（车辆工程专业论文）电容式混合动力汽车can通信网络研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 经过一个多世纪的发展，传统的燃油汽车已逐渐无法满足可持续发展的要 求。在节能和环保的发展趋势下，许多国家已经将注意力转向电动汽车和燃料汽 车的开发与研制。混合动力汽车( 髓v ) 以其良好的经济性能和排放性能，正在 成为当前世界范围内新型汽车发展的重要方向之一。将新型通信网络技术控制 器局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 应用于h e v 也正成为混合动力汽车研 究领域的重点。本论文以国家“8 6 3 计划节能与新能源汽车重大专项资助项目 “新型电容混合动力汽车整车产品研发为依托，以电容式混合动力汽车为研究 对象，开展了车载c a n 网络系统的设计与开发工作，对提高混合动力汽车车载 c a n 通信系统开发水平和完善系统可靠性提供了重要依据。 本文分析了电容式混合动力汽车动力总成各子系统及其控制器的工作特性， 确定了总线上各节点的功能以及各控制单元之间需交互的信息，在此基础上对整 车网络进行了总体规划和设计，并设计了符合h e v 控制要求，与s a ej 1 9 3 9 协 议兼容的c a n 通信协议。同时对整车c a n 网络的电磁兼容性进行了分析，在 c a n 网络设计中采用不同的抗干扰技术，提高了整车c a n 网络的电磁兼容性。 在研究整车和各子系统之间通信接口方案的基础上，基于d s p a c e 实时仿真 系统和信号发生箱，开发了基于c a n 总线通信的h e v 硬件在环仿真平台，以 此模拟实车c a n 网络通信运行环境。并基于该平台对c a n 总线的通信实时性 和负载率进行了仿真分析，为c a n 总线性能优化提供了理论依据。 开发了混合动力汽车整车c a n 网络的监控系统。在混合动力汽车的研发阶 段，通过该系统能够很方便的对整车c a n 网络上的数据进行监控，为c a n 总 线的性能验证试验提供了便利。 开展了电容式混合动力汽车c a n 通信系统的性能试验，在台架和整车试验 中验证c a n 网络通信的准确性和完整性，并通过试验进一步改进和完善c a n 通信协议和通信系统的工作性能。为了提高试验的效率，采用作者开发的混合动 力汽车c a n 网络监控系统对试验过程进行有效的监测和控制。试验结果表明开 江苏大学硕士学位论文 发的c a n 通信协议和车载c a n 通信系统满足实车运行要求，保证了动力总成 系统通信的实时性，达到了良好的效果。 关键词：混合动力汽车，c a n 总线，硬件在环仿真，监控系统 江苏大学硕士学位论文 t h et r a d i t i o n a lg a s o l i n ev e h i c l e sc a nn o tm e e tt h er e q u k e m e n t so fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ta f t e rm o r et h a nac e n t u r y u n d e rt h et r e n do fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，m a n yc o u n t r i e s h a v et u r n e dt ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e sa n d f u e lc e l lv e h i c l e s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e y ) i sb e c o m i n gam a i nb r a n c ho fn e w - s t y l ea u t o m o b i l e si nt h ew o r l db e c a u s eo fi t s u p s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo fe c o n o m ya n dl o we m i s s i o n i ti sb e c o m i n gv e r yi m p o r t a n t i nt h ef i e l do fh e vr e s e a r c h b ya p p l y i n g an e wt y p eo fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k - - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) t oh e v w i t ht h es u b j e c to fn e w c a p a c i t o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s u p p o r t e db yt h em a j o rf u n dp r o j e c to fc h i n a “8 6 3 ”e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dn e we n e r g yv e h i c l e s - - - - r e s e a r c ha n dd e v d o p m e