電動汽車動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及測試分析

杜常清，朱體剛

（1．武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；2．汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車動力系統(tǒng)中增加了電機驅(qū)動模塊和動力電池模塊；一般傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車沒有整車控制器，因此電動汽車動力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、控制等方面更為復(fù)雜。整車控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）這三者之間的通信直接影響到電動汽車的運行狀態(tài)，開發(fā)一套實時性高、可靠性好的動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)對于電動汽車來講十分重要。通信協(xié)議的制定是CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于電動汽車動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車在結(jié)構(gòu)原理、控制方式上的差異，已經(jīng)成功應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上的通信協(xié)議并不能完全適用于電動汽車。此外，目前的電動汽車動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議的制定并不統(tǒng)一。因此，制定一套適用于電動汽車動力系統(tǒng)的CAN通信協(xié)議具有較大的實用意義。

CANoe（CAN open environment）是德國 Vector公司開發(fā)的一款總線開發(fā)環(huán)境，是CAN通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)、測試和分析的專業(yè)工具，支持從需求分析到系統(tǒng)實現(xiàn)的整個系統(tǒng)的開發(fā)過程，具備提高工作效率、節(jié)省開發(fā)成本、工作可靠等優(yōu)勢。以某微型客車改裝而成的電動汽車為載體，參照SAE J1939協(xié)議制定了動力系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議；利用CANoe搭建仿真模型并對設(shè)計的CAN網(wǎng)絡(luò)進行性能分析；在CANoe提供的環(huán)境中接入真實的通信節(jié)點硬件，進行硬件在環(huán)測試CAN網(wǎng)絡(luò)性能；驗證了設(shè)計的CAN網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性，以及所制定的應(yīng)用層協(xié)議的有效性和可行性。

1 動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

電動汽車動力系統(tǒng)的核心由3大部分組成：整車控制器（VCU）、電機與電機控制器（MCU）以及電池與電池管理系統(tǒng)（BMS）。VCU主要通過獲取駕駛員的操控指令和行車狀態(tài)，如制動踏板信號、加速踏板信號、檔位信號等，經(jīng)過判斷處理后再將相應(yīng)的控制指令發(fā)給其他控制單元如MCU，以實現(xiàn)對整車狀態(tài)的控制。MCU一方面實現(xiàn)將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為電機運行所需的高壓交流電；另一方面，通過接收VCU發(fā)送的車輛運行狀態(tài)控制指令，來控制電機的運行狀態(tài)，如輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速等，并將電機當(dāng)前狀態(tài)反饋給VCU。BMS則實現(xiàn)對電池狀態(tài)的監(jiān)測作用，進行電池的SOC估算，防止電池過充電或者過放電，提高電池利用率和使用壽命，并及時與VCU進行通信，將電池狀態(tài)反饋給VCU。

動力系統(tǒng)的通信主要存在于VCU、MCU、BMS三者之間，實現(xiàn)對整車運行狀態(tài)的控制，因此動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)中主要包括3個節(jié)點，此外還有1個儀表顯示（HEC）節(jié)點。HEC節(jié)點在CAN網(wǎng)絡(luò)上處于只接聽不發(fā)送的狀態(tài)，接收網(wǎng)絡(luò)中的整車行駛信息、電機運行信息以及電池狀態(tài)信息等并實時顯示。

CAN網(wǎng)絡(luò)有多種不同的拓撲結(jié)構(gòu)，其中的總線型結(jié)構(gòu)實時性好；錯誤檢測校正能力強，系統(tǒng)可靠性高；能判斷錯誤節(jié)點，具有故障節(jié)點自動脫離的功能。因而，采用總線型CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從理論上講能夠滿足可靠性和實時性的要求。圖1為設(shè)計的電動汽車動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及信號流動圖。

圖1 電動汽車動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及信號流動Fig.1 CAN network structure and signal flow diagram of electric vehicle power system

2 動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定

CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定通常包括3個方面：數(shù)據(jù)鏈路層、物理層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是保證總線上節(jié)點之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸，ISO 11898-1協(xié)議對數(shù)據(jù)鏈路層做了完整的定義，且不可隨意更改。物理層的設(shè)計主要涉及物理層接口的機械、電氣、功能和過程特性以及傳輸介質(zhì)等，這些主要通過硬件來實現(xiàn)，目前已有相應(yīng)的國際標準可供參考。而對于應(yīng)用層來講，主要定義通信過程中所用到的各種參數(shù)，包括源地址（SA）、優(yōu)先級（P）、參數(shù)群編號（PGN）等，完成標識符（ID）的設(shè)定、報文攜帶數(shù)據(jù)的分配、報文發(fā)送與接收節(jié)點的定義等[1]。

