电动汽车动力总成系统控制器局域网（CAN）总线通信协议研究论文电子版下载.doc

电动汽车动力总成系统控制器局域网（CAN）总线通信协议研究论文电子版下载 第44卷第5期xx年5月机械工程学报v o14N o5CHI NESEJ OURNAL0F MECHANICAL ENGINEERI NGMa yxx电动汽车动力总成系统控制器局域(CAN)总线通信协议木李芳张俊智2王丽芳廖承林(1中国科学院电工研究所北京180；2清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京1084)摘要给出制定控制器局域(Co n t r o l l e r r e a n e t wo r k，CAN)总线通信协议应遵循的基本原则。 结合电动汽车的控制结构特点，设计混合动力、纯电动、燃料电池等三种类型电动汽车动力总成系统推荐的网络拓扑结构。 针对目前电动汽车应用层协议的不统一现状，在S AEJ1939的基础上，制定同时适用于三种类型电动汽车动力总成系统的CAN总线通用协议，并与传统内燃机汽车的通信协议兼容。 该通用协议综合考虑了三类电动汽车的拓扑结构以及控制所需参数，并充分利用CAN通信的优势，对电动汽车各节点源地址分配、输出参数以及参数组定义等都做出明确的规定。 在总线波特率为50k bs时，协议的有效性分别在CANo e软件和自主开发的网络在环平台中得到验证，通信性能满足控制的实时性要求。 关键词混合动力燃料电池动力总成系统通信协议应用层T Gl56Cont rl l or Ar ea Net work Pr ot ocolf orPowe t r ai n Sys t em of El ect r i cVehi cl es LI Fa ngZHANG Junz hiWANG Li f a ng LIAO Che ngl i n(1I n s t i u t eo fE l e c t r i c a l E r i n g，C hn Aca dmy o f Sc e c e s，Be ij i n g180；2S t a Ke y Lb r a r y oAu t o mo t i v eS af e t yd Eey,T s i g h u a Un i v e r s i t y,Be ij i n g1084)Ab sr a c tT h e b a s i cp r in c i p l eo fd e s ii gc n t r o l l r a wo r k(CAN)-b up t c l i sg iv e nCo n s i d e r in g t h ec n t ro l c h ra c t e r i s-i cs of ct r i c v h i cl e s，t h r eco mmend e d ne tw r kt op l o gi e s of po w r t rai nsy s t e m a r de s ig ne d s e p ra l y f o t h r e k i n ds ofl ec-t r i c v hi cl e s i n clu di ng h yb id ct r i c v hi cl e，p u l ct ri c ve h i cl e a nd f u c l l ve h i cl eDu ot he di s ag re ment o ndes ig ni n gt he a ppi c t i on l a y e p r ot oco l of c t ri c v hi cl a t p rs en t，a ge ne a l p r ot oc ol i s pr opos e d bas ed o n J1939，whi chC a n be a pl i edo n t he powr ra ins ys t e mo f h y b idc t ri c v e hi cl e，pu re ct ri cv hi cl e a nd fu c l lv ehi cle，et cMe a nwhi le，t he pr ot oc ol ia l s pa t i-bl ewi t h co nve nt i o na lvh i clep o we r tra inCons i