（电机与电器专业论文）基于can总线的燃料电池电动汽车用dcdc变换器的控制与保护研究.pdf

同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 a b s t r a c t t h ec o n t r o la r e an e t w o r k ( c a n ) i so n ek i n do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nd e f i n e db y i s o i ti sf i r s tu s e db yb o s c h c o m p a n yi nt h ef i e l do ft h ec o m m u n i c a t i o no ft h ec a r s y s t e m i th a st h eh i g hb i tr a t ea n dt h es t r o n gi m m u n i t yt oe m i ，s oi ti su s e di nm a n y f i e l d s t h i sp a p e rc o m p l e t et h er e f e r e n c ep a r a m e t e r s p r o v i d i n gb a s e do nt h ec a n c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ra l s op r o v i d e st h ea n a l y s e so ft h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e d o nt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef u e lc e l l t h ep a p e rp r e s e n t st h em e t h o dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so ft h ec u r r e n t l o o pi no r d e rt ob u i l do nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed c d cc o n v e r t e r a tt h es a m et i m e ， t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h et o t a ls y s t e m ，i ti sp r o v e dt h a tt h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l m e t h o dh a st h eg o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s l a s t ，t h ep r o t e c t i o n sa n dt h em e t h o d st oi m p r e s st h ei m m u n i t yt oe m ia l ep o i n t e d o u tt oi n s u r et h et o t a ls y s t e mc a nw o r ks t a b l ye v e nu n d e rt h eb a de l e c t r o m a g n e t i c s i t u a t i o n k e yw o r d s ：c a nf i e l db u s 、a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d 、b o o s td c d c i i 格式： 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文“盈嫂仑q 蕊蜥箜l 翁羽谶 勘鳓怠镪仍脚谨磐龟够造莓 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 蝴年c z 月之厂日 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 1 绪论 1 1 传统汽车业的发展引发的能源环境危机n 儿钉 传统的汽车主要以汽油为燃料，汽油燃烧不充分，会排出大量有害尾气，造 成严重的空气污染。资料表明，大气污染的4 0 - - 6 0 来自燃油汽车的废气排 放。在汽车拥有量最集中的欧美国家中，空气污染的6 0 来自汽车的尾气排放。 按照我国的汽车拥有量二百万辆计算，每年向大气排放一氧化碳1 2 5 1 0 7 吨， 碳氢化合物和氮氧化合物约1 2 5 1 0 8 吨，占城市大气污染的6 0 以上。根据北 京市测算，在采暖期，北京市大气中碳氢化合物的7 3 5 、一氧化碳的6 3 4 和氮氧化合物的4 6 来自汽车尾气排放。在非采暖期汽车尾气的污染所占的比 例更高。而且汽车尾气排放的位置低，对低空的环境污染更严重。汽车排放的这 些有害物质不仅污染环境，而且大多对人体健康有严重的危害。