由于應(yīng)用層協(xié)議與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密，目前沒有針對電動汽車應(yīng)用層制定特定的標準；另一方面，應(yīng)用層協(xié)議也是動力系統(tǒng)可靠實時控制的重要保證。因此，制定動力系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要是制定應(yīng)用層協(xié)議。本設(shè)計中主要參考SAE J1939的規(guī)范來制定適用于電動汽車動力系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議。

2.1 應(yīng)用層協(xié)議制定原則

2.1.1 節(jié)點源地址（SA）分配原則

源地址場長8位，網(wǎng)絡(luò)中一個特定的源地址只能分配給一個設(shè)備，因此源地址確保CAN標識符符合CAN協(xié)議中的唯一性要求。根據(jù)SAE J1939-81來定義該電動汽車動力系統(tǒng)節(jié)點源地址。0～127都不受產(chǎn)業(yè)類群和汽車系統(tǒng)的約束，可以分配給最常用的 ECU；128～247 留給行業(yè)特定分配；248～253 留給特殊的ECU。整車控制器（VCU）屬于新定義的節(jié)點，可以使用208～231這段屬于公路用車的預(yù)留地址；電機控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）可在231～247中進行安排。

2.1.2 優(yōu)先級（P）制定原則

優(yōu)先級可以從最高0（0002）設(shè)置到最低7（1112），所有控制消息的默認優(yōu)先級是3（1102），請求和應(yīng)答報文的默認優(yōu)先級為6（1102）?？偩€上通信量發(fā)生變化時優(yōu)先級可以發(fā)生改變。

2.1.3 參數(shù)群定義原則

對各ECU節(jié)點的參數(shù)進行定義時應(yīng)盡量將相同功能的參數(shù)、相近刷新率的參數(shù)以及同屬一個子系統(tǒng)的參數(shù)放在相同的參數(shù)組中，以此來減少報文數(shù)量，達到降低總線負載的目的。參數(shù)群編號（PGN）應(yīng)按照參數(shù)組的重要程度來定義，主要用協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式（PF）和群擴展場（PS）共同決定[2-4]。

2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參數(shù)群定義

根據(jù)功能需求，VCU、BMS和MCU 3個節(jié)點總共發(fā)出7條報文，這3個節(jié)點之間存在信息交流，HEC節(jié)點接收VCU發(fā)送的部分信息，實時顯示車輛運行狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議的制定原則，可以確定動力系統(tǒng)各個參數(shù)群的參數(shù)。報文的標識符（ID）中包含了報文的源地址、目標地址、報文優(yōu)先級等信息，是CAN網(wǎng)絡(luò)中進行仲裁和接收濾波的重要依據(jù)。動力系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘柖酁闋顟B(tài)信號，這里采用29位標識符（ID28～ID0）的幀格式來定義通信報文。圖2為SAE J1939協(xié)議中29位ID的對應(yīng)關(guān)系，由此可確定各條報文的ID。表1中列出了參數(shù)群的參數(shù)定義。

圖2 SAE J1939協(xié)議中29位ID的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding relation of 29 bit ID in SAE J1939 protocol

表1 參數(shù)群定義Tab.1 Parameter group definition

2.3 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輸出參數(shù)定義

信息類型可以根據(jù)觸發(fā)方式分為固定周期型信息、事件觸發(fā)周期型信息和非周期型信息，一般可將非周期型信息合并到固定周期型信息中[5]。本設(shè)計中的信息類型為固定周期型。在數(shù)據(jù)場中進行字節(jié)和位的分配時，應(yīng)考慮總線帶寬的利用率，盡量將相同節(jié)點發(fā)送的信號裝載到同一幀報文中進行傳輸。

根據(jù)電動汽車動力系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能來頂一個個節(jié)點的輸出參數(shù)，主要包括信號的發(fā)送周期、字節(jié)和位的分配、目標地址以及分辨率、偏移量等。表2中定義了報文的發(fā)送周期，介紹了每條報文中包含的具體內(nèi)容。表3以VCU1這條報文為例，給出了相應(yīng)的輸出信號參數(shù)，在制定通信協(xié)議時，其他報文的參數(shù)也應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)定。

