（车辆工程专业论文）基于can总线的hev通信系统网络的研究.pdf

基于c a n 总线的h e v 通信系统网络的研究 摘要 本文介绍了作者在串联式混合动力城市车辆c a n 总线和车辆网络方面的 研究工作。串联式混合动力城市车辆的动力源与传统内燃机汽车相比多了驱动 电机，对整车能量进行合理分配才能实现整车控制策略、体现混合动力汽车的 优势。使用c a n 总线构建整车通信网络，能够将车辆上主要的控制单元联系 起来，可靠实时地实现指令传输和参数交换，并根据多能源管理系统预先设定 的控制程序，依照控制策略实现动力源的合理分配。 论文结合我国城市公交工况研究了串联式混合动力车辆的动力系统，分析 了各控制单元的功能。构建了六个c a n 节点的网络拓扑结构，包括多能源管 理系统、发动机控制模块、发电机控制模块、驱动电机控制模块、电池管理模 块和l e d 显示单元。深入研究了c a n 总线的分层结构和报文传输，同时分析 了面向汽车网络的j 19 3 9 协议的原理和编码定义规则，定义了网络节点的源地 址，对h e v 通信系统网络报文进行了详细定义。 构建课题研究所需要的软硬件平台，包括以下两部分内容：( 1 ) 基于a r m 和f r e e s c a l e 分别完成了两类高速c a n 节点的硬件设计，包括电源部分、c a n 接口部分和微控制器部分，并对两类节点在硬件方面进行了简单比较。( 2 ) 在 内建c a n 控制器和f u l l c a n 专家函数库的基础上，基于a r m 芯片进行了c a n 高速节点的软件设计；在m s c a n 控制器的基础上，基于f r e e s c a l e 芯片进行了 c a n 高速节点的软件设计，并对这两类节点在缓冲区配置和验收过滤设置方面 进行比较。 分别在a d s l 2 集成开发环境和h c l 2 ( v 4 5 ) c o d e w a r r i o r 开发环境下建立 c a n 通信工程，并进行程序的调试、编译和下载。基于周立功公司的 c a n s t a r t e r i i 开发套件完成a r m 芯片的c a n 节点通信试验，基于清华大学的 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 实验系统完成f r e e s c a l e 芯片的c a n 节点通信试验。试验结果 表明，c a n 节点间能够实现可靠通信并进行报文滤波。 论文最后总结归纳了本课题研究的结论和创新点，对在本课题基础上进行 进一步研究和探讨提出了展望。 关键词：混合动力城市客车：c a n 总线：通信网络：s a ej 1 9 3 9 协议：实验研究 s t u d yo nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fh e v b a s e do nc a n a b s t r a c t t h et h e s i sc o v e r st h er e s e a r c hw o r ko nt h es e r i a lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e c a n b u sa n di n v e h i c l en e t w o r kt h a tih a v ed o n eo nm yi s s u e w h a ts e r i a lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ed i f f e r sf r o mt r a d i t i o n a lv e h i c l ei s i t sd r i v e nm o t o r t h er e a l i z a t i o n o fv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ee m b o d i m e n to f h e v sa d v a n t a g ei sd e t e r m i n e d b yt h eo p t i m i z e dd i s t r i b u t i o no fw h o l ep o w e rs o u r c e t h ek e yc o n t r o lu n i t sc a nb e l i n k e db yc a n - b u sv i a t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ei n s t r u c t i o n sa n dt h e p a r a m e t e r sc a nb et r a n s m i t t e da n de x c h a n g e dc r e d i b l ya n dr e a l t i m e d a c c o r d i n gt o t h ec o n t r o lp r o g r a mp r e e s t a b l i s h e di nt