胡艳峰;王斌;邹利宁;唐键
【期刊名称】《汽车电器》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】电动汽车;CAN总线;通信设计
【作 者】胡艳峰;王斌;邹利宁;唐键
【作者单位】陕西重型汽车有限公司, 陕西 西安 710200;陕西重型汽车有限公司, 陕西 西安 710200;陕西重型汽车有限公司, 陕西 西安 710200;陕西重型汽车有限公司, 陕西 西安 710200
【正文语种】中 文
【中图分类】U469.72陕西汽车网
目前，CAN总线技术是广泛应用于汽车的总线技术之一，涉及到轿车、客车、载货汽车以及特种车等多种车型，这些车型可以是传统的燃油汽车，也可以是替代能源的汽车以及电动汽车。基于清洁能源及环境保护的需要，电动汽车将会在人类生活中扮演越来越重要的角。电动汽车中各类ECU比传统汽车更多，CAN总线技术的应用更是不可或缺。本文主要根据笔者工作中的经验，和大家分享对CAN总线通信设计的一些理解，希望对各位读者能有一定的帮助。
首先介绍电动汽车的配置，电动汽车通常的节点及其功能见表1。实际车型的配置情况应具体情况具体分析。
通信设计的工作主要为［1］：①了解整车架构，主要是哪些节点通过CAN网络通信；②熟悉整车电器原理，包括低压部分和高压部分；③根据控制需求及节点通信需求确定各节点收发信号；④信号封装成报文，给出通信方式及ID；⑤计算各个节点占用网络负载率；⑥
网络拓扑结构确定；⑦单节点仿真及总线网络仿真；⑧根据仿真结果，修改不合理的设计。
经过上述的设计过程，车辆的CAN网络通信设计就算完成了。设计工作完成之后，剩下的就是实车验证，实车验证是检验网络通信设计是否合理的最终标志。
网络拓扑结构是通信设计的一项重要内容，它体现了整车CAN网络架构，是合理规划、调配整车节点的一个重要手段。网络拓扑结构也是低压电线束设计的一个基础参考文件。那么网络拓扑结构规划要从哪几个方面来着手呢？
2.1 节点通信需求
周期性发送的报文通信周期的定义，一方面要考虑节点或信号对于刷新速度的要求，另一方面要兼顾到网络的负载率。一般来说，网络设计时要尽量避免高速度的刷新，因为这将占用很大的网络负载率，从而导致整体负载率上升，进而产生诸多不利的影响。
每个CAN网络节点都有自己的通信要求。例如周期发送的报文，驱动电机要求的周期刷新速率就比较高，一般要求周期10ms；电池管理系统对信号的刷新速率要求相对慢一些，周
期一般100 ms或200 ms就可以满足要求。因此，在规划网络拓扑结构时，首先要考虑的就是各个节点自身的通信要求。一般原则是，对于通信周期速率要求较高的节点，以及和车辆安全性息息相关的节点，应考虑放在同一网段上或单独各自成一个子网。
2.2 总线负载率
总线负载率是通信网络上各个信息帧占用总线百分比之和。网络负载率的考虑主要是基于防止网络由于负载率过大而导致的报文丢帧以及漏发现象。对于网络负载率的要求，由于车辆的CAN网络系统都是主机厂根据某款车型具体研发，因此没有统一的标准。国外由于汽车CAN总线起步较早，经验丰富，有的主机厂网络负载率可以高达70%，并且仍能保证车辆CAN网络的高效、稳定运行。国内目前尚达不到这个水平，一般情况下，国内车辆的网络负载率一般不大于30%。随着CAN总线系统开发经验的丰富，这个数值也将会随之变大。
除了上述节点的通信需求外，网络负载率也是网络拓扑规划时要考虑的一个重要因素，同时它也是一个考察设计网络是否合理的一个重要参数。在了解节点通信需求后，根据通信需求计算出各个节点的占用负载率，然后根据一般不大于30%的原则，合理规划CAN通道
的数量。如果所有节点的占用负载率之和小于30%，可以考虑将所有节点放在同一个CAN通道上；如果所有节点的占用负载率之和大于30%，就要考虑规划2个或多个CAN通道，且尽量做到每个CAN通道的负载率不大于30%。
关于负载率的计算，这里介绍一种计算方法［2］，假设有2个报文，报文1和报文2都以100kb／s波特率进行传输，见表2。