表2 各節(jié)點報文信息Tab.2 Information of each node

表3 VCU1信號輸出參數(shù)Tab.3 Signal parameter of VCU1

3 CAN網(wǎng)絡(luò)性能仿真測試與硬件在環(huán)測試

3.1 測試環(huán)境構(gòu)建

CAN網(wǎng)絡(luò)的測試過程在CANoe提供的環(huán)境中進行，可以分別實現(xiàn)虛擬仿真和硬件在環(huán)測試。

在進行CAN網(wǎng)絡(luò)仿真時，由于在使用CANoe軟件建模之前已經(jīng)制定了應(yīng)用層協(xié)議，把已有的協(xié)議通過CANoe創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)配置文件，通過對網(wǎng)絡(luò)配置文件中的每個報文的信號進行定義，相當(dāng)于把整個應(yīng)用層協(xié)議輸入到了CANoe，當(dāng)運行該網(wǎng)絡(luò)模型時即可模擬整個網(wǎng)絡(luò)的運行狀況。如圖3所示為搭建的動力系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

圖3 動力系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Power system CAN bus network

利用CANoe進行硬件在環(huán)測試時，需要將模型中的虛擬節(jié)點從總線上斷開，再將真實的節(jié)點通過CANoe提供的硬件接口連接，完成各個真實節(jié)點的信號通道與CANoe中的信號通道匹配，實現(xiàn)真實節(jié)點在CANoe環(huán)境下的通信。

3.2 CAN網(wǎng)絡(luò)性能仿真測試

CAN網(wǎng)絡(luò)性能的好壞主要體現(xiàn)在實時性和可靠性方面，而CAN網(wǎng)絡(luò)的負載率直接影響到網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性，負載率越高，CAN網(wǎng)絡(luò)上報文延遲時間越大，丟幀的可能性越大，進而導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性變差。波特率和報文發(fā)送周期是影響CAN網(wǎng)絡(luò)負載率的主要因素，可以通過CANoe的虛擬仿真環(huán)境進行測試。

3.2.1 波特率對CAN網(wǎng)絡(luò)負載率影響的仿真

波特率是對信號傳輸速率的一種度量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定不同的波特率時，其負載率也必然不同。CAN總線上的通信速率最高可達1 Mb/s，仿真測試了報文發(fā)送周期為50 ms時，波特率從100 kb/s～1 Mb/s變化的CAN總線上的負載率，將不同波特率下對應(yīng)的總線負載率繪制成曲線，如圖4所示。當(dāng)總線波特率越大時，負載率越小，100 kb/s波特率下對應(yīng)的負載率為52.36%，而當(dāng)波特率為1 Mb/s時負載率驟降到8.06%；隨著波特率的增大，負載率降低的程度也越來越小，即波特率對負載率的影響在逐漸變小。

圖4 總線負載率與波特率關(guān)系曲線Fig.4 Curve of bus load rate and baud rate

由于在實際應(yīng)用中，波特率的設(shè)定需要考慮硬件性能，波特率高時相應(yīng)的硬件配置要求也越高；此外，雖然波特率高時有利于降低總線負載，但是過高的波特率會造成總線利用率降低。在一般的設(shè)計中，CAN總線系統(tǒng)要求負載率不超過30%，最佳負載率不超過25%[6]。綜合上述的條件因素，可將總線波特率設(shè)定為500 kb/s，此時仿真測試的總線負載率為19.07%。

3.2.2 報文發(fā)送周期對CAN網(wǎng)絡(luò)負載率影響的仿真

通常情況下，報文的發(fā)送周期越長，總線的負載率越低。這里仿真測試了波特率為500 kb/s時，不同報文發(fā)送周期對應(yīng)的總線負載率，繪制成總線負載率與報文發(fā)送周期關(guān)系曲線，如圖5所示，當(dāng)報文發(fā)送周期增大時網(wǎng)絡(luò)負載率有明顯下降。但是報文發(fā)送周期過長又可能導(dǎo)致實時性變差，選擇適中的報文發(fā)送周期是保證實時性的一種途徑。

圖5 總線負載率與報文發(fā)送周期關(guān)系曲線Fig.5 Curve of bus load rate and message transmission cycle

圖6是CANoe中的總線統(tǒng)計窗口，仿真設(shè)定的波特率為500 kb/s、報文發(fā)送周期為50 ms。從窗口中可以看到仿真測試的總線負載率為19.07%，峰值負載率為19.11%，沒有出現(xiàn)錯誤幀，網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)良好。