de rin ghe t o pol o gi e s and cont ro l pra me so f t hr eeki nds o f ct ri cvhi cles uffi-ci ent ly,a nd t akin gf ul l ad vnt ag eof CAN bu sco mmu ni ca t i on，t he no desso u rce a dd res，o ut put pra met ers a nd pra m t e g r o upsr a l l d f in dce arl y int hegene al pr ot oco1Un dr t he ba u dr a t eof50kbs，thepr t o coisv li d a ed thr o ug h the xp e rime nt s in bot hCA Noe and ha rdwa re inthe-l op pl a t fo r m whic ha sb e i nde pen dent ly de ve l op edT hreult sho wsha ttheco mmu ni cat i onp efo rmnc ulf il lshre al-t im re qui re mes fo r c ontro1Ke ywo rds Hybidct ricvh icle Fu cl lv ehiclePow rrainsys t emCo mmu nca t i o n pr ot oco lAp pl ct i on l a y e r0前言随着世界能源危机和环境污染日益严重，我国政府将电动汽车列入国家863计划，各单位重点开发燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车三种国家高技术研究发展计划(863计划，205AA1920)资助项目。 270516收到初稿，207219收到修改稿电动汽车的整车技术，电动汽车动力总成系统的总线及通信协议研究是其中的关键技术之一，它能有效保证动力总成系统的可靠实时控制。 控制器局域网(C ntro l le r an et wo r k，CAN)总线I l J是目前在汽车上应用最广泛的通信协议。 为了实施总线协议的标准化工作，针对内燃机汽车，美国电气工程师协会(S AE)基于CAN总线制定了适用于载货车和大客车的J1939协议l jJ，并得到了广泛的应用，其他处于推广阶段的协议有I S 1192、I SO208年5月李芳等电动汽车动力总成系统控制器局域网(CAN)总线通信协议103519和J284等。 由于内燃机汽车和电动汽车控制结构f4】的差异，在传统内燃机车上成功应用的总线协议并不能照搬到电动汽车上。 国内电动汽车的研究还处于起步阶段，虽然863承担单位和汽车厂商已经开发出了一些混合动力车，并得到了部分应用f5】，但是动力总成CAN总线应用层协议的制定并不统一。 制定出针对电动汽车动力总成系统的通用网络协议规范，对于提高我国汽车行业的自主知识产权，形成统一的协议标准，促进电动汽车的产业化发展具有非常重大和实用的意义。 本文按照制定通信协议的基本原则，在设计三类电动汽车动力总成系统网络拓扑结构后，基于J1939制定了适用于电动汽车的通用应用层协议，并通过试验测试了该协议的可行性。 1制定通信协议的基本原则CAN协议【6】的制定一般包括物理层、数据链路层和应用层三个方面。 CAN协议I SO1981对数据链路层做了完整的定义，并且不可更改，因此CAN通信协议的制定主要包括物理层和应用层协议两个方面。 11物理层目前CAN物理层】设计已经比较规范化，可参考相应的国际标准，这些标准一般会对物理层规范做出明确的定义，包含总线供电电压、可连设备数目、允许的连接器类型、线缆长度以及波特率等，比如J1939的部分物理层规范考虑到总线上的电气负担，总线上连接的电子控制单元(El ectro nic c o ntro luni t。 E CU)数目最多为30个；传输介质采用特征阻抗为120Q的屏蔽双绞线，终端电阻使用120Q网络的拓扑结构应该是一个尽量紧凑的线形结构以避免电缆反射等。 12应用层应用层完成标识符分配、多报文数据包的传输、报文的发送和接收等功能，由于和实际的应用有很大的关联性，CAN协议没有对应用层做出明确的规定，而国际标准(如J 139、D vice Net等)大多也只适用于特定的应用场合。 