h em u l t i e n e r g ym a n a g e m e n tu n i t ，t h ep o w e r s o u r c ec a nb eo p t i m i z e dd i s t r i b u t e di nc o n f o r m i t yt ot h ec o n t r o ls t r a t e g y t h ep o w e r t r a i no fs e r i a lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei sr e s e a r c h e dc o m b i n e dw i t h c i t y - b u sd u t yc y c l ea n dt h ef u n c t i o no fe v e r yc o n t r o lu n i ti sa n a l y z e d n e t w o r k t o p o l o g ys t r u c t u r eo fs i xc a nn o d e si se s t a b l i s h e di n c l u d i n ge n g i n ec o n t r o lu n i t ， g e n e r a t o rc o n t r o lu n i t ，d r i v e nm o t o rc o n t r o lu n i t ，b a t t e r ym a n a g e m e n tu n i ta n dl e d d i s p l a yu n i t c a n - b u sf r a m e w o r ka n dm e s s a g et r a n s m i s s i o na r er e s e a r c h e d c o d i n g r e g u l a t i o na n ds a ej 19 3 9p r o t o c o l s ，w h i c ha r ec o r r e l a t i v et ot h ei n - v e h i c l e e l e c t r o n i cc a nn e t w o r k ，a r es t u d i e di n t h i st h e s i s ，a n dt h es o u r c ea d d r e s so f n e t w o r kn o d e sa r ed e f i n e d ，w i t ht h eh e vc o m m u n i c a t i o nm e s s a g e sd e f i n e di n d e t a i l s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r ma r ec o n s t r u c t e dw h i c hi n c l u d e sf o l l o w i n g t w op a r t s ：( 1 ) d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i to ft w ok i n d so fh i g hs p e e dc a n n o d e sr e s p e c t i v e l yb a s e do na r ma n df r e e s c a l ew h i c hi n c l u d e st h ep o w e rm o d u l e ， t h ec a ni n t e r f a c em o d u l ea n dt h em i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e ag e n e r a lc o m p a r e b e t w e e nt h eh a r d w a r ea l s ob eg i v e n ( 2 ) d e s i g n i n gt h es o f t w a r eo fa r m c a n n o d e sb a s e do na n a l y z i n gt h ei n t e r n a l l yc a nc o n t r o l l o ra n df u l l c a ne x p e r t f u n c t i o nb a s e d e s i g n i n gt h es o f t w a r eo ff r e e s c a l ec a nn o d e sb a s e do na n a l y z i n g t h em s c a nc o n t r o l l o r b r i n g i n gf o r w a r dc o m p a r eb e t w e e nt w ok i n d so fn o d e si n b o t hb u f f e rc o n f i g u r ea n dm e s s a g ef i l