CAN總線在新能源汽車(chē)中的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

從事汽車(chē)相關(guān)行業(yè)的小伙伴們，都知道CAN總線，它是當(dāng)今汽車(chē)各電控單元之間通信的總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在幾乎所有的汽車(chē)廠家都選擇使用CAN總線通信。CAN總線起初便是基于BOSCH公司為了解決汽車(chē)的電子控制單元增多帶來(lái)的布線空間矛盾、汽車(chē)重量增加等諸多問(wèn)題而誕生的。同時(shí)，CAN總線將汽車(chē)內(nèi)部各電控單元之間連接成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息的共享，大大減少了汽車(chē)的線束。新能源汽車(chē)更多資訊在“優(yōu)能工程師”，由易到難，由淺入深，全方位學(xué)習(xí)，維信館主。

圖 1 整車(chē) CAN 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖

一、整車(chē)框圖

BMS 控制網(wǎng)絡(luò)只是整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的一小部分，而在電動(dòng)汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中，除了 CAN，還有其他協(xié)調(diào)的通信網(wǎng)絡(luò)， 如 LIN、Ethernet、Flexray（高端車(chē)型）等。由此看來(lái)，汽車(chē) ECU 單元間的通信網(wǎng)絡(luò)本身就是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，本文介紹的 BMS 電池組 CAN 網(wǎng)絡(luò)將通過(guò)電池管理ECU 連接至整車(chē) CAN 網(wǎng)絡(luò)。

圖 2 BMS 通信網(wǎng)絡(luò)

二、基于 CAN 網(wǎng)絡(luò)的BMS 通信系統(tǒng)

如圖所示 BMS 中核心控制器采用 NXP 的 S32K144，該 MCU 為 Cortex M4 內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)112 MHz，內(nèi)置了 48 MHz 的 RC 振蕩器，帶有 3 個(gè) CAN 接口，其中 1 路支持 CAN FD 協(xié)議，當(dāng) CAN FD 配置為可變速率時(shí)，其數(shù)據(jù)域最高位速率可達(dá)到 8 Mbit/s。使用 S32K144 完成對(duì)電池組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及與整車(chē)主控制器的通信，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程，通信效率也會(huì)大幅提升。

新能源汽車(chē)采用的動(dòng)力電池電壓較高，其內(nèi)部由電池單芯組成電池組，再由數(shù)個(gè)電池組通過(guò)串并聯(lián)方式組成整個(gè)動(dòng)力電池包，以提高動(dòng)力電池的輸出能力。其輸出電壓通常會(huì)達(dá)到 300V，有些甚至高達(dá) 600V， 在搭建電池與整車(chē)的監(jiān)測(cè)與通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電池組的高壓系統(tǒng)與整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)之間的電壓隔離是大家首要解決的問(wèn)題。

整個(gè) BMS 控制系統(tǒng)包含一個(gè) BMS 主控單元及數(shù)個(gè) BMS 從控單元，從控單元完成對(duì)整個(gè)動(dòng)力電池中的獨(dú)立電池組進(jìn)行監(jiān)控管理，并將數(shù)據(jù)上傳至主控 BMS 中，電池內(nèi)部 BMS 從控單元通信采用傳統(tǒng) CAN 網(wǎng)絡(luò)，主控與整車(chē)采用多個(gè) CAN 接口，完成數(shù)據(jù)、控制、顯示等信號(hào)的傳輸。

對(duì)動(dòng)力電池組的監(jiān)控部分供電采用 DC-DC 隔離電源，數(shù)據(jù)采集控制器處理采集的各項(xiàng)電池信號(hào)，通過(guò)隔離 CAN 模塊發(fā)送至 BMS 主控制器。

圖 3 從控單元 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

三、BMS 間的電氣隔離

汽車(chē)內(nèi)部通常采用的是 12V 蓄電池供電系統(tǒng)，要完成對(duì)高壓電池組的管理監(jiān)控，必須實(shí)現(xiàn)可靠的電源及信號(hào)隔離，本設(shè)計(jì)中需要對(duì)每個(gè)獨(dú)立電池組的 BMS 從控單元進(jìn)行電源和通信的電氣隔離，如圖 2 所示。