mo f n e wc a p a c i t o rh y b me l e c t r i cv e h i c l e ，t h i st h e s i sc a r r i e so u tt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to f v e h i c l e - m o u n t e dc a nn e t w o r k s t u d yo nt h i sp r o j e c tp r o v i d e s i m p o r t a n tb a s i st o w a r d si m p r o v i n gt h ed e v e l o p m e n tl e v e la n dp e r f e c t i n gs y s t e m r e l i a b i l i t yo fh e v sv e h i c l e m o u n t e dc a nn e t w o r k w i t ht h ea n a l y s i so no p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fh e vp o w e r t r a i na n d s u b s y s t e m s ，t h ef u n c t i o n o fe a c hn o d ea n dt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e da m o n g c o n t r o l l e r sa l ed e t e r m i n e d o nt h a tb a s i s ，t h ev e h i c l en e t w o r ki sd e s i g n e d ，a n dc a n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw h i c hi s c o m p a t i b l ew i t h s a ej 1 9 3 9p r o t o c o la n d c o r r e s p o n d s 谢t hh e vs t a n d a r d ，i sc o m p l e t e d a tt h es a m et i m e ，e l e c t r om a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yo fc a n n e t w o r ki sa n a l y s e d d i f f e r e n ta n t i - j a m m i n gm e t h o d sa r eu s e d i nt h ep r o c e s so fc a nn e t w o r k d e s i g nt oi m p r o v et h ee l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y o nt h eb a s i so ft h e i n t e r f a c er e s e a r c hb e t w e e nv e h i c l ea n ds u b s y s t e m s ，t h e h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) s y s t e mb a s e do nc a nb u sh a sb e e n d e v e l o p e db yd s p a c er e a l t i m es i m u l a t i o ns y s t e ma n ds i g n a lg e n e r a t o r t h eh i l s c a ns i m u l a t et r u ee n v i r o n m e n to fc a nb u si nh e v t h ec o m m u n i c a t i o ni n s t a n t a n e i t y a n dl o a dr e g u l a t i o no fc a nb u sa r ea n a l y z e de m u l a t i o n a l l yb ym l s w h i c hs u p p l i e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no fc a nb u s t h ec a nn e t w o r ks i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e mf o rh y b r i de i c c t r i cv e h i c l e si s m 江苏大学硕士学位论文 d e v e l o p e d ，b yw h i c ht h es t a t ep a r a m e t e r so fe a c hc o n t r o l l e rc a l lb em o n i t o r e d ， t h e r e f o r ep r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep e r f o r m a n c eo fc a nb u s t h ec a nb