t r a t i o ns e t t i n g f o u n dc a nc o m m u n i c a t i o np r o je c t sb o t hi na d s1 2i n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dh c12 ( v 4 5 ) c o d e w a r r i o rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，c o m p l e t et h e d e b u g ，m a k ea n dd o w n l o a do fp r o g r a m m e t a k ee x p e r i m e n to fa r m c a nb a s e do n c a n s t a r t e r i i d e v e l o p m e n ts u i t a n d e x p e r i m e n t o ff r e e s c a l eb a s e do n m c 9 s12 d g l2 8s y s t e mo ft s i n g h u au n i v e r s i t y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec a n n o d e sc a nr e a l i z et h er e l i a b l ea n dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o na n dc a np e r f o r m m e s s a g ef i l t r a t i o n a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ec o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c ha n dt h ei n n o v a t i o n p o i n t sa r ep o i n t e do u t ，a n de x p e c t a t i o no nf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sa l s o p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cc i t yb u s c a nb u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；s a e j 19 3 9p r o t o c o l s ；e x p e r i m e n ts t u d y ； 图i - i 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 6 图2 - 7 图2 8 图2 - 9 图2 - 1 0 图2 - 1l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 10 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 9 图4 1 0 图4 - 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 一i7 插图清单 “十一五 期间“三纵三横”研发布局4 串联式h e v 动力系统结构示意图6 中国城市公交典型工况图7 c a n 总线系统一般结构9 h e v 网络拓扑结构图1o c a n 的i s o o s l 参考模型的分层结构1 1 c a n 报文的数据帧结构1 2 数据帧标准格式的仲裁域结构1 3 数据帧扩展格式的仲裁域结构13 控制域结构1 4 循环冗余码域1 5 应答域1 6 c a n 报文的远程帧结构1 6 c a n 报文的错误帧结构17 c a n 报文的过载帧结构17 l p c 2 11 9 引脚定义2 9 e a s y a r m 2 10 0 开发板电源电路一3 0 e a s y a r m 2 1 0 0 开发板电源电路二3 0 t j a l 0 5 0 高速收发器应用框图3 1 t j a l0 5 0 高速收发器c a n 接口原理图3 1 l p c 2 1 1 9 中c a n 接口原理图3 2 m c 9 s 12 d g i2 8 b 引脚定义图3 3 m c 9 s 12 e v k 电源系统连接图3 4 p c a 8 2 c 2 5 0 的引脚定义3 5 p c a 8 2 c 2 5 0 的应用框图3 5 c a n 控制器状态图3 8 f u l1 c a n 函数库结构图3 9 a d s 环境下c a n 模板的选择4 0 工程文件结构4 0 在m a ir 1 c 中添加主程序4 1 工具图标按钮4 1 选择e a s y j t a g 硬件仿真4 2 选择l p c 2 1 1 9 微处理器4 2 