本文电动汽车动力总成系统的应用层协议遵循J1939规范，充分考虑三类电动汽车的控制结构特点，设计电动汽车推荐网络拓扑结构，给每个节点都分配固定的标识地址同时在综合考虑各节点数据传输的实时性要求、数据的相对重要程度、控制算法对节点处理速度的要求等因素后，完成标识符(I dentif ie r,I D)分配、定义消息周期以及确定信号与消息的映射关系等。 J1939协议与C AN协议的29位I D的对应关系如图1所示。 I D222222l1l1l l1l CAN98765432l08765432l076543210保数Jl939P留据PF PSSA位页图1J1939协议与CAN协议的29位I D的对应关系制定应用层协议的基本的规则如下。 (1)节点源地址(ou rceadres，S A)。 网络中的一个设备对应有唯一的一个S A，在选择节点地址时按照节点的重要性来排序，重要性越强的节点地址越小。 如果J1939已有定义，则尽量使用J1939已定义的地址；具有多个功能的ECU，可以使用多个地址，也可以重复定义新的地址，新地址定义使用208231这段属于公路用车的预留地址。 (2)优先级(P ri o ri t y，P)。 优先级共有8级，最高级0和最低级7，报文优先级可以设置，所有从控制源发出的报文缺省优先级为3，所有信息的、专用的、请求和应答报文的缺省优先级为6，根据报文的实时性要求可适当修改优先级；电动汽车的新增加报文中，产品序列信息将使用最低优先级7。 (3)参数组定义及编码。 对各E CU节点的参数组定义时，尽量将相同功能的参数，相同或相近刷新率的参数以及属于同一个子系统内的参数放在同一个参数组中，这样可以减少报文的数量，降低总线负载；新的参数组既要充分利用8个字节的数据宽度，尽量将相关的参数放在同一组内，又要考虑扩展性，预留一部分字节或位，以便将来进行修改。 参数组编码(P amt eg rop nu mbe r，P GN)的确定按照参数组的重要程度来分配，P GN号由协议数据单元格式(P r t c o ldt auni forma t，P F)和协议数据单元特定域(P r tco ldat aunit sp ecif ic，P S)两个因素来共同决定，按照传输方式(广播或者一对一传输)的不同可以分配不同的P GN号。 2电动汽车动力总成系统网络拓扑结构电动汽车结构复杂，和内燃机车比较增加了电力驱动模块、电池模块等辅助设备，根据控制功能的实现以及实时通信需求划分出各个功能模块，图2给出了混合动力汽车动力总成控制系统推荐的CAN总线网络拓扑结构。 机械工程学报第44卷第5期图2混合动力汽车动力总成系统推荐的网络拓扑结构燃料电池汽车推荐的CAN网络拓扑结构包含整车控制器、燃料电池发动机控制器、DCDC控制器、制动防抱死系统(An tiloc b r ak ey st em。 ABS)控制器、电动机控制器、蓄电池管理系统、超级电容和驾驶员显示器；纯电动汽车则为整车控制器、ABS控制器、蓄电池管理系统、电动机控制器和驾驶员显示器。 特别说明的是推荐网络拓扑结构并不是标准配置，而是涵盖了最常用的功能模块，根据不同的应用场合，节点数目可以相应增加或减少，比如有的控制结构中可能需要两个电动机控制器，而有的可能则不包括比如ABS控制器、超级电容等。 3电动汽车动力总成控制系统网络总线通信协议结合三类电动汽车的特点，遵照通信协议制定的基本原则，制定适用于电动汽车特点的通用应用层协议，该协议对电动汽车E CU的源地址分配、E CU输出参数以及参数组定义等都作了明确的规定，最大程度地考虑电动汽车中控制所需参数，充分利用C AN通信的优势。 本协议兼容标准格式和扩展格式的报文帧，其中标准格式报文帧的I)与扩展格式报文帧的P GN一一对应，下面重点分析扩展格式报文帧的通信协议制定。 31节点源地址定义表1是电动汽车中可能用到的E CU节点名称和分配的地址(十进制)，其中发动机控制器、变速器控制器等节点为原S AEJ1939已做定义并分配了地址的节点，而整车控制器、燃料电池发动机等为新定义节点，新地址分配使用208231这段属于公路用车的预留地址，电动机控制器j!j1j Ij 4、蓄电池管理系统j!j1j Ij4使用J1939为电动机控制节点和蓄电池控制节点所预留的地址，并将电动机控制器j!j4的地址作为启动机发电机一体化(I nt eg r a ed start erand gn erator,I SG)节点的源地址。 