u sp e r f o r m a n c et e s th a sb e e nf i n i s h e d i ti sc a r d e do u ti np o w e r t r a i n t e s ta n dr o a dt e s tt ov a l i d a t et h ev e r a c i t ya n di n t e g r a l i t yo fc a nb u s ，a n dt h e r e b yt h e p e r f o r m a n c eo fc a nb u sp r o t o c o la n ds y s t e mc a nb ei m p r o v e da n dc o n s u m m a t e d i n o r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y , t h ec a nn e t w o r ks i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e mf o rh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e si su s e dt oi n s p e c ta n dc o n t r o lt h ew h o l et e s tp r o c e s s t h er e s u l t sn o t o n l yr e p r e s e n tt h a tt h ed e s i g n e dc a np r o t o c o la n dc a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a n f u l f i l lt h er e q u i r e m e n to fi - m v , b u ta l s op r o v et h a tc a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o r h e vc o n t r o ls y s t e mh a sg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n d g e t sg o o de f f e c t k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c a nb u s ，h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n ， s i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e m i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：召f ；哦 1 口f 。年占月i i e l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的 内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名：印 日期：、口f 口年么月i 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 历史上，交通能源动力系统的变革一直都处于技术革命和经济转型的核心位 置。1 9 世纪，煤和蒸汽机火车引发了欧洲的工业革命，从而诞生了人类的工业 文明；2 0 世纪，以石油为动力源的内燃机汽车促成了世界的经济腾飞，把人类 带入了基于石油的经济体系与物质繁荣，但同时也带来了能源和环境的巨大挑 战。进入2 1 世纪，传统燃油汽车所引起的能源与环境危机日益严重，汽车节能 和排放已成为国际社会广泛关注的热点和难点问题之一，如何提高能源效率、调 整能源结构、寻求替代能源已经成为实行经济社会可持续发展所必须解决的重要 问题。以替代燃料和混合动力为代表的各种新型汽车能源动力技术迅猛发展，相 互竞争，引发了一场新的技术革命【。 这场能源动力系统变革的主要趋势是汽车能源多元化、汽车动力电气化和汽 车排放洁净化。混合动力汽车( h e y , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是清洁汽车中最具 有产业化和市场化前景的车型。它采用发动机、电机和电池作为混合动力总成， 既继承了电动车辆作为“绿色汽车 的节约能源和超低排放的优点，又弥补了电 动车辆续驶里程不足的缺点。通过优化控制系统可使发动机、电机和电池保持在 最佳经济区运行，并实现再生制动能量回收，提高了整车的能量利用率，同时大 幅度减少了排放污染。根据统计资料，混合动力汽车的燃油消耗指标与装备同类 型发动机的传统汽车相比平均降低3 0 枷，尾气排放指标平均降低 5 0 - 6 0 。在配套设施方面，不需要像燃气汽车和电动汽车那样投入巨资进行 加气站和充电站建设。目前混合动力汽车( 既v ) 正在成为国际汽车工业发展的 重要潮流和热点之一。 与传统的汽车相比，h e v 的动力子系统和整车控制系统变得更加复杂，在 传统燃油车的基础上，新增了电机、电池等部件，从而需要对电机控制器、电池 管理系统、发动机控制系统及能源总成控制系统协调控制，使各设备工作在高效 区，提高能源的利用率【2 】。电子控制单元( e c u ) 的大量引入以及辅助动力源的 增加使h e v 控制系统需要交互的信息量增多，而且h e v 要求传递的信息具有 江苏大学硕士学位论文 较高实时性，以便及时控制车辆的运行状态。