a x d 调试工具4 3 a r m c a n 初始化流程图4 7 a r m c a n 数据接收流程图4 8 a r m c a n 数据发送流程图4 9 m s c a n l2 模块内部结构4 9 选择c o d e w a r r i o r 4 5 工程模板5 1 选择开发板型号m c 9 s1 2 d g i2 8 b 5 1 选择c 语言编程5 2 选择专家库5 2 图4 1 8 图4 1 9 图4 - 2 0 图4 - 2 1 图4 - 2 2 图4 - 2 3 图4 - 2 4 图4 - 2 5 图4 - 2 6 图4 - 2 7 图5 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 - 1 0 图5 - i1 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 一l5 选择仿真模式5 3 工程建立界面5 3 在c o d e w a r r i o r 中编辑源代码5 4 c o d e w a r r i o r 编译调试按钮5 4 c o d e w a r r i o r 中编译调试的设置5 5 m u l t i li n k 仿真器连接图5 5 时钟生成模块图5 6 m s c a n 初始化流程图6 0 m s c a n 数据发送流程图6 0 m s c a n 数据接收流程图6 1 c a n s t a r t e r ii 开发套件连接图6 4 选择u s b c a n 接口卡6 6 设置设备参数6 6 启动c a n 通道6 6 用c a n o 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 0 0 0 的标准帧6 7 用c a n o 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 4 0 0 的标准帧6 7 用c a n l 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 4 0 0 的标准帧6 7 用c a n l 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 0 0 0 的标准帧6 8 用c a n l 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 8 0 0 的扩展帧6 8 用c a n o 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 8 0 0 的扩展帧6 8 用c a n o 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 9 0 0 的扩展帧6 9 用c a n l 通道发送i d 为o x 0 0 0 0 9 0 0 的扩展帧6 9 f r e e s c a l e 开发板系统连接图7 0 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 实验开发板细节图7 2 f r e e s c a l e 开发板c a n 通信试验7 2 表格清单 表2 1 数据帧长度代码d l c 1 4 表2 - 2c a n 2 0 的标准和扩展格式及j 1 9 3 9 协议所定义的格式1 8 表2 - 3j 19 3 9 协议报文单元的具体格式1 9 表2 - 4c a n 节点网络地址分配表2 2 表2 5c a n 总线报文优先级的定义2 2 表2 6 多能源管理系统报文l 2 3 表2 7 多能源管理系统报文2 2 3 表2 8 多能源管理系统报文3 2 4 表2 - 9 发动机控制模块报文4 2 4 表2 1 0 发电机控制模块报文5 2 5 表2 1 1 驱动电机控制模块报文6 2 5 表2 1 2 电池管理模块报文7 2 6 表2 13l e d 显示模块接收报文8 2 6 表2 1 4l e d 显示模块接收报文9 2 7 表4 1c a n 总线时序寄存器4 3 表4 2r a m 中标识符表格构成4 5 表4 3 独立标准标识符表格4 5 表4 - 4 标准标识符范围表格4 5 表4 5 独立扩展标识符表格4 6 表4 6 扩展标识符范围表格4 6 表4 7m s c a n 的总线定时寄存器c b t r o 5 6 表4 8m s c a n 的总线定时寄存器c b t r l 5 6 表4 9 同步跳跃宽度表5 7 表4 1 0 时间片时钟的预分频配置5 7 表4 1 1 时间段1 持续时间配置5 8 表4 12 时间段2 持续时间配置5 8 表4 1 3m s c a n 标识接收控制寄存器c i d a c 5 8 表4 1 4 过滤器设置表5 9 表4 15 标识接收过滤寄存器表5 9 表4 16a r m c a n 缓冲区配置图6 1 表4 17m s c a n 缓冲区配置图6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金g 曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：畸蚴签字日期：。