一氧化碳是汽车 尾气中浓度最高的，当空气中的一氧化碳的含量超过一定程度以上时，人们接触 数小时以后，就会产生头昏、恶心、疲劳等症状，严重时还可能窒息死亡。人体 吸入汽车尾气中的碳氢化合物后就会出现贫血、神经衰弱等症状。而且一些碳氢 化合物和氮氧化合物在阳光照射下会发生光化学反应，形成危险的光化学烟雾。 汽车中的四乙基铅燃烧后形成的铅化物微粒及碳微粒扩散到空气中，对人体的健 康十分有害。当人体血液中的铅含量积累到一定程度时，将使心、肺等器官发生 病变。由此可见汽车尾气的排放是环境污染的重要来源。 另一方面，汽车工业迅速发展，汽车年产量逐年增加，目前全球汽车年产量 达5 5 百万辆。日益增多的汽车加剧了大气环境的恶化与交通拥挤情况的同时， 也增大了对石油资源的需求量，使石油资源更为短缺。全世界已经探明的石油储 备量约为1 3 5 x1 0 吨，年开采量约为3 x1 0 9 吨。1 9 9 6 年世界石油组织预测， 世界石油资源将在5 0 年后枯竭。我国的石油资源仅能开采3 0 多年。而汽车对汽 油、柴油的消耗占了最大比例。就我国而言，汽车消耗的燃油占全国汽油消耗量 的9 0 以上，柴油占2 5 以上。用其它能源来代替汽油作汽车的动力已经迫在 眉睫。 1 2 电动汽车发展概述4 1 5 1 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 电动汽车起源于十九世纪中后期的欧洲，从1 8 7 3 年英国人首次在马车基础 上制造出世界上第一辆电动三轮车开始到二十世纪初，电动汽车经历了一个较为 快速的发展历程。 进入二十世纪，由于油田的大量发现，石油开采提炼和内燃机技术的迅速进 步，而电动汽车则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽 车竞争，因而逐步被燃油汽车所取代。 二十世纪中后期，由于汽车尾气对大气的污染和人体健康的危害，同时由于 石油储量有限，电动汽车的发展重新受到人们的重视。 上个世纪九十年代，随着燃料电池技术的发展，电动汽车迎来了一个新的发 展阶段。燃料电池将化学能直接转化为电能作为汽车动力，并把氢气和氧气转化 为水，其效率为热机效率的2 3 倍。随着燃料电池关键技术的突破，从性能、 效率、重量、成本等多方面都趋于满足车载能源的要求，使得燃料电池汽车成为 电动汽车发展的“热点 。 我国是发展中国家，人口众多，劳动力成本较工业发达国家低许多，发展汽 车工业有广阔的国内市场和极大的国际市场竞争力，是符合我国国情的。根据我 国人口多、能源储备少的国情，汽车行业把目光投向电动汽车业。考虑到我国的 电动汽车技术，特别是燃料电池电动汽车技术起步相对不晚，所以在我国发展电 动汽车技术，可以更好的抢占汽车工业的市场份额，促进国民经济的进一步发展。 1 3 燃料电池特性介绍3 1 燃料电池是将化学反应的化学能直接转化为电能的装置。单个燃料电池由阳 极、阴极和电解质构成，然后通过若干个单个燃料电池串、并联构成燃料电池组 输出相应电流、电压和功率。燃料电池中，在阳极上连续吹充氢气燃料，而阴极 上则连续吹充氧气，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。因而燃 料电池是电化学能量发生器，是以化学发电，从理论来讲，只要向其不断供给燃 料及氧化剂就可以连续不断的发电。 燃料电池不存在能量限制和自放电等问题，且燃料电池操作温度低，启动时 间短，以及高效的转换效率和很好的可靠性，因此燃料电池电动汽车优越于其它 汽车。因而作为电动汽车的车载能源，具有不可比拟的优点和发展前景。 然而燃料电池作为车载能源具有一个缺点，即输出电压电流特性偏软。这是 因为一旦输出电流突变，电极上的电荷会产生相应突变。另外，产生电能的化学 2 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 反应还和压力、温度、反应气体组成及利用率、杂质等外界因素有较大关系。因 此其输出特性较软，且在干扰下不稳定。 在燃料电池电动汽车中，需要在燃料电池与逆变器之间增加一个d c d c 变换 器。通过d c d c 变换器的电压转换和稳压作用，使燃料电池能够与逆变器配合工 作。对于d c d c 变换器提出了精确和快速的控制要求。 本章参考文献： 1 蔡宣三，龚绍文高功率电子学科学出版社，1 9 9 3 5 2 肖云魁等2 l 世纪电动汽车兵器工业出版社，1 9 9 9 1 1 3 阿布里提阿布都拉燃料电池汽车的现状及开发动向电工电能新技术， 2 0 0 1 3 4 廖抒华汽车技术开发与环境保护汽车研究与开发，1 9 9 9 2 ( 4 ) 5 陈清泉2 1 世纪的绿色交通工具一电动车清华大学出版社，2 0 0 0 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 2d c d c 变换器概述 2 1 燃料电池电动汽车对d c d c 变换器的要求7 1 在以燃料电池为电力来源的电动汽车中，由于燃料电池的输出特性偏软，输 出电压不稳定，需要在燃料电池与逆变器之间增加一个d c d c 变换器。d c d c 变 换器在燃料电池电动汽车中起到如下作用： ( 1 ) 电压变换，通过d c d c 变换器对燃料电池的输出电压进行变换后再提供 给驱动器。 ( 2 ) 稳压作用，燃料电池的输出电压不稳定，通过d c d c 变换器闭环控制系 统对其进行稳压。 