因此，根本上需要一套复杂缜密的、 具有高可靠性、良好扩展性的通信系统。此时，h e v 汽车如采用传统的点到点 连线方式实现车载通信，将是繁琐和昂贵的，并且难以解决问题。传统的通信方 式使得h e v 的各个子系统的e c u 之间很多信息不能共享，出现了大量的重复开 发工作，而且没有一套规范对它们进行规划和统一的管理，从而不可避免的出现 了数据的重复采集和整车监控系统结构的复杂繁冗。同时，在h e v 中大量的电 子产品使汽车整体布置空间减小，增加了汽车的重量，连接器会导致汽车可靠性 降低，适应性恶化，制造和总成的难度增加，大量增加的线束阻碍了汽车性能的 进一步提高。随着h e v 技术的发展和成熟，控制系统的软、硬件升级，要求通 信系统有良好的可扩展性，传统的通信方式已不能满足i - i e v 发展的要求。 因此必须寻找一种新的技术，合理地解决上述问题。二十世纪八十年代初出 现的汽车车载网络技术，是从根本上解决上述问题的有效途径。其中，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 控制器局域网络，属于多路传输系统中的一种，是 1 9 8 0 年b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而 开发的一种串行数据通信协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术以及 集成模块化的工作方式，使其具有可靠性高、抗干扰能力强、配置灵活、实时性 好、系统错误检测和隔离能力强等优点【3 】，同时，各模块都能够比较独立的工作， 避免了各模块之间的相互干扰。c a n 系统的应用，使现代汽车进入了一个更高 级的发展阶段。 为了实现多目标的优化控制，进一步全面提高h e v 的整体性能( 动力性、 操纵性、安全性、舒适性和经济性) ，根据智能化的要求和综合协调控制的特点， h e v 的各个控制系统将更多地依赖系统内、外部信息的获取，这要求互相独立 的e c u 间进行大量的数据交换和信息传递，因而汽车电子设备间的通信是必须 解决的关键问题，所以，开展c a n 网络研究是h e v 发展及应用的必然要求。 1 2 混合动力汽车概述 1 2 1混合动力系统的结构和分类 混合动力汽车( h e v ) 在同一辆汽车中同时采用了电动机和发动机作为其动 力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置实现有机协调配合。混合动力汽车 2 江苏大学硕士学位论文 将原发动机、电动机、能量储存装置( 电池或超级电容) 按某种方式组合在一起， 可以分为3 类：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽 车。 ( 1 ) 串联式驱动系统 串联混合动力总成的主要结构特点是发动机和发电机组成发电机组，通过功 率分配装置将电池组、电动机和发电机组连接起来，由电动机驱动汽车行驶，电 池通过控制器串接在发动机和电动机之间，起功率平衡的作用【4 】。其基本结构如 图1 1 所示。 图1 1 串联式混合动力汽车系统结构 f i g 1 1s t m c t i l r cf o r m a to fs h e v 串联式混合动力汽车所有来自原始能量源的能量都被转换为电能这种中间 形式，然后再驱动车轮，这种结构简单，布置灵活。可以利用电动机作为发电机， 将电能储存在电池里，达到在刹车时制动能量回收的目的。不需要按照汽车对功 率的要求来操作发动机，也就是说发动机的操作取决于能源利用的最优效率以及 污染排放情况。缺点是能量转换、传输的环节多，造成整体能量转换效率比较低， 并且，为满足爬坡等需要大功率的路况，发动机、发电机和电动机的额定功率都 要求比较大。同时电动机的功率至少要满足机车所需要的最大功率，这就限制了 电机小型化的可能性。 ( 2 ) 并联式驱动系统 并联式混合动力汽车有发动机和电动机两套驱动系统驱动车轮。发动机和电 动机通常通过不同的离合器来驱动车辆，可以采用发动机单独驱动、电力单独驱 动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式驱动。它仍然以发动机驱动为主要 驱动模式，发动机控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定运转。并联 式混合动力汽车结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。 3 江苏大学硕士学位论文 其系统结构如图1 2 所示。 图1 2 并联式混合动力汽车系统结构 f i g 1 2s t m c t u r ef o r m a to fp h e v 与串联式结构相比，发动机通过机械传动结构直接驱动汽车，其能量的利用 率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于 汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机 工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适合于汽车行驶工况变化较多的路况。相 比串联结构形式，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。 ( 3 ) 混联式驱动系统 混联式混合动力汽车不同之处是在发电机输出轴上增加了一个电动发电 机，但仍然需要一个动力组合器保证两种驱动力运动不发生干扰，并且两种驱动 力高效的进行混合阁。图1 3 为混联式混合动力汽车系统结构图。 图1 3 混联式混合动力汽车系统结构 f 远1 3s t m c t u r ef o r m a to fs p h e v 混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、 电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系 统在最优状态工作，所以更容易实现排放和油耗的控制目标，因而是最有影响力 的辅助动力单元。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因为对动力复 4 江苏大学硕士学位论文 合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本 构架。 1 2 2 混合动力汽车国外发展现状 9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作，并以混合动力汽车 为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各大汽车公司和 有关部门积极开展混合动力汽车的研究工作，并实施了新型汽车合作计划。该计 划制定的混合动力汽车开发的目标是：2 0 0 2 年进行试验性推广，2 0 0 4 年达到全 面商业化生产。 全球首辆商业性混合动力汽车“p r i m 由日本丰田公司研制成功。2 0 0 6 年， 已向全球市场总共销售3 1 2 5 0 0 辆混合动力汽车，与上一年相比增长3 3 ，这一 增幅大大高于其传统的汽柴油汽车销量的增幅。2 0 0 7 年，该公司销售混合动力 汽车约4 4 万辆，与2 0 0 6 年相比将增长约4 0 。2 0 0 0 年日本本田公司研制出的 “i n s i g h t 混合动力汽车创下了3 升汽油行驶1 0 5l 洫的世界纪录，本田公司将 “i n s i g h t 所能达到的极佳的燃油经济性的3 0 归功于混合动力系统的作用， 3 5 归功于采用轻量化设计的铝制车身，剩余的3 5 归功于采用稀薄燃烧技术的 汽油机【q 。 欧洲也在积极进行混合动力电动汽车的开发与研制。法国雷诺公司研制的 v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已经通过了1 0 0 0 0 k m 运行试验，并于 1 9 9 8 年研制出电动、汽油两用车- n e ，该样车已经试制出来。瑞典沃尔沃公 司已在沃尔沃f l 6 卡车的基础上，开发了混合动力电动汽车，时速可达9 0 k m 。 德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。另外德国西门子和 博世等著名零部件公司也与大汽车公司联合开发混合动力汽车。 1 2 3国内在混合动力汽车领域的研发动态 我国在“八五和“九五 期间都有计划地开展了混合动力电动汽车的若干 领域的开发。“十五 和“十一五 期间，国家科技部将电动汽车项目列入国家 “8 6 3 重大专项。我国的“8 6 3 计划也已明确将电动汽车作为重点攻关项目。 我国政府正是认识到电动汽车潜在的巨大社会、能源和环境效益，同时作为未来 汽车产业发展的重要方向，从提升国家汽车产业水平等角度开始推进我国电动汽 车的研究开发及产业化，分别以科研投入、法规标准建设等多种政策形式，对汽 5 江苏大学硕士学位论文 车企业、高校、研究所等给予激励和扶持。 目前，我国电动汽车的研发水平与发达国家基本上处在同一起跑线上，在某 些方面甚至超过国外。一汽、上汽、长安、吉利等汽车公司积极实施各自的混合 动力车研发及产业化计划。长安首款混合动力轿车长安杰勋已于2 0 0 9 年6 月成 功上市，首批2 0 辆长安志翔混合动力出租车于2 0 1 0 年1 月正式在重庆投入运行。 长安杰勋h e v 采用汽油发动机和电动机混合联动模式为车辆提供动力，整车油 耗将比传统车型低2 0 以上，排放限值满足国标准。奇瑞a 3 混合动力车型装 备了自主研发的1 3 l 柴油发动机和3 0 k w 永磁同步电机，选用了全自动变速箱 c v t ，可以实现百公里3 o l 超低油耗和超低排放的目的【7 】。继2 0 0 8 年为北京奥 运会提供了1 2 台混合动力客车和6 台混合动力轿车进行示范运行后，一汽集团 积极参与2 0 0 9 年科技部新能源汽车试验运行项目，目前，奔腾混合动力轿车的 生产线正在建设中，混合动力轿车已初步形成批量生产能力。在新能源汽车的研 发上，混合动力汽车、燃料电池汽车和代用燃料汽车成为上汽集团新能源战略的 三大重点。上汽计划在2 0 1 0 年下半年推出中混混合动力轿车，2 0 1 2 年上汽插电 式强混轿车和纯电动轿车将推向市场。 2 0 0 7 年1 0 月和1 1 月，上海华普汽车有限公司的混合动力汽车分别在北京 清洁能源车展和上海市2 0 0 7 年工博会上展览，得到广泛的关注。上海华普汽车 有限公司计划到2 0 1 1 年，推出5 款混合动力车，包括轻度混合动力电动汽车、 弱度混合动力电动汽车、中度混合动力电动汽车、f c 1 c 全混合动力电动汽车、 双电机全混合动力汽车。 