圖6 仿真測試時的總線統(tǒng)計窗口Fig.6 Bus statistics of simulation

3.3 CAN網(wǎng)絡(luò)硬件在環(huán)測試

硬件在環(huán)測試是將真實的MCU、VCU和BMS 3個真實的節(jié)點通過CANoe硬件接口連接，在CANoe環(huán)境下實現(xiàn)相互通信，并監(jiān)測該通信網(wǎng)絡(luò)的工作狀況[7]。根據(jù)仿真測試的結(jié)果，將硬件在環(huán)測試的網(wǎng)絡(luò)波特率設(shè)定為500 kb/s，報文發(fā)送周期為50 ms。從如圖7所示的總線統(tǒng)計窗口中可以看到，總線負載率為21.16%，峰值負載率為22.96%，沒有出現(xiàn)錯誤幀。

圖7 硬件在環(huán)測試時的總線統(tǒng)計窗口Fig.7 Bus statistics of hardware in the loop test

CANoe中的write控件統(tǒng)計了各條報文的發(fā)送時間間隔，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。設(shè)定報文發(fā)送周期為50 ms，在虛擬節(jié)點的仿真測試中，各條報文發(fā)送周期認為50 ms，沒有出現(xiàn)延遲；硬件在環(huán)測試中的各條報文均有延遲。報文延遲時間可以分為4個部分[8]：

（1）生成延遲：從發(fā)送節(jié)點處理器接收到本節(jié)點的請求，到它將準備好的數(shù)據(jù)寫入緩存隊列里的時刻。

（2）隊列延遲：從消息幀進入發(fā)送緩存到消息幀獲得總線控制權(quán)的時刻。

（3）傳輸延遲；從消息幀占據(jù)總線到消息幀脫離總線的時刻。

（4）接收延遲：從消息幀脫離總線到將其中的有效數(shù)據(jù)提供給接收節(jié)點微處理器中目標任務(wù)的時刻。

表4 報文延遲時間統(tǒng)計對比Tab.4 Statistical comparison of packet delay time

虛擬節(jié)點仿真時整個通信過程處于理想狀態(tài)，故而沒有出現(xiàn)報文延遲。而硬件在環(huán)測試時是真實節(jié)點之間的通信，按照現(xiàn)在的微處理器水平，生成延遲和接收延遲可以忽略不計，但是存在隊列延遲和傳輸延遲，因此各條報文均出現(xiàn)延遲。此外，從VCU節(jié)點發(fā)出的報文延遲時間相對最小，而從BMS節(jié)點發(fā)出的報文延遲時間最大，這主要是因為VCU節(jié)點發(fā)出的報文優(yōu)先級最高，產(chǎn)生的隊列延遲最小，相對延遲時間最短；而BMS節(jié)點發(fā)出的報文優(yōu)先級最低，產(chǎn)生的隊列延遲最大，相對延遲時間最長。

實時性與總線負載率又是相互影響的，報文延遲在一定程度上會造成相應(yīng)的總線擁堵，使得總線負載變大。因此在相同的通信參數(shù)配置下，由于硬件在環(huán)測試存在報文延遲，總線負載率要比仿真時的略高。

從硬件在環(huán)測試結(jié)果來看，報文延遲時間均不超過0.5 ms，延遲率均控制在1%；總線負載率也在最佳負載率25%以內(nèi)。整個CAN網(wǎng)絡(luò)工作正常，具有良好的可靠性和實時性。

4 結(jié)語

以某微型客車改裝而成的電動汽車為載體，基于SAE J1939協(xié)議，系統(tǒng)介紹了電動汽車動力系統(tǒng)應(yīng)用層通信協(xié)議的開發(fā)流程。利用CANoe提供的軟件和硬件分別做了CAN網(wǎng)絡(luò)的仿真測試和硬件在環(huán)測試。仿真和測試的結(jié)果表明，設(shè)計的CAN總線型網(wǎng)絡(luò)運行狀況良好，總線峰值負載率為21.16%，控制在最佳負載率25%以內(nèi)；報文最大延遲時間不超過0.5 ms，延遲率在1%以內(nèi)；證明了制定的應(yīng)用層協(xié)議是可行的，設(shè)計的CAN總線型網(wǎng)絡(luò)具有良好的實時性和可靠性。

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