基于CAN總線和差分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.概述

由于環(huán)境保護(hù)與能源危機(jī)問題，以及傳統(tǒng)汽車消耗大量石油，造成我國每年需要進(jìn)口石油一億噸以上，開發(fā)電動(dòng)汽車技術(shù)是我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，國家在“十五”計(jì)劃中，成立了“863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”項(xiàng)目，本論文就是在此背景下開展了純電動(dòng)車整車綜合控制技術(shù)研究。

純電動(dòng)汽車系統(tǒng)包括電池及其管理系統(tǒng)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、充電機(jī)的信號(hào)監(jiān)控、信號(hào)檢測與控制系統(tǒng)等，電動(dòng)車還要求與車輛調(diào)度系統(tǒng)通訊，實(shí)時(shí)將車輛的位置、剩余電量等數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，甚至還要求將電動(dòng)車的各種工作數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，調(diào)度中心通過這些數(shù)據(jù)就可以了解當(dāng)前汽車的狀態(tài)，為車隊(duì)的調(diào)度以及故障維修提供原始數(shù)據(jù)，可見，整車系統(tǒng)還必須提供與調(diào)度系統(tǒng)的通訊接口。由于電動(dòng)車本身的復(fù)雜性，電動(dòng)車的維修與診斷也非常困難，因此必須有在線的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)視窗口，研制車載信息顯示是必要的，這就要求電動(dòng)車綜合控制系統(tǒng)帶LCD系統(tǒng)以及按鍵輸入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。

采用網(wǎng)絡(luò)方案是解決電動(dòng)車復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展也為電動(dòng)車綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了條件，強(qiáng)大的微處理器往往帶有各種功能的接口，包括通用的異步串行口UART，高速通訊的CAN總線等，采用差分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以提高這些總線在電動(dòng)車上的抗干擾性能，使得這些總線在電動(dòng)車上的使用成為可能。電動(dòng)車不但電氣系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，而且電氣環(huán)境也非常惡劣，最高電壓高達(dá)500多伏，而且由于電動(dòng)機(jī)的斬波控制，引起系統(tǒng)的高頻干擾常常使車載電器系統(tǒng)工作失靈，因此，要求整車控制系統(tǒng)有很高的可靠性。

電池管理系統(tǒng)是整車綜合信息系統(tǒng)的一部分，是解決電動(dòng)車充電安全性、使用經(jīng)濟(jì)性、增加電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是如何解決電池組整體電壓高達(dá)380伏以上，而單節(jié)電池電壓只有3.0伏以下的矛盾，還有一個(gè)關(guān)鍵問題是如何降低系統(tǒng)的硬件成本，提高系統(tǒng)的可靠性，由于電池?cái)?shù)量多達(dá)300多塊，如何降低單節(jié)電池的檢測成本非常關(guān)鍵。本項(xiàng)目通過高速開關(guān)技術(shù)、高精度A/D技術(shù)、光電隔離技術(shù)、瞬態(tài)干擾抑制技術(shù)、高集成度單片機(jī)技術(shù)、數(shù)字化溫度傳感器技術(shù)、以及高可靠性電源技術(shù)等的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高速高精度地對每節(jié)電池的端電壓檢測、電池組溫度檢測，并可以控制電池組的風(fēng)扇，防止電池出現(xiàn)高溫。

整車網(wǎng)絡(luò)的劃分主要考慮電動(dòng)車的功能與產(chǎn)業(yè)化等要求，從圖1可以看到，一些關(guān)系到整車安全的部件，都直接由整車控制器來管理，屬于第二層，對于大量數(shù)據(jù)通訊，而且要求實(shí)時(shí)性非常高的部分，也在第二層完成;對于實(shí)時(shí)性要求不高的則放置再第三層，如人機(jī)接口部分、調(diào)度接口部分、調(diào)試接口等;對于數(shù)量大，實(shí)時(shí)性不高的電池管理系統(tǒng)，則通過廉價(jià)的RS485總線實(shí)現(xiàn)，從而有利于電動(dòng)車的產(chǎn)業(yè)化。