1 3c a n 总线概述及在现代汽车中的应用 1 3 1c a n 总线概述 c a n 总线属于总线式串行通信网络，与一般的总线通信网络相比，c a n 总 线网络实时性好、可靠性高，具有良好的可扩展性，其主要特点如下问： c a n 网络为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向 网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活； c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求； c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 6 江苏大学硕士学位论文 优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的 继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载 很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况； c a n 只需通过帧滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方 式的收发数据； c a n 采用非归零( n r z ) 编码，直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率 5 k b s ) ，最高通信速率可达1 m b s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 9 1 ； c a n 网络上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准帧 报文的标识符为1 1 位，而扩展帧的报文标识符为2 9 位，个数几乎不受 限制： 采用短帧结构，传输时间短，受干扰频率低，从而保证了通信数据的低 出错率。同时，c a n 通信每帧信息都有c r c 校验机制，并可以方便的 通过软件增加冗余的检错功锹1 0 l ； c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，从而保证总线 网络上的其他节点通信不受干扰； c a n 总线上用显性( d o m i n a n t ) 和隐性( r e c e s s i v e ) 表示o 和1 。当在总 线上出现同时发送显性位和隐性位时，总线上数值将出现显性。总线上的信号采 用差分电压传送，两条信号线被称为c a nh 和c a nl ，如图1 4 所示。在隐性 状态时，c a n h 和c a n l 被固定在平均电压电平附近，近似为o 。在显性 状态时，q 悄h 比c a nl 高，此时通常电压值为c a nh = 3 5 v ，c a nl = i 5 v 。 在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位。 电压( x 0 3 5 v 2 5 v 1 5 v 图1 4 总线的数值显示 f i g 1 4d a t ad i s p l a yo fc a nb u s 7 时问 江苏大学硕士学位论文 c a n 具有以下的属性：报文的优先权，保证延迟时间，设置灵活，时间同 步的多点接收，系统传输数据的连贯性、多主机、错误检测和标定，只要总线一 处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输，将节点的暂时性错误和永久性错误区 分开来并且可以自动关闭错误的节点。c a n 协议采用分层结构，以实现设计的 透明性和灵活性。其结构划分及功能如图1 5 所示。 图1 5c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 f i g 1 5l a y e rs 岫l c t i 】r eo fc a n1 s o l o s ! r e f e r r e n c em o d u l c a n 协议中结构划分完全遵从o s i ( o p e l ls y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模 型，分为数据链路层和物理层。其中数据链路层包括逻辑链路控制层( l o g i c a l l i n kc o n t r o ls u b l a y e r ，i l c ) 和介质访问控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l s u b l a y e r ，m a c ) 。u c 层为远程数据请求以及数据传输提供服务，确认由u c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息；m a c 的主 要作用是传送规则，也就是控制帧的结构、执行仲裁、错误的标定、故障的界定、 判断总线是否空闲、发送接收报文的时间以及位定时等；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的实际传输。当然，在同一网络内，物理层 对于所有的节点必须是相同的，尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。 c a n 总线协议规定了标准信息帧和扩展信息帧，分别在i s o 1 1 8 9 8 中定义 了这两种模式。c a n 总线网络中，数据在节点问传递有4 种不同类型的帧，即 数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。