基于CAN 總線的電動汽車電源管理通信設計

　　摘 要：電動汽車的電源管理方案，涉及到了發(fā)動機、電動機、蓄電池的工作狀況、車輛行駛速度、行駛阻力以及駕駛員的操作等諸多參數(shù)，利用CAN總線技術，把以上參數(shù)的測控裝置連接起來，是實現(xiàn)電動汽車的電源管理的關鍵步驟，本文主要論述了基于CAN 總線的電動汽車電源管理中的通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)技術。

　　關鍵詞：電動汽車；電源管理； CAN 總線；通信技術

　　隨著石油價格的上漲以及環(huán)保要求的提高，電動已經成為是未來汽車發(fā)展的一個重要方向。對于以電池供電的全電動力系統(tǒng)或者以發(fā)動機和蓄電池混合動力系統(tǒng)而言，電源管理系統(tǒng)設計是關系車輛性能的一個重要因素，設計時需要考慮綜合車輛總體設計方案和外部使用環(huán)境，為了節(jié)約電源，還需要設計一定的控制策略保證電源的最佳利用。所以很有必要對全電車輛的電源管理系統(tǒng)進行深入探討。

1，電動汽車能源管理的重要性

　　電動汽車的電源管理，主要作用在于充分發(fā)揮燃料的燃燒效能，使發(fā)動機在最佳工況點附近工作，并通過電動機和蓄電池的能量儲備與輸出，及時調節(jié)車輛運行工況和外界路面條件之間的匹配關系。經過十多年的發(fā)展，電動汽車的動力系統(tǒng)設計方面，目前最有實用性價值并已有商業(yè)化運轉的模式，只有混合動力汽車?；旌蟿恿ο到y(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結構向發(fā)動機電機和變速箱一體化結構發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。所以，這里只考慮混合動力系統(tǒng)的電源管理情況。混合動力系統(tǒng)的電源管理，從功能上而言，需要實現(xiàn)如下兩個目標：

（1）保證發(fā)動機的最佳工況，避免出現(xiàn)發(fā)動機的低效工作。通?？蓪l(fā)動機調整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來適應各種外界路況變化。例如，當車輛處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅動電動機，當車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機- 電動機組和電池組共同向電動機提供電能。這樣，由于發(fā)動機避免了怠速和低速運轉從而提高了發(fā)動機的效率，不僅減少了廢氣排放，而且節(jié)約了電源。

（2 ）充分利用車輛的慣性能量。當車輛減速、制動或者下坡路行駛時，則由車輪的慣性力驅動電動機。這時電動機變成了發(fā)電機，可以反向蓄電池充電，節(jié)約了燃料。

統(tǒng)計表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的40％，在市區(qū)還會跌至25％，而采用電源優(yōu)化管理的電動車輛，如豐田的Prius汽車，其動力性已經超過同級車水平，燃油節(jié)省75%。

2，電源管理系統(tǒng)的通信需求與CAN 總線技術
　
　　電動汽車的電源管理，需要隨時監(jiān)控發(fā)動機、電動機、蓄電池的工作狀況、車輛行駛速度、行駛阻力數(shù)據(jù)以及駕駛員的操作情況，并且能夠根據(jù)上述數(shù)據(jù)經過智能化處理后自動控制節(jié)能裝置或者電路工作，所以需要首先解決與能量消耗和能量轉換相關的部件運行狀態(tài)傳感器的連接方式。

　　目前，汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信主要采用CAN 總線技術，該總線技術最早由德國BOSCH 公司推出，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題。利用CAN 總線開發(fā)的電動汽車電源管理系統(tǒng)，不僅通信速率高、準確、可靠性高，而且易于與整車控制網絡相兼容，為傳感器信號、各個控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎平臺，所以本課題中，采用CAN 總線作為電源管理的基本通信技術。

3，基于CAN 總線的能源管控系統(tǒng)拓撲結構

　　電動汽車底盤部分耗能與節(jié)能系統(tǒng)連接起來形成的基于CAN 總線的能源管控網絡拓撲結構如圖1 所示，共包括制動能量轉換裝置、動力總成、電池管理、電機控制器、行駛阻力測試幾個下位關鍵監(jiān)測節(jié)點和一個由車載計算機系統(tǒng)構成的上位主控節(jié)點。