占年，月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 佥胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金腿王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：许妖掮 签字日期：护g 年7 月j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 戎坼 签字日期： b 占年1 月y f 日 电话： 邮编： 致谢 在硕士研究生学习和科研工作即将结束之际，首先向培育我的导师赵韩教 授和张炳力副教授致以真诚的谢意。正是他们的谆谆教诲和悉心指导，才使我 能够在实践中不断学习新的知识，不断提高自己的实际动手能力和独立科研能 力。老师渊博的学识，一丝不苟的治学态度、敏锐的思维能力和行之有效的科 研方式使我受益非浅，同时，从老师的身上也学到了很多为人处事的方法和道 理。 衷心感谢王启瑞老师对我的关心和帮助，王老师学识渊博，平易近人，他 严谨、求实、勤奋的工作态度更为我树立了良好的人生榜样! 每一个课题进展 难题解决的背后，都有王老师耐心的启迪和无私的指导! 衷心感谢机械与汽车工程学院车辆工程教研室的尹安东老师、孙骏老师、 江昊老师、王希珍老师等在学习和科研上对我的指导和帮助。正是老师们集体 的辛勤和汗水，才让培育我的实验室充满了生机与活力! 衷心感谢我的师兄朱可，感谢张冰战、代康伟、张平平、徐德胜、师东升、 叶先军、胡先锋、祝毅、吴迪等同学在学习和科研上对我的帮助。在一次次的 学术交流中，你们活跃的思维与无穷的智慧给予我莫大的启发和鼓励! 衷心感谢李露、刘伟、徐蓓蓓、熊燕、唐珊珊等好朋友，共同的理想让我 们的研究生生活充满了动力，让我们有明确的奋斗目标和昂扬的斗志! 衷心感谢我亲爱的父母和家人，是你们点亮了我精神的明灯，驱走每一次 的退缩和彷徨，你们永远是我坚实的后盾! 衷心感谢文中所引用文献的作者们，你们辛勤的劳动给后来者巨大的帮助 和启迪! 再次感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们，感谢我热爱 的合肥工业大学! 许铁娟 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 混合动力电动汽车( h y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 采用一定的控制策 略合理利用内燃机动力和电力，从而既能发挥电动汽车低噪音、低排放的优势， 又能保持传统汽车高能量比的特点。在蓄电池技术瓶颈尚未取得重大突破之 前，h e v 是2 1 世纪初期研究的重点，也是最有可能进行批量化生产和应用的车 型。混合动力电动汽车在起步时用电动机驱动，消除了内燃机起步时由于燃烧 不充分而排黑烟的现象；当车辆减速或刹车时，利用发电机把动能转化成电能， 贮存到蓄电池中，实现能量回收达到节能的目的。统计数据表明，混合动力汽 车可节省4 0 的油耗。同时，由于内燃机总是工作在充分燃烧的状态下，直接 减少了碳氢化合物的排放，气体污染物的排放减少了9 0 左右，起到了很好的 环保作用乜3 。 由于混合动力汽车采用内燃机系统和电动机系统两种动力系统并存，若要 实现两种动力源的最佳配合，必须使用实时可靠的通信技术在控制系统间传递 信号和参数，从而能够依据预先制订的控制策略控制动力系统的运行，发挥混 合动力汽车的优势。若使用传统的线束连接方式，完成如此复杂的两种动力配 合的控制，势必会增加系统的复杂性、重量及成本，从而降低了系统可靠性和 整车动力性能。因此，创建智能化的控制节点，组建新型的混合动力汽车通信 网络是十分必要的，当今汽车领域较为先进的c a n 总线系统就可以解决h e v 的 通信问题，而且c a n 总线是唯一取得国际标准的现场总线，以其优越的性能广 泛应用于汽车控制领域，因此我们选择c a n 总线来进行本混合动力汽车通信网 络的研究。c a n 总线应用于混合动力电动汽车上具有以下优点：( 1 ) 减少各功 能模块所需的线束数量和体积；( 2 ) 减少整车质量并降低汽车成本，具有较高 的数据传输可靠性和安装便捷性，扩展了汽车功能；( 3 ) 一些数据如车速、电 机转速和s o c 等能够在总线上共享，因此可去除冗余的传感器，使传感器信号 线减少，控制单元做到高速数据传输；( 4 ) 通过增加节点来扩展功能，如果数 据扩展增加新的信息，只需升级软件即可；( 5 ) 实时监测并纠正由电磁干扰引 起的传输错误，并在检测到故障后存储故障代码1 。 国外众多知名汽车公司早在8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及 应用，现已有多种网络标准，其中c a n 总线和j 1 9 3 9 协议已被广泛应用在汽车 上，一些著名的汽车制造厂商，如奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺、保时捷、 劳斯莱斯和美洲豹等都已采用c a n 总线作为控制器联网的手段。