每帧都有相应的帧格式，最常用的是数据帧。 8 江苏大学硕士学位论文 数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始( s t a r to ff r a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o n f r a m e ) 、控制场( c o n t r o lf r a m e ) 、数据场( d a t af r a m e ) 、c r c 场( c r cf r a m e ) 、 应答场( a c kf r 锄e ) 、帧结束( e n do f f r a m e ) 。数据帧组成如图1 6 所示。 数据帧 帧同空间帧间空f 、 或过载电 仲裁场 控制场数据场 c r c 场帧结束 帧起始j 匝答场 图1 6 数据帧组成 f i g 1 6f o r mo fd a t af r a m e ( 1 ) 帧起始：标志数据帧和远程帧的开始，仅由一个单独的显性位组成。 只有在总线空闲时，才允许节点开始发送报文，所有的节点必须同步于首先开始 发送信息的节点的帧起始前沿； ( 2 ) 仲裁场：在c a n2 0 b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标 识符的长度，具有n 位标识符的帧称为标准帧，而具有2 9 位标识符的帧为扩展 帧。标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式是不同的。在标准格式中，仲裁场由 1 1 位标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成，如图1 7 所示； 标准格式卜堡垫鱼十_ 堕魁塑咔一_ j 鳖堕塑一 帧起始r t ri d e 图1 7 数据帧标准格式中的仲裁场结构 f i g 1 7a r b i t r a t i o nf i e l ds t r u c t u r eo fs t a n d a r df r a m e 在扩展格式中，仲裁场包括2 9 位标识符和替代远程请求位( s r r ) 、标识符 扩展位( i d e ) 、远程请求发送位( r t r ) 。如图1 8 所示。 圹犀舷音卜竺塑一一一* 一篓堂一爿耋壁堕薯 扩展格式f 砷_ 叫_ 一 图1 8 数据帧扩展格式中的仲裁场结构 f i g 1 8a r b i t r a t i o nf i e l ds t r u c t u r eo fe x t e n d e df l 。d m e 标识符：在标准格式中，标识符的长度为1 1 位。这些位的发送顺序是从 9 江苏大学硕士学位论文 i d l 0 到i d 0 ，最低位是i d 0 ，最高的7 位不能全是隐性；而在扩展格式中，标识 符的长度为2 9 位，包括1 1 位基本和1 8 位扩展d 帧，基本m 定义了扩展 帧的基本优先权； r t r 位：远程请求发送位。该位在数据帧中应为显性，在远程帧中应为 隐性； s r r 位：替代远程请求位。该位属于扩展格式，当标准帧与扩展帧发生 冲突且扩展帧的基本d 与标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧； i d e 位：标识符扩展位。该位在标准格式中为显性，在扩展格式中为隐 性。 ( 3 ) 控制场：由6 位组成。标准格式与扩展格式的控制场格式不同。标准 格式中的帧包括数据长度代码d l c 、i d e 位和保留位m ，而扩展格式中的帧包 括数据长度代码d l c 和两个必须为显性的保留位r 1 和r 0 ： ( 4 ) 数据场：由数据帧中的发送数据组成。它可以分为o 8 个字节，每字 节包含了8 位； ( 5 ) c r c 场：包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) 和c r c 界定符( c r c d e l i m i t e r ) ： ( 6 ) 应答场：长度为2 位，包含应答间隙( a c ks l o t ) 和应答界定符( a c k d e l i m i t e r ) 。当接收器正确地接收到有效报文时会发出应答信号； ( 7 ) 帧结束：每个数据帧和远程帧的帧结束均由7 个隐性位组成。 远程帧是被用来请求总线上某个远程点发送自己想要接收的某种数据，具有 发送这种远程消息能力的节点接收到这个远程帧后，就应尽力响应这个远程传送 请求。所以对远程帧本身来说，是没有数据域的。在远程帧中，r t r 位是隐性 的，它没有数据场。r t r 的极性表示了所发送的帧是数据帧( r t r 位是显性的) 还是远程帧( r t r 位是隐性的) 。远程帧的组成如图1 9 所示。 帧问空间 ， 远程帧 、 帧间空间 或过载帧 、 、 仲裁场控制场 c r c 场帧结束 帧起始 应答场 图1 9 远程帧的组成 f i g 1 9f o r mo fr e m o t ef r a m o 1 0 江苏大学硕士学位论文 错误帧用于标识总线错误，由总线上任何检测错误的节点发送。错误帧由两 个域组成，第一个域是来自各站的错误标记叠加，随后一个域是错误界定符。错 误帧的组成如图1 1 0 所示。 效琚帧 ， 锚侠怀芯 、l 或过载帧 ， j 盛涅!皂宪磐 错误标志的叠加 图1 1 0 错误帧的组成 f i g 1 1 0f o r mo fe r r o rf r a l l l e 错误标志有两种形式：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，而被动错误标志由6 个连续的隐性位组成，除非被其他节 点的显性位重写。 