BMS 的通信網(wǎng)絡(luò)主要包括兩部分，動(dòng)力電池內(nèi)部的 BMS 從控單元的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)以及 BMS 主控單元與整車(chē)的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。由于動(dòng)力電池是由內(nèi)部的多個(gè)電池組串并聯(lián)形成的，各個(gè)電池組之間都有一定的電壓差，每個(gè)電池組的 BMS 都以該電池組的地作為系統(tǒng)的參考地進(jìn)行電池組的數(shù)據(jù)采樣， 因此 BMS 從控單元間的數(shù)據(jù)通信可采用隔離模塊。目前常用的隔離 CAN 接口及隔離電源的隔離電壓等級(jí)有 2500VDC、3 000VDC 和 3500VDC 等多個(gè)等級(jí)，這些可滿足動(dòng)力電池內(nèi)部的隔離要求。隔離電源可選用致遠(yuǎn)的 ZY2405WRFCS-3W 模塊， 該模塊輸入電壓 9～18VDC，隔離電壓 3 000VDC。CAN 接口隔離可選用 CTM1051KT，其通信速率范圍 40k～1 Mbit/s，隔離電壓 3 500VDC。

BMS 主控單元與從控單元已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電源與信號(hào)的隔離，

因此 BMS 與整車(chē)進(jìn)行通信的電氣硬件連接時(shí)不需要使用隔離模塊。BMS 主控單元的 CAN 接口可使用 TJA1051 通用 CAN 收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。CAN FD 接口驅(qū)動(dòng)可采用 NXP 的 TJA1044GTK 實(shí)現(xiàn)，其最高通信速率達(dá)到 5 Mbit/s，可實(shí)現(xiàn)電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)的傳輸。

圖 4 CAN 總線組網(wǎng)設(shè)計(jì)

四、抗干擾設(shè)計(jì)

高效可靠的通信除了必要的接口隔離，汽車(chē)每個(gè)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾設(shè)計(jì)也不可或缺。動(dòng)力電池內(nèi)部常有高壓大電流線束，這些線束通常會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)造成干擾。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)為雙絞線，選用合適的雙絞線，會(huì)使整車(chē)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力大幅提升。汽車(chē)內(nèi)部的各個(gè) ECU 之間的電氣連接線都是捆扎在一起的，這些線束通常會(huì)包含各種控制信號(hào)線，通信網(wǎng)絡(luò)線，ECU 的電源線等，電池組內(nèi)部也是如此，這些通信網(wǎng)絡(luò)線通常離電池的動(dòng)力線較近，其受到的干擾也最大，而對(duì)于當(dāng)今的電動(dòng)車(chē)，整車(chē)的 ECU 單元也越來(lái)越多，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)受到的電磁干擾也更加嚴(yán)重，因此對(duì)于電池組的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾設(shè)計(jì)要格外注意。

如圖 4 給出了使用雙層屏蔽線組網(wǎng)的示意圖，針對(duì)圖 4 可總結(jié)為以下幾個(gè)方面來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力：

使用雙層屏蔽雙絞線，外屏蔽層單點(diǎn)接大地，其中 CGND 通過(guò) 102 電容接機(jī)殼；

各個(gè) BMS 單元接入總線主干網(wǎng)的電纜盡可能短；

CAN 網(wǎng)絡(luò)盡量遠(yuǎn)離動(dòng)力線，離開(kāi)12V 電源線及控制線；

BMS 接入整車(chē)網(wǎng)絡(luò)的接口套磁環(huán)。

五、CAN總線通信的優(yōu)點(diǎn)

1.提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2.減少各種線束數(shù)量，減小線束橫截面積，布線靈活，降低布線成本。

3.可多重使用傳感器。

4.能夠傳輸復(fù)雜數(shù)據(jù)。

5.進(jìn)行系統(tǒng)變更時(shí)更具靈活性，隨時(shí)能夠擴(kuò)展數(shù)據(jù)范圍。

6.為客戶實(shí)現(xiàn)新型功能。

7.有效診斷。

8.降低硬件成本。

相比于，目前流行的以太網(wǎng)和485總線，CAN總線具有以下的特點(diǎn)：總線訪問(wèn)——非破壞性仲裁的載波偵聽(tīng)、多路訪問(wèn)、沖突避免；多主機(jī)廣播式結(jié)構(gòu)，自動(dòng)優(yōu)先級(jí)仲裁，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)；傳輸錯(cuò)誤自動(dòng)重發(fā)，自動(dòng)CRC校驗(yàn)接收，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；差分信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，適合汽車(chē)內(nèi)部強(qiáng)干擾的環(huán)境；硬件報(bào)文濾波功能，減輕CPU負(fù)擔(dān)。

基于以上的特點(diǎn)，CAN總線能保證實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，保證汽車(chē)整車(chē)網(wǎng)絡(luò)的通訊正常，在新能源汽車(chē)行業(yè)具有不可替代的地位。