根据d c d c 变换器在燃料电池电动汽车中的作用以及运行的特殊要求， d c d c 变换器必须满足以下要求： ( 1 ) 变换器是能量传递部件，因此需要满足转换效率高的要求，以便提高能 源的利用率。 ( 2 ) 因为目前所采用的燃料电池的输出电压比要求电压低，所以变换器应该 为升压变换器。 ( 3 ) 由于燃料电池输出不稳定，需要变换器具有良好的动态调节能力。 ( 4 ) 为了提高汽车功率密度比，需要汽车各部件体积小，重量轻，以提高燃 料电池电动汽车的运输能力，使其更有实用价值。因而d c d c 变换器要满足体积 小，重量轻的要求。 根据以上要求，燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的主电路拟采用b o o s t 升 压电路拓扑结构。 2 2b o o s t 升压变换器6 1 2 2 1 线路组成 b o o s td c d c 变换器的主电路如图2 一l 所示，主电路由功率开关器件t 、升 压电感l 、滤波电容c 和二极管d l 组成。完成把输入电压略升压到输出v o f i q ：r 叻 能。 2 2 2 工作原理 工作过程：当功率器件导通时，如图2 - - 2 所示，电流屯流过电感线圈l ，在 4 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁的形式储存在电感线圈l 中。此时， 电容c 放电，电阻r 上流过的电流为z o ，r 两端为输出电压，极性上正下负。 v s ld 1 r 图2 1b o o s td c d c 变换器主电路 由于功率器件导通，二极管阳极接珞负极，二极管承受反向电压，所以电容不 能通过功率器件放电。功率器件断开时，如图2 3 所示，由于电感线圈l 中的 磁场将改变电感l 两端的电压极性，以保持f ，不变。这样电感线圈l 两端的电压 圪与电源v s 串联，以高于的电压向电容c 、负载r 供电。高于时，电容有 充电电流；当有降低趋势时，电容向负载r 放电，维持不变。 v s l t c 订彳i r 图2 2 功率开关器件导通时b o o s t 主电路拓扑 l v sr 图2 3 功率开关器件关断时b o o s t 主电路拓扑 由于圪+ v s 向负载r 供电时，v o 高于，故称其为升压变换器。当工作中 输入电流= i l 并且是连续的时，称为电流连续工作模式。流经二极管d 1 的电 流是脉动的。由于有输出滤波电容c 的存在，使得负载r 上有稳定、连续的电压 输出。 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 2 2 3 电路各点的波形 在电流连续工作模式下，波形如图2 - - 4 ( a ) 所示。在屯开关周期瓦最后时 刻的电流l 值，就是下_ 个五周期中电流t 的开始值。但是，如果电感量过小， 电流线性下降快，即在电感中能量释放完时，尚未达到功率器件重新导通的时刻， 而能量得不到及时的补充，这样就会出现电流不连续的工作状态，如图2 4 ( b ) 所示。 v l v s v l 厂 。 一u 风纠7 - l： 。 带。 t i l t v l v s v ( a )( b ) 图2 4 ( a ) ( b ) b o o s t 变换器主电路工作波形图 2 2 4 主要参数 ( 1 ) 电压增益 如图2 - - 4 ( a ) 与( b ) 所示，开关周期为瓦，闭合时间为f 。= d l 五，断开时间为 f ：一，l = d ：五。d ，为接通时间占空比，0 2 为断开时间占空比，电流连续模式下d l + b = 1 。 在输入输出电压不变的前提下，当功率器件开通时，屯线性上升，其电感电 流增量为： = 睾q 瓦 e 2 - 1 6 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 功率器件关断时，i 线性下降，其增量为： f ：一半见瓦 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等i l l - - l 一屯：l ，所以 垦垒墨：f 竖二坠坦圣 三 三 2 2 2 3 由此式司以推出，电压增益： m ：孕：上：一1 2 4 1 一d ld 2 。 。 当电感较小、或负载电阻较大、或b 较大时，升压变换器工作波形如图2 - - 4 ( b ) 所示。称为电感电流断续工作模式。此时，当功率器件导通时电感电流的增量为： a i l l = v 三sd l 瓦 2 - - 5 功率开关器件在关断时，在d ：b 期间，电流线性下降到零，其电感电流增量为： i l 2 半 2 - - 6 功率器件在关断中的剩余时间b 一( d l + d 2 ) r s 时间内，电流为0 ，相当于电 感与后面的电路断开。 ( 2 ) 实际最大占空比 在电流连续模式下，m = 去，说明连续工作模式下电压增益与关断时间成 反比：即关断时间越小电压增益越大。但实际应用中却不然。这主要因为在推导 公式时是基于理想状态考虑，实际电压增益值会受到电感的寄生电阻值和电容的 寄生电阻值的影响，这使得占空比高于一个固定值后，随着占空比的升高( 关断 时间减小) 电压增益反而快速下降，所以在实际控制器中要使占空比有个极限值。 ( 3 ) 电流连续与不连续工作模式的临界条件 升压变换器工作在电流连续与不连续状态之间有个临界状态，与电感的平均 电流的关系为： 7 周济丈学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 ! f 2 三f 2 三f 2 b 时为电流不连续模式 征忽略预穑明情况卜： 珞i s = r o t d 堡：生：m 一= = ，w v s 1 0 故 i s = o = m 而拉= 7 m - - d , r s 据此可以推导出临界时间条件为： 铲等= 业笋 2 7 2 8 2 9 2 1 0 本章参考文献： 1 李序葆，赵永键电力电子器件及其应用机械工业出版社，1 9 9 6 2 曹建福，韩崇昭，方洋旺非线性系统理论及应用西安交通大学出版社， 2 0 0 1 1 0 3 蔡宣三，龚绍文高功率电子学科学出版社，1 9 9 3 5 4 w e it a n g c h a r g ec o n t r o l ：m o d e l i n g ，a n a l y s i s ，a n dd e s i g n j ，i e e e t r a n s o np e 1 9 9 3 ，8 ( 4 ) 5 林辉，王辉电力电子技术武汉理工大学出版社，2 0 0 2 1 6 张占松，蔡宣三开关电源的原理与设计电子工业出版社，1 9 9 8 7 肖明，张逸成等燃料电池汽车用d c d c 变换器及其控制策略研究低压电 器，2 0 0 2 6 8 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 3c a n ( c o n t r oi ie ra r e an e t w o r k ) 控制局域网通信 3 1c a n 通信在电动汽车用d c d c 变换器控制系统中的作用 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线又称控制器局域网，由于其卓越的性 能、极高的可靠性、独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控 制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。c a n 已 被公认为几种最有前途的现场总线之一。c a n 总线规范已被i s o 国际标准组织制 订为国际标准。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础 上的，主要工作在数据链路层和物理层，用户可在其基础上开发适合系统实际需 要的应用层通信协议。由于c a n 总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以 大大简化。 d c d c 变换器作为电动汽车的一个零部件，要实时受汽车主控器v m s ( v e h i c l e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 的监视与控制。要求d c d c 变换器能够接收并执行来自v m s 的命令，而且能够将自己的运行状态及时反馈给v m s ，v m s 再根据d c d c 变换器 的运行状态进行控制。这里信息的交流与通信就经由c a n 总线来完成。因而c a n 总线作为电动汽车的控制系统中的脉络起着无可替代的重要作用，对c a n 总线的 软、硬件的性能提出了较高要求。 3 2c a n 串行通信总线概述m b 3 1 控制器局域网是由i s o 定义的串行通信总线，它最初出现在8 0 年代末汽车 工业里，是b o s c h 公司在现代汽车技术中率先推出的一种多主机局域网。它的基 本设计规范要求有高的波特率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错 误。 c a n 通信协议描述了在设备之间信息如何传递。它对层的定义与开放系统互 连模型( o s i ) 一致。每一层与另一个c a n 节点上相同层进行通信。各节点通过 物理层的物理连接相连。c a n 的结构定义了模型的最下面两层：物理层和数据链 路层。其中数据链路层包括逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制子层( m a c ) 。 应用层通过不同的新兴协议和用户自己的要求来定义。 ( 1 ) 逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用如下： 为远程数据请求以及数据传输提供服务； 确定实际要接收的是哪一帧报文； 9 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 为恢复管理和过载通知提供手段； ( 2 ) 媒体访问控制子层( m a c ) 的作用如下： 控制帧结构； 执行仲裁； 进行错误检测： 出错标定； 故障代码界定； ( 3 ) 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位传输。 3 3c a n 通信协议属性 c a n 通信协议有以下属性： 每帧报文自带优先级； 没有主从局限； 可以灵活地改变参数； 错误捕捉和检测功能： 总线空闲可以自动重发出错帧； 可以区别暂时性错误还是永久性错误，如果为永久性错误，可以关闭 此节点的总线，使其不参与c a n 通信。 3 4c a n 通信协议内容介绍m 5 1 c a n 通信协议由两部分组成：p a r ta 和p a r tb 。 