国内在c a n 总 线方面的研究和应用与国外相比还存在明显的差距，体现在两个方面：一是国 内在自主研究和开发汽车电子c a n 网络方面尚处于试验和起步阶段，而且对汽 车总线技术的研发，大都集中在高校和科研单位，尚未形成规模化的技术研发 公司，整体实力有待加强；二是国内不少合资汽车企业虽已采用c a n 总线技术， 但“空心化”问题严重，有些企业即使使用了c a n 总线技术，核心技术也掌握 在外商手中h 1 。 我国“8 6 3 计划关于电动汽车的说明中已经明确提出，新申报的电动汽 车开发项目必须采用c a n 总线通信模式。本课题正是在这一背景下提出，既顺 应世界范围内汽车工业发展的趋势，也代表现阶段我国汽车工业的发展方向。 课题综合研究了汽车网络技术，汽车总线技术，通信协议等具体内容及其在混 合动力电动汽车上的应用，对促进现阶段自主研究和开发电动汽车网络、提高 车辆运行可靠性、实现车辆信息化、简化汽车线束系统、实现车辆运行监测和 故障诊断、减少车辆维护工作量等具有重要的现实意义，并具有广阔的应用前 景。 1 2 混合动力汽车c a n 网络国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况哺。1 在世界各国研究和开发汽车网络的基础上，迄今为止，已形成多种网络标 准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用，s a e 车辆网络委员会将 汽车数据传输网划分为a ，b ，c 三类。随着多媒体技术在汽车中的逐步应用， 近年来车载多媒体网络的研究也得到了很大发展，不少文献中将这类网络称为 d 类。a 类网络是面向传感器与执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常 小于1 0 k b s ，主要用于后视镜调整、电动门窗、灯光照明等控制；b 类网络是 面向独立模块间数据共享的中速网络，数据传输位速率通常在1 0 k b s 到1 2 5 k b s 之间，主要用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统；c 类网络是面向高速、 实时闭环控制的多路传输网络，数据传输位速率通常在1 2 5 k b s 到1 m b s 之间， 主要用于牵引控制、发动机控制、a b s 等系统；d 类网络是面向多媒体信息的 高速传输网络，数据传输位速率通常在2 m b s 以上，主要用于车载视频、音频、 导航系统等。 自b o s c h 公司推出c a n 协议后，各领域的推广应用对其通信格式的标准 化提出了要求。1 9 9 1 年9 月形成c a n 技术规范2 0 版本，该技术规范包括a 和b 两部分：2 0 a 给出c a n 报文标准格式，2 0 b 给出报文的标准和扩展两种 格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换 一高速通信c a n 国际标准i s 0 118 9 8 ，同时c a n 总线在车辆中的应用也日趋 成熟。从1 9 9 2 年开始，首先是奔驰公司在它的高级轿车中使用c a n 总线，其 后沃尔沃、大众和宝马公司也相继开始应用c a n 总线技术，现在欧美各大汽 车制造厂商己经在它们的车辆上大规模使用c a n 总线。c a n 总线主要应用在 b 类和c 类网络中。在b 类网络的应用中，c a n l i n 混合组网是目前的发展 趋势。到目前为止，满足c 类网络要求的只有c a n 协议，所以s a e 的货车客 车控制和通信网络委员会指定将c a n 作为c 类数据交换网应用于客车、货车、 2 农业及建筑车辆，并制定s a ej 1 9 3 9 高层通信协议。 目前，已上市的混合动力轿车基本上由日本公司生产销售，包括日本丰田 公司p r i u s 、本田公司i n s i g h t 、c i v i c 和日产公司t i n o 等。世界各大汽车公司也 开始大力发展混合动力轿车，福特、通用、戴克、大众、雪铁龙、雷诺和宝马 等公司也在同步开展数十款混合动力汽车的开发，并即将推向市场。 美国政府由能源部牵头包括运输部、国防部，组织各大汽车公司和有关研 究部门积极开展混合动力汽车的研究，通用汽车公司投入1 3 8 亿美元，克莱斯 勒投入8 4 8 0 万美元，研究与开发可投产的混合动力汽车。在2 0 0 0 年底特律国 际车展上，通用公司推出了3 1 l 1 0 0 k m 的p r e t e c t 混合动力概念车，福特公司 推出了3 3 l 1 0 0 k m 的p r o d i g y 混合动力概念车。至2 0 0 5 年，都相继推出了商 品化的混合动力车，福特开始批量生产与销售e s c o p e 与m a r i n e r 混合动力汽车， 通用也开始销售4 2 v 的i s g 混合动力皮卡车。 在欧州，大众、雪铁龙、雷诺和宝马等公司也在同步开展数十款混合动力 汽车的开发，并已经开始批量生产或即将推向市场，如法国s p a 集团的b s g 型式弱混合动力雪铁龙c 3 已批量生产。 