每秒传输的报文个数为（1000／100）+（1000／200）= 10+5=15个每秒钟最大传输的数据位数为15×70=1050bits负载率计算为1050／100000×100%=1.05%
2.3 网段划分
CAN总线的传输速率最高可达1 Mb／s。ISO11898根据传输速率将CAN总线分为高速CAN总线和低速CAN总线两种。当CAN总线的传输速率大于40kb／s小于等于125 kb／s时，称之为低速CAN总线；当CAN总线的传输速率大于125kb／s（最高可达1Mb／s）时，称之为高速CAN总线。因此，根据要求的传输速率不同，要相应地将高速段和低速段分开。目前，由于使用低速CAN总线的情况已经很少，因此通常我们会根据节点的性质而进行网段的划分，比如车身CAN总线、动力CAN总线、舒适CAN总线、娱乐CAN总线等。
2.4 网关设计
当对节点的通信要求、网络负载率、网段划分都考虑之后，若需要不止一条CAN总线时，这时候就要有网关了。网关允许数据在不同的子网络间，按照不同的协议传送。从一个子网向另一个子网传送数据消息时，网关提供了将参数重新封装到一个新的消息的功能，即网关的作用是在多条CAN总线上起一个协调作用，它可以和所有的CAN子网进行通信，并将消息在各子网之间进行传递，即网关的一个转发过程。
网关有集成网关和独立网关两种类型［3］。所谓集成网关，即选择一个CAN网络上的节点作为网关，该节点除了要完成节点本身的功能外，还要负责作为网关完成不同网段之间的信息转发、交互。独立网关，即不使用CAN网络上的节点作为网关，而是选取一个独立的设备作为网关，只负责不同网段之间的信息交互即可。基于集成网关的网络总线架构取决于集成网关的CAN通道的数量，而且随着网络上CAN控制器逐渐增多，网络上会出现网络负载率过大的现象，影响通信品质。基于独立网关的网络总线架构，便于扩展，但成本会相应增大。
在具体项目中，到底是选择集成网关还是独立网关，需要具体情况具体分析，根据项目需
要来选择。
电动汽车通信设计中要涵盖高压上电逻辑，其主要目的是为整车控制策略做好基础。只有在通信中根据整车高压上电的逻辑规划好相应需要的信号，整车控制时才有可能在这些规划好的信号的基础上得以实现。通信设计中包含的东西很多，高压上电设计就是其中一个。高压上电的命令要求一般由整车控制器来发出，网络中某个节点来执行完成高压上电动作。因此通信设计时首先要清楚高压上电逻辑。下面就某车型的高压上电设计来说明。
图1为某车型集成控制器中高压上电预充电电路示意图。该集成控制器集成了驱动电机系统以及辅助电机系统（包含电动转向、电动制动、DCDC等），并实行了分开的高压上电策略，即由KM1、KM2、R1组成了驱动电机系统的高压上电预充电电路，由KM3、KM4、R2组成了辅助电机系统的高压上电预充电电路。在与供应商沟通的过程中了解到，集成控制器中的驱动电机系统控制两路预充电电路完成预充电功能，即它是该车型整车高压上电的动作执行者。在此车型中，要完成高压上电，即要同时完成驱动电机系统及辅助电机系统这两路高压上电。搞清楚这些后，我们就可以设计高压上下电的通信，见表3。
在这种通信设计中，整车控制器发送高压上电命令，集成控制器负责完成高压上电过程。
在此以驱动电机预充电电路为例说明高压上电过程。当整车控制器发送高压上电命令后，集成控制器将首先闭合预充电接触器KM2，进行预充电；预充电完成后，闭合主接触器KM1，再断开预充电接触器KM2，完成高压上电。
当然高压上电过程我们也可以设计通信，见表4。
在这种通信设计中，整车控制器将完全控制高压上电的过程，即整车控制器决定何时闭合预充电接触器开始预充电、何时断开预充电接触器完成预充电以及何时闭合主接触器，而集成控制器中的电机控制器在这里仅仅是接触器动作的执行者。
客车、载货汽车采用的都是29位标识符，遵循SAE J1939标准，该标准对CAN2.0B进行了重新定义。重新定义中，29位标识符（ID）的分配见表5。
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