p a r ta 和p a r tb 之间的最主要的区别为两者的帧格式不同，因为本文应用 的是p a r tb ，所以以下只对p a r tb 的内容进行介绍。 3 4 1 帧类型 报文包括以下4 个不同的帧类型： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一段附 加的延时。 ( 1 ) 数据帧 1 0 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 数据帧由7 个不同的位场组成： 帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c ( 循环冗余) 场、应答场和帧结尾。 数据场的长度可以为零。 仲裁场数据场应答场 图3 1 帧格式图 帧起始： 帧起始标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性 位组成。只有在总线 空闲时，才允许c a n 节点发送报文。所有c a n 节点必须同步于首先开始发送报文 节点的帧起始前沿。 仲裁场： 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式有所不同。 一标准帧里，仲裁场由1 1 位标识符和r t r 位组成。 一扩展帧里，仲裁场由2 9 位标识符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。 s r r 位r t r 位 1r 1r1r1r 帧起始l l 位标识符i d e 位1 8 位标识符 图3 2 扩展帧仲裁场的帧格式 标识符： 标准帧格式中标识符为1 1 位，扩展帧格式中标识符为2 9 位。其格式包括两 个部分：1 1 位基本i d 、1 8 位扩展i d 。 r t r 位全称“远程发送请求位”： r t r 位在数据帧中必须为显性，在远程帧中必须为隐性。 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 s r r 位全称为“替代远程请求位： s r r 是一位隐性位。它在扩展帧格式的1 1 位基本标识符与i d e 位之间，是 标注帧格式中r t r 的位置，因此称为替代远程请求位。 i d e 位全称“标识符扩展位： i d e 位属于标准帧格式的控制场，扩展帧的仲裁场。在标准帧格式中i d e 位 为显性，而扩展帧格式中i d e 位是隐性。 控制场： 控制场由6 个位组成。标准帧格式的控制场包括数据长度代码、i d e 位、及 保留位r 0 。扩展帧格式的控制场包括数据长度代码、两个保留位：r o 和r l 。保 留位必须发送为显性，但接收器认可显性和隐性的组合。 i d e ，r 1r0d l c 图3 3 扩展帧控制场的帧格式 d l c 数据长度代码： 数据长度代码指示了数据场里的字节数量。数据长度代码为4 位，它在控制 场中发送。 数据位长度 d l c 3 d l c 2d l c i d l c o oo000 10o01 20o10 30011 40100 50l01 6 o 11o 7 0 11l 8 1 o 00 表3 1d l c 与数据长度的关系表 1 2 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 数据场： 数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为o 一8 个字节，每个字节8 位， 首先发送的是高字节。 c r c 场全称“循环冗余场”： 包括c r c 序列和c r c 界定符两部分。c r c 码的作用范围为帧起始、仲裁场、 控制场、数据场的无填充位数据流。c r c 界定符位于c r c 代码之后，它包含一位 隐性位。 i 1r c r c 代码c r c 界定符 图3 4 扩展帧c r c 场的帧格式 应答场： 应答场包含两个位：应答间隙和应答界定符。在应答场里发送器发送为两个 隐性位。当接收器正确地接收到有效的报文后就会在应答间隙期间向发送器发送 一位显性位，此位被作为应答信号，表示接收方正确接收到报文。 c r c 场帧结尾 77 应答间隙应答界定符 图3 - - 5 应答场帧结构 应答界定符是应答场的第二个位，并且是一个必须为隐性的位。 帧结尾： 每一个数据帧和远程帧均由段标志序列界定。这个标志序列由7 个隐性位 组成。 ( 2 ) 远程帧 远程帧也由6 个不同的场位组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答 1 3 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 场、帧结尾。 与数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐性的。它没有数据场，数据长度代码d l c 不受限制( 可以标注为容许范围内的o 一8 的任何数值) 。 ( 3 ) 错误帧 错误帧由两个不同的场组成。第一个场是由不同c a n 节点提供的错误标志的 叠加，第二个场是错误界定符。 错误标志： 有两种形式的错误标志：主动错误标志和被动错误标志。 主动错误标志由6 个连续的显性位组成。 被动错误标志由6 个连续的隐性位组成。 