圖1 基于CAN 總線的能源管控網絡拓撲結構

　　動能量轉換裝置與駕駛員的操控監(jiān)測系統(tǒng)、電池電機控制器共同工作。當駕駛員踩踏制動踏板時，首先制動電機靠近待制動的旋轉器件，如傳動軸，消耗車輛慣性能量，并轉換為電能，同時操控監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到制動踏板動作時，對電池充電電路進行調整，實現(xiàn)制動電機傳遞過來的電能的存儲。

　　動力總成系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)發(fā)動機工況的優(yōu)化運行。在正常行使的情況下，發(fā)動機的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進系統(tǒng)，驅動車輛正常行使，另一路則帶動電機工作，向蓄電池供電。此時，電機與電池構成的輔助動力系統(tǒng)相當于一個能量調節(jié)裝置，通過電池電機控制器和行駛阻力測試裝置，根據(jù)外界路況的變化，實現(xiàn)發(fā)動機兩路輸出能量的調整和分配。

　　通過CAN總線，車載計算機系統(tǒng)構成的上位主控節(jié)點把整個能源管控網絡連接起來，通過專門的軟件系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制策略的輸出，實現(xiàn)外界行駛阻力與發(fā)動機能量調整之間的優(yōu)化匹配，實現(xiàn)車輛內部的能量轉換利用，實現(xiàn)電機、電池系統(tǒng)的節(jié)能、蓄能和補充能量的調節(jié)作用。

4，基于CAN 總線的各監(jiān)控節(jié)點結構和通信流程

　　CAN 總線節(jié)點結構一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機相連，實現(xiàn)上位機與CAN總線的通訊；另一類則是由單片機、CAN控制器及CAN驅動器構成，作為一類節(jié)點與CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，在本文設計的能源管控系統(tǒng)中，上位主控節(jié)點采用了第一類CAN總線節(jié)點結構，各個關鍵監(jiān)測/控制系統(tǒng)采用了第二類CAN 總線節(jié)點結構。各個節(jié)點的結構和系統(tǒng)的連接方式如圖2 所示。在總線的兩端配置了兩個120Ω的電阻，其作用是總線匹配阻抗，可以增加總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，減少數(shù)據(jù)傳輸中的出錯率。

　　對于各個下位監(jiān)控節(jié)點而言，通?？刹捎?1 系列單片機作為該節(jié)點的監(jiān)測信號初級處理中心裝置，而用SJA1000 來做C A N 控制器，PCA82C250 則是一種常用的CAN 收發(fā)器和物理總線的接口，主要可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN 控制器的差動接受能力。采用上述三種元器件構成的一個下位監(jiān)控節(jié)點的電路圖形如圖3 所示。

　　CAN 總線的三層結構模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由SJA1000 完成。SJA1000 在上電硬件復位之后，必須對其進行軟件初始化之后才可以進行數(shù)據(jù)通訊，其主要作用是實現(xiàn)對總線的速率、驗收屏蔽碼、輸出引腳驅動方式、總線模式及時鐘分頻進行定義。整個能源管控系統(tǒng)通信過程中，各控制器按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)(車速、蓄電池電壓、電流和行駛阻力和發(fā)動機轉速等)到總線上,同時也要接收其它控制器的信息?？偩€上其它控制器根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù),系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn),一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應的報文寄存器中。此時還可采用屏蔽濾波方式,利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預先在接收緩沖器初始化時設定的標識符進行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器,那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外, 從而減輕CPU 處理報文的負擔。上位機利用中斷方式接收相關數(shù)據(jù)的流程如圖4 所示。

5，結束語
　　CAN 總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線已開始在汽車上得到應用,使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN 總線共享所有的信息和資源,達到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復、提高系統(tǒng)可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個控制系統(tǒng)的目的。本文所設計的基于CAN 總線的電動汽車能源管控系統(tǒng)通信方案，基本能夠實現(xiàn)節(jié)約能源，優(yōu)化發(fā)動機工作效率的目的，并且技術相對比較成熟，具有高度靈活性、簡單的擴展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯誤能力，對于提高汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性都有重要意義。