国外混合动力电动汽车的车辆网络搭建都采用了c a n 总线技术，或者 c a n 与l i n 总线混合组网的技术。 1 2 2 国内发展概况 面对新世纪能源和环保的巨大压力，我国政府也非常重视混合动力电动汽 车的研究和开发，国家科技部在“十五”国家8 6 3 计划中将电动汽车单列为重大 专项，明确提出将研究重点放在电动汽车整车配置设计与通用控制平台、电动 汽车多能源动力总成、电动汽车新型电机与驱动系统、电动汽车动力电池及其 智能管理系统的研制上。经过四年攻关，我国电动汽车研发能力由弱变强，相 继研制了多种不同类型的混合动力技术平台，在这些混合动力技术平台基础上 的整车已完成了性能样车试制，通过了国家标准规定的考核，部分车型进入国 家汽车产品公告程序。并已颁布相关的混合动力汽车整车与零部件的国家标 准，初步形成了混合动力标准体系d 卜，。 在混合动力电动轿车方面，东风汽车公司的e q 7 2 0 0 h e v 、一汽集团的红旗 混合动力轿车、长安汽车i s g 型混合动力轿车、奇瑞汽车b s g 混合动力轿车， 完成了混合动力电动轿车样车的研制和开发工作，性能指标全面达到了预期目 标，整车技术水平国内领先，国际先进。 在混合动力电动客车方面，东风汽车公司的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市客车， 一汽c a 6 1 1 3 s h 8 和c a 6 11 0 s h 8 混合动力城市客车，安凯h f f 6 1 1 0 g z 一3 混合动力 城市客车及深圳五洲龙等厂家的样车，通过了国家性能检测、并上了国家公告。 在国内混合动力样车上，也全部采用c a n 总线技术或者c a n l i n 混合组网 技术，但是整车c a n 网络化设计、网络拓扑结构设计和信息优化设计仍然是技 术难点和关键点。 国家“十一五 8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目于2 0 0 6 年底正式开 始实施。其中提出了建立以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车动力系 统技术平台为“三纵 ；以燃料电池和动力蓄电池技术，电驱动系统技术，以 及共性基础技术为“三横 的电动汽车“三纵三横 的研发布局，如图i - i 所 示1 引。 图卜i “十一五”期间“三纵三横”研发布局 “十一五 期间，国家将大力促进节能与新能源汽车产业政策、法规和相 关标准的研究与制定，完善相关检测评价能力，形成知识产权保护和投融资服 务体系，构建节能与新能源汽车公共服务平台，建立我国节能与新能源汽车产 业联盟：把握交通能源动力系统转型的重大机遇，建立以企业为主体的产学研 结合的自主研发创新体系，实现产业化技术的跨越发展，为我国汽车工业可持 续发展奠定坚实的基础。 随着混合动力电动汽车生产成本的不断降低，制造材料和工艺的进一步改 进和完善，以混合动力为代表的电动汽车将会得到广泛使用，必将成为未来汽 车的主流，成为2 i 世纪的重要交通工具。 1 3 课题来源与主要研究内容 4 圜 圈 圉豳 本文结合我校与福建新龙马汽车股份有限公司合作的“f j 6 8 2 0 混合动力 城市客车开发”科研项目，对基于c a n 总线的混合动力汽车通信网络进行了研 究。 首先，本课题对混合动力电动汽车通信网络的相关技术进行了广泛的调研 工作。然后，在前期理论基础上对网络报文定义、智能节点软硬件设计和节点 通信测试等方面开展了进一步的研究工作。主要研究内容包括以下几个方面： 一、深入分析c a n 总线的底层协议与分层结构，了解c a n 总线的电气特点。 在了解c a n 总线报文传输协议的基础上进一步熟悉s a ej 1 9 3 9 协议的编码定 义规则。完成该型混合动力客车通信网络拓扑结构的搭建，基于s a ej 1 9 3 9 协 议定义整车多能源管理系统、发动机控制模块、发电机控制模块、驱动电机控 制模块、电池管理模块和l e d 显示模块的网络报文格式及内容。 二、创建基于a r m 芯片的智能节点，使用内建c a n 控制器的微处理器。在 a r m 核处理器集成开发工具a d s l 2 集成开发环境( a r md e v e l o p e rs u i t e ) 下 建立工程( p r o j e c t ) ，即搭建一个支持软件调试和硬件仿真，支持c 语言编译 的平台。完成波特率的计算，充分利用系统的f u l l c a n 函数库，使用c 语言编 写节点初始化程序、发送子程序和接收子程序，并实现报文的全局i d 验收过 滤设置。 三、创建基于f r e e s c a l e 芯片的智能节点，采用独立的c a n 总线接口芯片 p c a 8 2 c 5 0 。运用m s c a n 控制器的原理，在h c l 2 ( v 4 5 ) c o d e w a r r i o r 开发环境 下建立工程( p r o j e c t ) ，具体平台与a d s l 2 有所不同，但功能相似。