系統(tǒng)在車上的布置如圖2所示。該車是為北京科技奧運(yùn)準(zhǔn)備的11米低地板公交車，采用鋰離子電池供電，電池按箱存放在車底，共計(jì)分裝在10箱中，在每個(gè)電池箱上安裝有電池管理模塊，該模塊的功能是檢測每塊電池的端電壓與電池的溫度，同時(shí)對電池溫度進(jìn)行控制，電池箱中間通過RS485總線連接到整車控制器上。全部檢測模塊583與后部檢測模塊583、以及電機(jī)控制器以及CAN擴(kuò)展模塊都接在CAN總線模塊上，該總線同時(shí)連接到整車控制器上，受整車控制器的統(tǒng)一控制;整車的人機(jī)接口通過RS232總線連接，該接口實(shí)現(xiàn)整車的信息顯示，屬于網(wǎng)絡(luò)的第三層，與調(diào)度系統(tǒng)的通訊通過CAN總線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。

3.電動(dòng)車綜合控制器組成

整車控制器是電動(dòng)車的核心，負(fù)責(zé)整車的信號(hào)采集與控制，是通訊的中心，屬于三層網(wǎng)絡(luò)的第二層，擔(dān)負(fù)著與電池管理系統(tǒng)的通訊與控制、電機(jī)系統(tǒng)的通訊與控制、以及人機(jī)接口等。本項(xiàng)目采用Motorola公司的DSP作為控制器的CPU，該CPU的程序存儲(chǔ)器全部在芯片內(nèi)部，CAN2.0B總線集成在芯片內(nèi)部，芯片還有12位的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。秉承 Motorla公司MCU高可靠性的特點(diǎn)，該CPU特別適合于電動(dòng)車這樣高干擾的場合應(yīng)用。

如圖3所示，本系統(tǒng)包括12路開關(guān)量輸入，該系統(tǒng)通過光電隔離進(jìn)入CPU的端口，開關(guān)量包括制動(dòng)開關(guān)、前進(jìn)開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、大閘開關(guān)等;8路模擬量輸入，包括油門開度;制動(dòng)深度、前部懸掛氣壓、后部懸掛氣壓、低壓電器的電源電壓等;8路脈沖量輸入主要用來采集車輪輸出的脈沖信號(hào)，從而得到整車的行駛速度與行駛里程;繼電器控制輸出用于控制高壓短路器是否工作，如果檢測到高壓安全故障，自動(dòng)切斷高壓電，從而保證系統(tǒng)的安全與乘員的安全。

通訊是整車控制器的重要功能，從圖3可以看出，整車控制器通過CAN總線、RS232總線與RS485三種通訊方式，為了提高系統(tǒng)的可靠性，所有的通訊口都加裝了安全保護(hù)電路，滿足電動(dòng)車惡劣的電氣環(huán)境。

4.結(jié)論

電動(dòng)車的綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簡化路電動(dòng)車的硬件電路，使得電動(dòng)車這個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，通過不同的模塊分別實(shí)現(xiàn)功能，模塊之間再通過總線連接在一起，在整車控制器的協(xié)調(diào)下工作，使得電動(dòng)車各個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)的整體，一方面實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車的各種功能，保證了電動(dòng)車的安全性，為電動(dòng)車商業(yè)化營運(yùn)打下技術(shù)基礎(chǔ)，另一方面，由于采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，大大加快電動(dòng)車的開發(fā)進(jìn)度，將電動(dòng)車系統(tǒng)功能模塊化，將相對獨(dú)立的系統(tǒng)交給其它專業(yè)單位開發(fā)，這對保證電動(dòng)車的開發(fā)進(jìn)度與性能的可靠性具有非常重要的意義。目前，安裝有本系統(tǒng)的電動(dòng)車已經(jīng)有30多臺(tái)，并且正在北京的公交線路上試營運(yùn)。

電動(dòng)車電氣系統(tǒng)的開發(fā)往往是由多個(gè)單位協(xié)調(diào)同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，其中關(guān)鍵是各個(gè)單位必須遵循共同的通訊協(xié)議，在整個(gè)通訊系統(tǒng)中，整車控制器是核心，負(fù)責(zé)對各個(gè)零部件的管理，因此，通訊協(xié)議是否科學(xué)，決定了最終系統(tǒng)的性能。

