CN102069762A - 一种电动/混合动力汽车的can网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动/混合动力汽车的CAN网络系统，包括CAN总线结构，电动/混合动力汽车的多个电控单元ECU，其中CAN总线结构采用CAN总线型拓扑结构，采用一条高速CAN连接起所述多个电控单元ECU，形成高速CAN通讯网络，且所述多个电控单元ECU通过CAN总线实现数据信息共享，减少了线束的数量和控制器接口的引脚数目，减少线束，降低成本。实现分布(集成)网络式控制系统，保证了通讯的可靠性和实时性，与此同时可以更简单、迅速地实现在线编程、在线诊断，甚至多个控制器共同作用等新功能，提高车辆功能扩展性和控制可靠性，降低开发成本和缩减开发周期，也降低了汽车的故障率。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子自动化车载网络通讯领域，具体涉及一种电动/混合动力汽车的CAN网络系统。
背景技术
当今世界，全球变暖等环境问题日益凸显，石油短缺更引发国际能源大战，汽车节能减排的呼声越来越强烈。各国相关法规对汽车的排放、能耗方面的要求日趋严格。特别是欧洲和日本，对二氧化碳排放量和汽车燃油消耗都制定出了相当高的标准，新车必须符合这些排放标准和油耗标准方能上市。在这种大背景下，开发新一代电动汽车和混合动力汽车成为时代潮流，各大汽车企业争相发展先进电动汽车及混合动力汽车技术，电动汽车成为未来汽车发展的主流方向。
德国Bosch公司为了解决现代车辆中众多的控制信号和数据交换问题，开发出CAN(Controller Area Network)现场总线通讯协议。CAN总线硬件连接简单，有良好的可靠性、实时性和性能价格比，能够满足现代自动化通讯的需要，已成为工业数据总线通讯领域中的主流。其主要特点是：1、CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，能满足实时性要求；2、CAN总线为多主站总线，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，不分主从，通信灵活；3、CAN总线上每帧有效字节数最多为8个，并有CRC及其它校验措施，数据出错率极低，万一某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它操作不受影响；4、CAN总线只有两根导线，系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上即可，系统扩充容易，改型灵活；5、CAN总线传输速度快，在传输距离小于40m时，最大传输速率可达1Mb/s。正是由于CAN总线具有这些其它通信方式无法比拟的优点，使之成为电动汽车控制系统的理想总线。
但是，电动及混合动力汽车相对常规汽车来说结构更为复杂，整车上分布许多电子控制单元(ECU)，例如VMS(整车控制器)、BMS(电池管理系统)、MCU(电机控制系统)、BBS(电池均衡器)等等，这还不包括常规汽车上的其它控制单元，如BCM(车身控制器)、ICM(仪表)、ABS(防抱死控制系统)、CLM空调等等，需要实时传输和共享的数据很多，而且集成如此多的ECU及其附带的通信设备必然会使整车电路繁琐复杂，线束多，重量大，成本高。为了减少通信设备及线束、插件等，减少成本和简化线路，提高电动汽车通讯的实时性、可靠性和应急处理能力，必须采用能够满足高速多路的复用通信系统，以共享方式传送多种控制信息，而现有技术明显无法达到上述技术效果。
发明内容
电动汽车运行过程中对能源的管理十分严格，效率是衡量电动汽车系统性能的重要指标。电动汽车电子控制系统的动态信息必须具有实时性，各子系统需要将车辆的公共数据实时共享，且不同控制单元的控制周期不同，数据转换速度、各控制命令优先级也不同，因此需要一种具有优先权竞争模式的数据交换网络，整车通讯系统必须具有很强的容错能力和快速处理能力。良好的通讯系统是实现电动汽车可靠运行的关键。CAN总线结构是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。基于此，本发明的目的在于提供一种电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其采用总线型拓扑结构，合理分配了电动汽车及混合动力汽车各控制器节点的连接结构，通过CAN总线实现各种数据的信息共享，从而实现整车的各种控制功能，并且增加了整个系统的安全性和稳定性。