表1电动汽车节点源地址分配表整车控制器燃料电池发动机AMT控制器超级电容DCDC群l DC，DC群2氢气供应系统电动助力转向系统电动机控制器#l电动机控制器#2电动机控制器#3I SG控制器蓄电池管理系统#l蓄电池管理系统#2蓄电池管理系统#3蓄电池管理系统槲注AMTAu to matedme c h ic ltran mis i o n，自动抉档变速器。 32各ECU输出参数定义根据电动汽车所要实现的控制功能，定义各个节点的输出参数表，参数表包含了节点所有需要处理或发送到总线上的信号，并指定信号的目的地址、刷新率、信号类型以及信号的数据长度、数据范围和分辨率等。 表2给出了整车控制器节点的部分参数信息。 在制定协议时，各节点都需遵循该参数规定。 表2整车控制器节点的输出信号表撇抛一瑚粥208年5月李芳等电动汽车动力总成系统控制器局域N(CAN)总线通信协议10533ECU参数组的定义除使用J1939已定义的12个参数组(主要为发动机、变速器和制动控制等节点发送)，本协议新定义45个参数组。 为保证扩展方便，参数组的P DU从P F值为241开始，即全部采用P DU2格式(广播传输，P S分配方案除保证电动车辆参数组定义的当前需求外，还保证协议未来发展的需要。 按照电动汽车新增节点整车控制器、发动机、变速器、ABS、燃料电池发动机、动力蓄电池管理、电动机、I SG、DCDC、超级电容、CAN仪表和行车记录仪等的顺序依次分配P S(从0开始)。 同时，以100ms为刷新率界限，将每个参数组又分为两部分，刷新率小于10h is的P S值比较小，刷新率大于10ms的P S值比较大。 鉴于整车控制器需要定义的P DU比较多，相应的P S分配空间比较多。 参数组中的各数据字节都定义为8个字节，并统一将最后一个字节保留，用于用户自行定义内容或者统一用于传输诊断信息。 限于篇幅，表3只列出了整车控制器节点的参数组信息。 整车控制器节点的参数组用于实现动力总成系统中各控制单元的协调控制和管理，如通过参数组VCU1，整车控制器节点向发动机控制器节点发送速度和转矩控制命令。 除整车控制器节点外，其他控制器节点的参数组，主要用于传送对整车控制器节点的反馈信息，如电动机状态参数组MC1中定义了电动机上电断电请求、电动机工作状态、电动机运行模式、电动机实际转矩、电动机实际转速等信息。 根据各控制器节点的反馈信息和当前状态，整车控制器节点协调能量的合理流向，达到动力总成系统的最优控制。 表3整车控制器节点参数组信息表整车控制器lVCU1整车控制器状态车辆运行模式发动机启动控制整车控制器控制设备源地址目标节气门开度发动机目标转矩百分比发动机目标转速未定义4通信协议的分析与应用为了验证协议的可行性，在Ve ctor公司的CANo e和自主开发的网络在环平台9-10上分别实施所制定的动力总成系统通信协议，进行CAN总线通信试验。 试验中使用三类电动汽车动力总成系统推荐的网络拓扑结构，由于动力总成系统对实时性的要求较高，总线波特率设定为50k bs。 在建立节点数据库，完成拓扑结构定义后，用CA Noe仿真，通过Bu sS at ist ics窗口、T ra ce窗口和Gr a p hics窗13观测总线上消息的实时传输情况。 网络在环平台是课题组自主开发的基于CAN总线的通信平台【n(图3)。 各节点采用16位微处理器+CA N通信接口的硬件结构；上位P C机的配置与监控软件可通过10BAS E以太网自由配置各节点的参数组。 在网络在环平台上挂接监测工具CANa ly zer实时监测总线运行情况。 图3网络在环平台实物图234他0机械工程学报第44卷第5期以混合动力汽车为例，图 4、5分别是CANo e仿真和网络在环试验中总线负载率及吞吐量的截图。 图4CANo e仿真试验总线负载率和吞吐量l l l Iei2I B“0tj263一Peakad268一S t矗0ata fr E0一SH Datat乱al0一E zt Data frE944一E=tDta ct aZ3746106一Sa e0te frs0一std曩0te Ctal j0一Ezt暑0te!rE0一E t，曼i蚤0ttn8j0一Err嚣frr me!sj0一E0a0e5taIj0一h0；t|tective羔0t ve图5网络在环平台试验总线负载率和吞吐量由于10ms消息对实时性要求较高，观测并记录所有10ms消息的周期波动情况。 