过载帧用于提供相邻数据域或远程帧之间的附加延时，由超载标志和超载界 定符组成。超载标志由6 个显性位构成，过载界定符由8 个隐性位构成。过载帧 的组成如图1 1 1 所示 超载帧的发送由下列三种情况引起： ( 1 ) 接收器的内部原因，它需要延迟下一数据帧或远程帧的接收； ( 2 ) 在间歇的第一位和第二位检测到一个显性位； ( 3 ) 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位采样到一个显性 位，节点会发送一个过载巾贞【1 1 1 。 双琚恢 、 u n i ， ， 赳戟怀志 j 或过载帧 精格lq 麝能 过载标志的叠加 图1 1 1 过载帧的组成 f i g 1 1 1f o r mo f o v e f l o a df r a m e 1 3 2c a n 总线在现代汽车中的应用 目前，支持c a n 协议的有英特尔、摩托罗拉、惠普、西门子、m i c r o c h i p 、 n e c 、s i l i o n i 等著名公司。戴姆勒奔驰是第一个将c a n 总线应用于发动机 管理系统的汽车制造商。现在奔驰公司生产的大部分轿车和载货汽车都使用基于 c a n 的发动机管理系统。欧洲大部分汽车制造商，如宝马、保时捷、劳斯莱斯、 大众、沃尔沃、雷诺等都已经使用了c a n 总线。现今，世界上的i n t e l 、p h i l i p s 、 1 1 江苏大学硕士学位论文 m o t o r o l a 、s i e m e n s 等各大公司争相推出自己的c a n 通信控制器产品， m o t o r o l a 公司还新定义了自己的c a n - b u s 和l i n b u s 标准，同时推出了 集成的高速低转换芯片专门用于汽车工业。开发具有智能的带有c a n 总线接口 的新型汽车仪表盘及相应的线束，取代现行的汽车仪表盘及线束后可满足未来汽 车高性能的需求，提高汽车的安全性和可靠性，并为提供一个融安全、舒适、娱 乐为一体的车内环境创造条件。 在我国，对c a n 总线的应用研究已经起步，清华大学、北京航天航空大学 等单位在c a n 控制网络方面开展了富有成效的研究。目前国内在整车网络体系 构建、信息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，没有形成自己独立的c a n 应 用层的协议规范，离发达国家现有的技术水平有一定的差距。按照我国汽车电子 技术发展规划，进入2 1 世纪后轿车电子技术可达国外9 0 年代水平，为了缩短同 国外轿车技术水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于发展，消 化、吸收、研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统势在必行。 总体来看，国内对车载c a n 网络系统的研究仍处于起步阶段，c a n 通信协 议及其格式还不完善，缺乏针对具体车型的c a n 通信网络测试平台，这样使得 开发难度增加，产品化周期长。 1 4 选题意义与主要研究内容 本论文开展的研究工作是由上海华普汽车有限公司承担的国家“8 6 3 计 划节能与新能源汽车重大专项资助项目“新型电容混合动力汽车整车产品研发” 课题的组成部分。c a n 总线通信网络研究与开发能够合理的解决混合动力汽车 开发中电子控制单元之间的通信问题，促进汽车电子技术在混合动力汽车中的应 用，同时掌握车载通信网络协议的控制权，实现自主开发，符合混合动力汽车的 发展趋势，对于促进我国混合动力汽车的技术进步，有重要的实用价值和意义。 本文在对电容混合动力汽车各动力总成系统进行深入研究和分析的基础上， 对整车c a n 通信网络进行了设计、开发及网络性能的验证，本论文的主要研究 工作包括： 1 研究电容式混合动力汽车整车结构及功能需求，对整车网络进行设计和 规划； 江苏大学硕士学位论文 议； 2 制定与s a ej 1 9 3 9 协议兼容的适用于整车控制策略的c a n 总线通信协 3 基于d s p a c e 实时仿真系统和信号发生箱，开发基于c a n 总线通信的混 合动力汽车硬件在环仿真平台； 4 开发电容式混合动力汽车整车c a n 网络监控系统； 5 在以上工作的基础上，进行台架试验和整车转毂试验，检测c a n 通信网 络运行状况，对开发的c a n 通信网络的功能和性能进行验证。 江苏大学硕士学位论文 第二章混合动力汽车c a n 网络设计及通信协议的制定 在现代信息技术迅猛发展的今天，网络通信是汽车电子发展的重要趋势，随 着汽车电子设备单元数量和复杂度的日益增长，网络化的汽车必然会因为其卓越 的性能和由规模化生产带来成本的不断降低在市场竞争中取得领先的优势。混合 动力汽车是一个复杂的综合机电控制系统，电子控制单元的大量引入以及辅助动 力源的增加使h e v 控制系统需要交互的信息量增多，因此对其采用c a n 网络 通信技术是一种必然的选择。 c a n 总线通信网络以其优良的特性能够满足h e v 通信要求，但是，目前国 际上没有针对h e v 的标准化c a n 总线协议。本章在研究现有车辆协议的基础 上，对h e v 整车网络进行规划，重点设计符合i - i e v 控制要求，与s a ej 1 9 3 9 协议兼容的c a n 通信协议。 2 1 混合动力汽车c a n 网络总体设计 2 1 1混合动力汽车设