2.電動(dòng)車綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用圖1所示的三層綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成功地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電動(dòng)車的綜合控制，將電動(dòng)車的各個(gè)部分組成為一個(gè)完整的有機(jī)整體。圖1中的三層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊層面進(jìn)行劃分，最底層是局部管理系統(tǒng)，如電池管理系統(tǒng)，電池內(nèi)部采集與控制系統(tǒng)、電機(jī)內(nèi)部采集與控制系統(tǒng)等，這部分的總線方式靈活多樣，本項(xiàng)目中，由于電池?cái)?shù)量非常大，采用廉價(jià)但可靠性高的RS485總線是為了降低成本，便于大批量產(chǎn)業(yè)應(yīng)用;中間層是整車信息管理系統(tǒng)，包括與各個(gè)部件的通訊接口，如電機(jī)控制器接口、整車前部采集控制站點(diǎn)接口、整車后部采集控制站點(diǎn)的接口，還包括整車信號(hào)的直接采集，中間層的通訊速率與可靠性要求非常高，因此采用CAN總線接口方式;最上層是人機(jī)接口與通訊擴(kuò)展接口，這部分實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車狀態(tài)顯示，幫助駕駛員實(shí)時(shí)了解電動(dòng)車的狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)視電動(dòng)車的故障，如當(dāng)前的電池狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)、整車狀態(tài)等，如果發(fā)生故障，可以實(shí)時(shí)顯示故障信息，通過大屏幕彩色液晶顯示與操作按鈕，方便了駕駛員對電動(dòng)車的使用。同時(shí)，上層網(wǎng)絡(luò)還是綜合通訊的接口，包括與地面充電站的通訊，及時(shí)報(bào)告當(dāng)前電池狀態(tài)，防止發(fā)生過充電的危險(xiǎn);上層通訊還包括與調(diào)度系統(tǒng)的通訊，及時(shí)向交通系統(tǒng)匯報(bào)當(dāng)前電動(dòng)車的狀態(tài)，接收綜合調(diào)度系統(tǒng)的指令;上層通訊系統(tǒng)還是電動(dòng)車調(diào)試與研究的通訊接口，通過該接口，可以接入PC機(jī)，通過PC機(jī)記錄各種電動(dòng)車數(shù)據(jù)，如記錄電動(dòng)車運(yùn)行工況、電動(dòng)車電池實(shí)用過程中的歷史數(shù)據(jù)等，為了便于PC機(jī)接入整車綜合信息系統(tǒng)，本項(xiàng)目還開發(fā)了CAN總線與USB總線的接口，可以用PC的USB接口直接與CAN總線接口。

本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車整車網(wǎng)絡(luò)布線。整車的各種控制信號(hào)不是直接通過電纜連接到被控設(shè)備上，而是首先將該信號(hào)送到電動(dòng)車前部采集控制站點(diǎn)中，由前部采集站點(diǎn)采集該信號(hào)，然后在本地輸出或通過CAN總線發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，由后部采集控制站點(diǎn)或其它站點(diǎn)輸出。通過這種方式控制，由以下優(yōu)點(diǎn)：⑴整車控制器可以實(shí)現(xiàn)對全部的車上信息進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)整車的綜合故障診斷;⑵簡化了整車的布線，電動(dòng)車的前部與后部只有CAN總線相連，提高了電動(dòng)車的可靠性，簡化了生產(chǎn)工藝;⑶便于電動(dòng)車的維修。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是如何保證通訊的可靠性，從而防止系統(tǒng)發(fā)生誤操作。本項(xiàng)目通過自定義的CAN總線通訊協(xié)議、閉環(huán)的通訊檢驗(yàn)方式，保證了通訊可靠性;在防止系統(tǒng)誤操作與死機(jī)等故障方面，應(yīng)用故障保護(hù)與意外處理等軟件與硬件技術(shù)可以使系統(tǒng)即使在發(fā)生故障的情況下，可以在0.1秒的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，在硬件發(fā)生致命故障時(shí)，保證系統(tǒng)處于安全模式。

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