图 6、7分别为两种试验下某10ms消息电动机转速转矩控制#(El ec mtortorq ueasp edc ntrol1，ET SC1)的周期波动曲线。 星富避1O61041OO989601o oxx0040o500600测试时间珧图6CANo e仿真试验中消息ET SC1的周期波动10们1O i三1O骤10窿9。 林9-I tl I-_?ft?”II HtItlI日f?I?-?-?l lllJ?liI10xx0060O测试时间图7网络在环平台试验中消息E TSC1的周期波动从试验结果可以看出，三类电动汽车动力总成控制系统在推荐网络拓扑结构下，均可按照协议完成正常传输，各消息满足实时性要求，从而验证了协议的有效性和正确性。 5结论 (1)给出制定CAN总线协议的基本原则，分别设计纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三类电动汽车动力总成系统推荐的网络拓扑结构。 针对目前电动汽车应用层协议的不统一现状，制定电动汽车动力总成系统C AN总线通用协议，该协议基于J139，同时适用于纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三类电动汽车，是国家十五“863”计划电动汽车重大专项中的“电动汽车网络、通讯、协议研究”课题的研究成果，在电动汽车重大专项内部推荐使用。 (2)遵照通信协议制定的基本原则，综合考虑三类电动汽车推荐的网络拓扑结构和控制所需参数，同时充分利用C AN通信的优势，制定适用于电动汽车特点的通用应用层协议，该协议明确规定出电动汽车各个E CU的源地址分配、ECU输出参数以及参数组等一系列重要参数，并兼容标准格式和扩展格式的报文帧。 (3)在总线波特率为50k bs时，分别在C ANoe和自主开发的网络在环平台上对制定出的通用协议进行测试试验，观测并记录总线负载率、总线吞吐量，以及对实时性要求较高的所有10ms消息的周期波动情况，可以得出结论协议传输正确可行，可以满足实时性要求，可进一步的应用于实车，并推动我国电动汽车通信协议的标准化工作。 (4)电动汽车动力总成系统C AN总线协议还有需要进一步充实和扩展的地方，比如在增加故障诊断功能时协议的修订问题。 另外，随着智能化的不断提升，电动汽车在多总线的复杂拓扑结构下，总线协议的可扩展性和兼容性等问题。 参考文献【1】阳宪惠现场总线技术及其应用【M】北京清华大学出版社，199YANG Xian hu iFi e ldbu ste ch nolo gy and its app li cati onMBe ij in gTs in gh ua Univers it yP res，19【2】F ARSI M，RA TCLIFK，BAR BOSA MAn er vi ew ofc ntrollean et wor kJCo mputer&Co trolEn gin eringJ our n al，19，3 (10)l3120208年5月李芳等电动汽车动力总成系统控制器局域网(C AN)总线通信协议l07【3】MARKUS JI noductit Jl39version l、OE BOL、(45-02)【209-l7】h tt pllv cor-groupn etportalm diencmcappl i ca tion notesAN-I ON-1-3100一I n-tro duct iontoJ1939pdf【4】E MADIA，RAJ ASHE KAR AK，WI LLI AMSON STo pol ogica lo vr view ofh ybi dle ctricandfulcllve-hic ulpo werystemarchitect ures ndcon fig urations【JI EEE Tr nsactioson Vehic ular Techn lo gy,205，54 (3)76370【5】肖飞舟，顾力强，颜伟超混合动力汽车通信网络研究【J1客车技术与应用，206，8 (2)2629XI AOFe iz hou，GU Liqi ang，YAN Wei ch