验证c p u 时钟频率，完成波特率的计算，使用c 语言编写节点初始化程序、发送子程序 和接收子程序，并实现报文的全局i d 验收过滤设置。在数据格式、传输速率 和应用范围上对两类不同的节点进行比较。 四、基于c a n s t a r t e r - - i i 开发套件组建两个节点的c a n 总线通信网络，模拟混 合动力电动汽车上的两个节点。通过e a s y j t a g 仿真器在a d s l 2 环境下编译 程序，生成并下载目标代码到开发板上。使用z l g c a n t e s t 软件对网络通信 结果进行监测，包括帧格式，帧类型，传输数据，并检测报文滤波情况。 五、在f r e e s c a l e 单片机m s 9 s 1 2 d g l 2 8 b 开发板上，模拟c a n 0 和c a n 4 两个 接口的通信情况，在h c l 2 ( v 4 5 ) c o d e w a r r i o r 环境下编译程序，由u s b 接口的 m u l t i l i n k 仿真器进行调试，并生成目标代码下载至开发板上。通过 h c l 2 ( v 4 5 ) c o d e w a r r i o r 环境监测各相关寄存器状态，从而判断总线数据的传输 情况。 5 第二章总线协议及网络报文定义的研究 2 1 引言 本课题研究的是串联式混合动力城市客车，此类车型能够很好地适应城市 公交工况，从而实现节能减排。使用c a n 总线能够将车辆上主要的控制单元组建 为一个网络，可靠及时地实现信息共享和指令传输，并根据多能源管理系统内 部的控制程序，依照控制策略的需求实现动力源的合理分配。现在很多已有的 控制单元虽然使用了c a n 总线设计，但是硬件标准不统一，通信协议也不兼容， 使生产成本难以降低，故障维修很不方便。基于s a ej 1 9 3 9 通信协议统一对控制 器的报文进行定义就可以有效避免此类问题的发生，并且可以促进混合动力汽 车行业建立完整划一的通信协议标准。 2 2h e v 控制系统总体研究与设计 2 2 1h e v 总体方案设计 在串联式混合动力电动汽车的动力系统结构中，发动机输出的机械能首先 通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用于给蓄电池充电，另一部分经 由电动机和传动装置驱动车轮，如图2 1 所示。串联式混合动力电动汽车的发 动机只提供车辆运转需要的能量，而并不直接驱动车辆运行6 | 。因此，我们按 照此种方案设计的混合动力车辆具有以下优点： ( 1 ) 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的区域内稳定运 行，因此，发动机具有良好的经济性和较低的排放； ( 2 ) 由于电池管理单元可以进行驱动功率的“调峰”，发动机的功率只需满足 汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机； ( 3 ) 发动机与驱动桥之间无机械连接，因此对发动机的转速无任要求，发动机 的选择范围较大； ( 4 ) 发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大； ( 5 ) 控制简单、可靠。 图2 1 串联式h e v 动力系统结构示意图 6 串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特 点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，在汽车中、高速行驶时，由于 其电传动效率低，反而抵消了发动机油耗低的优点n l ”1 。而城市公交车有其特 殊的工况，如平均车速低，频繁起停等，见图2 - 2 所示。本课题研究的某型城 市客车采用串联式混合动力的结构正好满足了城市公交工况的要求，有效实现 了节能减排。在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用 电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。 图2 2 中国城市公交典型工况图 2 2 2h e v 控制模块组成 本文设计的h e v 整车控制系统包括多能源管理系统、发动机控制模块、发 电机控制模块、驱动电机控制模块、电池管理模块和l e d 显示单元。各个控制 单元通过c a n 网络将所控制系统的状态参数及时发送到c a n 总线上，供其它控 制节点接收和处理。多能源控制系统通过c a n 网络获得系统当前所有的状态信 息，并根据此状态信息产生控制命令，然后通过c a n 总线将控制命令发送到网 络上。发动机控制模块、发电机控制模块和电机控制模块通过c a n 网络接收到 控制命令后，执行控制命令，对发动机系统和电机系统进行控制，从而实现两 种动力的相互配合，同时通过c a n 网络向多能源管理系统发送执行控制命令的 结果。在整个工作过程中，l e d 显示单元只接收总线上发送的相关信息，对需 要显示的信息进行实时显示n9 j 。各部分功能具体介绍如下： 2 2 2 1 多能源管理系统 h e v 的多能源管理系统是整车控制系统的控制中心，对其硬件部