器等，整个CAN网络的结构见图1。本车CAN网络节点有6个，分别为整车控制器 （VCU）、 显示ECU （DISPLAY）、 电池管理系统（BMS）、 电机控制器 （MOTORMANAGE）、 高压电控制器 （HIGHVOLTAGE）及电动助力转向系统（EPS）。

2.2 CAN网络设计

在汽车CAN网络开发领域，有人提出过V形设计流程，如图2所示。与传统单一方向的流程相比，该流程的特点是每个过程可以指向下一过程，也可返回上一过程，甚至指向其它过程。这种指向与返回是以CAN网络数据库为核心内容的，所有过程都是为了最优化该数据库。

2.2.1 网络定义

在网络定义阶段，我们首先需要对整车需求进行分析，整合需要进行CAN通信的资源分配。一般方法是首先确定CAN网络结构，然后对每个节点的地址、收发信号、报文等进行定义。

由于节点数量较少，无网关，因此网络结构简单，所有节点直接挂在总线上。物理传输使用屏蔽双绞线，终端电阻120 Ω，分别在整车控制器及电机控制器内。使用29位标识符的扩展帧格式，速率250 kb/s。

按照各节点优先级，节点地址分配见表1。

表1 CAN网络节点地址

节点地址分配完成后，需要对网络上各个节点发送的信号及报文参数进行定义。表2举例列出了电动助力转向系统 （EPS）的信号相关参数。

表2 EPS信号列表

以上工作完成后，再结合整车控制策略编写应用层协议。此时的设计工作需要落实到每个报文的数据域字节定义。

2.2.2 仿真验证

仿真验证就是对整个网络进行建模仿真，以验证之前定义的网络完整性。随着开发的深入，仿真一般从软件仿真到半物理仿真。该过程可以借用一些软件工具，如CANoe、MATLAB等。在CANoe中，可以依照以上需求文档，逐步定义虚拟网络节点，报文及信号，最终建立.dbc数据库文件，然后进行软件仿真。图3为本车CANoe网络仿真窗口。

2.2.3 代码实现

代码实现阶段需要对节点通信协议、接口软件等编写源代码。这一过程可以由专业代码编写团队或工具完成。此处不再详细说明。

2.2.4 测试分析

在CAN网络设计的后期，各节点硬件设计完成，就可以将图3中细线的虚拟节点切换到粗线的实际节点，然后进行测试分析。测试结果可以在Trace、 Data、 Graphic、 Bus Statistics等子窗口中进行观察。其中最重要的是Bus Statistics中对整个网络性能的分析，如总线负载率、峰值负载，以及各种类型帧的数量。图4就是某车型CAN网络装车完成后，用CANoe进行测试的结果。

2.2.5 标定

在以上工作完成后，系统架构基本完成，就可以对集成系统进行测试。设计者需要编写测试用例，分析在各种情况下系统的性能，如抗干扰性、EMC性能、总线负载率等。系统装车后，还需要结合整车对其进行标定，即对系统参数进行修改、测试，并最终选取参数最优值，修改代码。

2.3 设计结果验证

本车CAN网络搭建完成后，系统测试结果显示各项通信正常，总线负载率在15%以内。且随后半年时间内，每周充电1次，行驶120 km以上，整车CAN网络运行状况良好。表明本纯电动汽车CAN网络设计圆满完成。

3 结束语

本文以某纯电动汽车为例，介绍了CAN网络的基本设计思路，且各节点通信正常，设计结果得到验证。本文旨在阐述设计思路，因此对某些具体细节未做过多描述。另外，整车其它低压电器未纳入CAN网络管理中，也未关注故障诊断。希望在后续的研究中能够从这些方面加以改进。

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