检测到错误的处在“错误主动状态的c a n 节点通过发送主动错误标志来指 示错误。错误帧的帧格式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充原则，或者破坏 了a c k 应答场或帧结尾的固定格式。所有其他站点由此检测到错误状态并且与此 同时开始发送错误标志。因此显性位序列导致一个结果，这个结果就是把c a n 节点发送的不同错误标志叠加在一起。这个序列的最小长度为6 个位。 检测到错误状态的处在“错误被动状态的c a n 节点通过发送被动错误标志 来指示错误。 错误界定符包括8 个隐性位。 ( 4 ) 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。 有三种过载的情况，这三种情况都会引发过载帧的发送： 接收器的内部情况( 此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时) 。 在间歇的第一和第二字节检测到一个显性位。 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的最后一位采样到一个显性位， 节点会发送一个过载帧( 不是错误帧) 。错误计数器不会增加。 过载标志由6 个显性位组成。过载帧的帧格式破坏了帧间空间的固定格式。 因此，所有其它的c a n 节点都检测到过载帧并同时发送过载标志。过载界定符由 8 个隐性位组成。 3 4 2 帧间空间 数据帧与先行帧的隔离是通过帧问空间实现的，无论此先行帧是数据帧、远 程帧、错误帧还是过载帧，数据帧都要与之进行隔离。所不同的是，过载帧与错 1 4 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 误帧之间没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。 帧间空间：包括间歇、总线空闲。如果“错误被动”的c a n 节点已经作为前 一报文的发送器，则其帧空间除了间歇、总线空闲外还包括被称作挂起传送的一 段位场。 ( 1 ) 间歇：包括3 个隐性位，间歇期间所有c a n 节点均不允许传送数据帧或 远程帧。如果有某一c a n 节点有一帧报文等待发送，且该节点在间歇的第三位时 采样到一位显性位，则此位被解释成帧的起始位，并从下一个位开始发送报文的 标识符首位，而不用首先发送帧起始位场或者成为接收器。 ( 2 ) 总线空闲：其时间是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送报 文的站就会访问总线。在发送其他报文期间，有报文被挂起，对于这样的报文， 其传送起始于间歇之后的第一位。 ( 3 ) 挂起传送：“错误被动”的c j h n 节点在发送报文后，在下一报文开始发送 前或在间歇后总线空闲前发出8 个隐性位。若此时另一c a n 节点开始发送报文， 则此节点就作为该报文的接收器。 3 4 3 报文滤波 报文滤波取决于整个标识符。允许在报文滤波中将任意标识符位设置为不予 滤波，所以滤波屏蔽寄存器保证某一c a n 节点可以接收其他多个c a n 节点的报文。 3 4 4 报文校验 对于接收器和发送器，报文校验的有效位置不同。 ( 1 ) 发送器： 如果一直到帧结尾该帧报文均无错误，则此报文对于发送器来说是有效报 文，可以结束发送。若报文破损，则报文会根据优先权自动重新发送。为了能够 与其他报文竞争总线，重新发送必须在总线空闲时启动。 ( 2 ) 接收器： 若一直到最后的位( 除去帧结尾) 均无错误，则此报文对于接收器来说是有 效报文，可以予以接收。帧结尾被置于“不重要 状态，若该位为显性位也不会 引起格式错误。 3 4 5 位流编码 帧的各部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以及c r c 场，均通过位 填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流里有连续六个相同的位，便 自动在位流里插入一个相异极性的位。 1 5 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 数据帧或远程帧的剩余位场( c r c 界定符、应答场和帧结尾) 形式固定，不 以位填充形式编码。错误帧和过载帧的形式也是固定的，同样不以位填充形式编 码。 3 4 6 错误处理 ( 1 ) 错误检测 在c a n 通信的位流中包括以下5 种不同的错误类型： 位错误 c a n 节点在发送位流的同时也对总线进行监视( 监听发送) 。如果所发送的位 值与监听到的位值不符合，则在此位时间内检测到一个位错误。但是在仲裁场的 位填充流期间或者在应答间隙发送一个隐性位时情况是例外的，当此时监听到一 个显性位时，不会发出位错误标志，当发送器发送一个被动错误标志但监听到显 性位时，也不视其为位错误。 位填充错误 若在使用位填充法进行编码的位流中，如果出现了六个连续的同极性位时， 该节点就检测到一个位填充错误。 c r c 错误 若接收器计算的c r c 结果与接收到的c r c 计算结果不相符，则检测到一个c r c 错误。 形式错误 当一个固定形式的位场里含有一个或多个非法位时，则检测到一个形式错 误。但接收器在帧结尾的最后一位期间检测到显性位时不被看作形式错误。 应答错误 若发送器在应答间歇期间所监视的位不为显性位时，则发送器检测到一个应 答错误。 ( 2 ) 故障界定 一个c a n 节点的故障界定状态可分为：错误主动、错误被动和总线关闭。 “错误主动的c a n 节点可以正常地参与总线通信，并在检测到错误时发出 主动错误标志。“错误被动 的c a n 节点在检测到错误时不允许发送错误主动标 志。“错误被动”的节点参与总线通信，在检测到错误时只发出错误被动标志。 且发送后“错误被动 的节点将在下一个发送前处于等待状态。 “总线关闭 的c a n 节点不允许参与c a n 通信。 1 6 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 3 5c a n 总线器件“6 本文实验所选的c a n 通信器件为p h i l i p s 公司的s j h l 0 0 0 独立c a n 控制器和 t j a l 0 5 0 高速c a n 收发器。 3 5 1 独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 ( 1 ) s i a l 0 0 0 的内部结构 由图3 - 6 可以看出s j a l 0 0 0 的内部结构由接口管理逻辑、发送缓冲器、接收 缓冲器、接收滤波器、位流处理器、位时序逻辑和错误管理逻辑部分组成。其中 接口管理逻辑解释来自于c p u 的命令，控制c a n 寄存器的寻址，向主控制器提供 中断信息和状态信息。发送缓冲器是c p u 和位流处理器( b s p ) 之间的接口，它 能够存储发送到c a n 网络上的完整信息。缓冲器长1 3 个字节，由c p u 写入， 由位流处理器( b s p ) 读出。接收缓冲器是验收滤波器和c p u 之间的接口，用来 存储从总线上接收到的信息。接收缓冲器( r x b ，长度为1 3 个字节) 作为接收f i f 0 ( r x f i f 0 ，长度为6 4 个字节) 的一个窗口，可被c p u 访问。验收滤波器 图3 6s j h l 0 0 0 的内部结构框图 把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较，以决定是否接收数据信息。位流 处理器是一个在发送缓冲器、r x f i f o 和c a n 总线之间控制数据流的程序装置，同 时还在c a n 总线上执行错误检测、仲裁、填充和错误处理。位时序逻辑监视串口 1 7 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 的c a n 总线和处理与总线有关的位时序。错误管理逻辑负责传送层模块的错误管 制，它接收位流处理器( b s p ) 的出错报告，通知位流处理器( b s p ) 和接口管理 逻辑进行错误统计。 ( 2 ) s j a l 0 0 0 的引脚配置及性能概述 性能概述 s j a l 0 0 0 是一种独立的c a n 控制器，主要在汽车和一般工业环境中使用。除了 具有p h i l i p s 公司p c a 8 2 c 2 0 0 的全部c a n 控制器功能外，s j a l 0 0 0 还增加了一种新 的工作模式一扩展帧格式( p e l i c a n ) ，此模式可以支持具有很多新特性的c a n 2 0 协议。 s j a l 0 0 0 控制器的主要性能特点如下： 在引脚、电气性能上与p c a 8 2 0 0 独立c a n 控制器完全兼容。 和c a n 2 o b 协议兼容。 支持标准帧c a n 模式和扩展帧c a n 模式。 同时支持1 1 位和2 9 位标识符。 砧 鼢。 进| - s 嚣 融 蕊 n 1 2 o d e v 幻3 t ) 1 ) ( ， 图3 7s j a l 0 0 0 的引脚配置图( d i p 2 8 ) 扩展的接收缓冲器有6 4 个字节，先进先出f i f o 。 位速率可达1 m b i t s s 。 1 6 m h z 或2 4 m h z 的时钟频率。 有d i p 2 8 和s 0 2 8 两种封装形式。工作温度范围：- - 4 0 。卜+ 1 2 5 0 c 。 1 8 |室埘瞄勉麟蝴恸堍黜|妻慨雨丽：|j 一= | | i 矾 c 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 3 5 2 高速c a n 收发器t j a l 0 5 0 ( 1 ) t j a l 0 5 0 的内部结构 高速c a n 收发器t j a l 0 5 0 是c a n 控制器与物理总线之间的接口，同p c a 8 2 c 2 5 0 一样 都符合i s o1 1 8 9 8 标准。因此，可以与遵守i s o1 1 8 9 8 标准的其它收发器协同操作。 t j a l 0 5 0r 勾部包括自动温度保护电路( t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ) ，当与之连 接的器件温度超过1 6 5 。c 时，t j a l 0 5 0 将自动关闭，以确保i c 温度不超过允许范围。 ( 2 ) t j a l 0 5 0 的引脚配置： s 了x d g & d v r x e s c a 删 c 甜札 v o 图3 8t j a l 0 5 0 的引脚配置图 v 晓 , r = - 7 - e 毫e n c 兰 v o l g e t 三p 三；曩1 。i e ；气0 了e c t ：o n 厂h 剧敬 难c e 兰r 2 5 l 【n 2 5 k q 图3 9t j a l 0 5 0 的内部结构图 c a n h ，c a n l 是t j a l 0 5 0 收发的两个引脚，通过两端的差分电压收发数据。 s 引脚是控卷u t j a l 0 5 0 运行模式的引脚，t j a l 0 5 0 有高速和静音两种工作模 式。当s 脚接地或悬空时，t j a l 0 5 0 工作在高速模式下，在该模式下总线输出信号 有固定的斜率，且以尽量快的速度切换。这种模式适合用于最大的位速率和最大 的总线长度，且此时其收发器循环延迟最小。将引脚s 接高电平即进入静音模式， 在静音模式中发送器是禁止的，因此t j a l 0 5 0 无论t x d 的输入信号高低，收发器 1 9 芝雁 l 宝峨 驶 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研鸯 运行在非发送状态中，此时消耗的电源电流与在隐性状态时相同。 3 6 燃料电池汽车动力系统d c d c 网络通信协议 3 6 1 协议相关标准 本协议参照高速通信控制局域网c a n 2 o b 规范和s a ej 1 9 3 9 标准。c a n 2 0 b 协议是b o s c h 公司于1 9 9 1 年提出，包括p a r ta 和p a r tb 两部分，p a r ta 为标准帧 协议，p a r tb 为扩展帧协议。s a ej 1 9 3 9 一s a e 标准，由卡车及客车电子电气委 员会所属的卡车及客车控制及通信小组委员会制定，作为公路设备的控制及通 信网络推荐操作规程。 3 6 2 燃料电池汽车电子网络系统拓扑结构 燃料电池汽车电子网络系统由v i s ( 汽车管理系统) 、b m ( 电池管理系统) 、 d c f ( d c d c 系统) 、m c ( 电机控制系统) 和f c e ( 燃料电池发动机) 等部分组成。 各个部分均与v m s 进行实时通信，具体的网络拓扑结构如图所示： ii ib m 卜 v m s 盱 盱 盱 l d c n l 图3 1 0 燃料电池汽车电子网络系统拓扑结构 其中c a n 网络上共有1 0 个通信节点，如表3 2 所示。 3 6 3 网络硬件要求 c a n 总线通信电缆采用屏蔽双绞线。c a n 网络上每个零部件均有终端电阻( 1 2 0 q ) ， 同时终端电阻与网络线间通过跳线相连，以便灵活搭配。所有节点均使用光耦隔离， 总线驱动可采用p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 5 0 芯片或者t j a l 0 5 0 芯片。通信电缆应尽量离 开动力线0 5 m 以上，离开控制线0 1 m 以上。电缆屏蔽层在车内连续导通，要求每个 部件的网络插座有屏蔽层接头。 同济大学硕士论文基于c a n 总线的燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制与保护研究 v m sv e h i c lm a n a g e m e n ts y s t e m f c ef u e lc e l1e n g i n e m cm o t o rc o n t r o ll e t d c f d c d cf o rf c e b mb a t t e r ie sm a n a g e m e n tu n it d c n d i a g n o s i s c a l i b r a t i o nn o d e e c e l e c t r i cc e n t e r d v id r i v e rv e h i c l ei n t e r f a c e d p l y d i s p l a y a ca i rc o n d i t l o n e r 表3 2 电动汽车c a n 网络节点列表 3 6 4 网络管理及控制策略 本协议目标是实现动力系统网络的互通互连，使控制系统能正常工作，并且 构成汽车网络的基本框架。 网络进行周期性正常通信方式时，各个零部件控制单元只与整车控制器( v m s ) 间进行周期性通信，各个零部件间不进行通信。 动力系统子网目前采用5 0 0 k b p s 的通信速率，整车控制器初始化后，每隔2 0 m s 发送其数据帧，各部件在收到s 发来的第一帧，及p v m s s t a t e - - c p 帧后，延迟4 m s ， 马上发送数据给v m s ，在一个周期里发送一次( 在收到s 数据后的2 0 m s 内) 。因 此要求各个零部件的控制器能够区分v m s 发送来的v m s s t a t e - - c p 帧，并在收到此 帧后有时间记录功能，以在4 m s 后发送数据帧给v m s 。 当汽车零部件发生故障时，各相关控制器应具备故障数据记录功能，对于相 关故障，应以事件触发方式在线通知整车控制器，并通过整车控制器发送到显示 模块进行故障指示。 3 6 5 网络报文结构 ( 1 ) 标识符分配 标识符中，优先级为3 位，因此可以有8 个优先级。r 一般固定为0 ，d p 固定为 0 。8 位p f 位报文代码。8 位p s 位目标地址或扩展组。8 位s a 位发送此报文源地址。 数据页位d p