具体技术方案如下：
一种电动/混合动力汽车的CAN网络系统，包括CAN总线结构，电动/混合动力汽车的多个电控单元ECU，其中CAN总线结构采用CAN总线型拓扑结构，采用一条高速CAN连接起所述多个电控单元ECU，形成高速CAN通讯网络，且所述多个电控单元ECU通过CAN总线实现数据信息共享。
进一步地，所述多个电控单元ECU包括整车控制器VMS，和/或电池管理系统BMS，和/或电池均衡系统BBS，和/或电机控制系统MCU，和/或充电器CM，和/或组合仪表ICM，和/或车身控制器BCM，和/或防抱死控制系统ABS和/或空调CLM。
进一步地，所述汽车为纯电动汽车EV，其电控单元ECU包括整车控制器VMS，电池管理系统BMS，电池均衡系统BBS，电机控制系统MCU，充电器CM和组合仪表ICM。
进一步地，其它电控单元ECU还包括变速器TCU，诊断结构空调CLM和防抱死控制系统ABS。
进一步地，
所述VMS为整车控制枢纽，用于对整车各控制器及车辆行驶状态进行监测和控制；
所述BMS、BBS为电动汽车的电池管理系统，用于监测电池组的运行参数、和/或预测电池的荷电状态SOC、和/或根据电池状态控制电池充放电、和/或保持电池系统处于合适工作的温度范围、和/或与整车多能源总成控制系统进行实时通讯、和/或保障电池组安全、和/或保障电池各单体充放电的一致性；
所述MCU为驱动电机控制器，用于监测驱动电机的工作状态，和/或控制电机运转动作；
所述CM为汽车与充电站或普通家用220V电的接口。
进一步地，所述汽车为串联式插电式混合动力汽车PHEV，其电控单元ECU包括整车控制器VMS，电池管理系统BMS，电池均衡系统BBS，电机控制系统MCU，充电器CM，组合仪表ICM和增程器控制系统GCU。
进一步地，所述增程器控制系统GCU用于控制发电机组向电池包进行充电而增加续航里程。
进一步地，所述汽车为并联式混合动力汽车HEV，其电控单元ECU包括整车控制器VMS，电池管理系统BMS，电池均衡系统BBS，电机控制系统MCU，充电器CM，组合仪表ICM和动力管理系统HCU，以及一个高压动力电池包。
进一步地，还包括一个一体式电机ISG，所述高压动力电池包和一体式电机ISG用于在不同车况下进行动力输出。
进一步地，高速CAN速率为500kbit/s。
与目前现有技术相比，本发明采用了CAN总线技术，将电动车及混合动力车的各个电子控制单元，如VMS(整车控制器)、BMS(电池管理系统)、BBS(电池均衡系统)、MCU(电机控制系统)、CM(充电器)以及ICM(组合仪表)、CLM空调等常规汽车上的电子控制单元集成起来放在一条高速CAN上，实现所有节点之间的数据共享，优化了各控制模块之间通讯成本和通讯实效性的问题，使电动汽车和混合动力汽车性能更稳定，功能扩展更方便，智能化程度更高。
减少了线束的数量和控制器接口的引脚数目，降低成本。实现分布(集成)网络式控制系统，保证了通讯的可靠性和实时性，与此同时可以更简单、迅速地实现在线编程、在线诊断，甚至多个控制器共同作用等新功能，提高车辆功能扩展性和控制可靠性，降低开发成本和缩减开发周期，也降低了汽车的故障率。
附图说明
图1为EV系统架构示意图
图2为PHEV系统架构示意图
图3为HEV系统架构示意图
图4为PHEV网络拓扑图
图5为HEV网络拓扑图
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
电动/混合动力汽车凭借几个独立的功能模块，实现其功能，下面分别阐述电动/混合动力汽车功能实现及网络架构：
电动汽车，英文简称EV(Electronic Vehicle)。EV作为纯电动汽车，它以高压电池包作为动力来源，带动电机驱动汽车行驶，其主要控制单元包括VMS(整车控制器)、BMS(电池管理系统)、BBS(电池均衡系统)、MCU(电机控制系统)、CM(充电器)以及ICM(组合仪表)、CLM空调等常规汽车上的控制器。其中VMS是整车的控制枢纽，对整车各控制器及车辆行驶状态进行监测和控制，保障车辆安全正常行驶。BMS、BBS是电动汽车的电池管理系统，是整车能源供应的保障，其作用主要有：1、精确地监测电池组的各项运行参数；2、预测电池的荷电状态SOC；3、根据电池状态控制电池的充放电，并保持电池系统处于最佳工作温度范围；4、与整车多能源总成控制系统进行实时可靠的通讯；5、保障电池组安全；6、保障电池各单体充放电的一致性。MCU是电动汽车的驱动电机控制器，监测驱动电机的工作状态，控制电机运转动作，保障电机驱动整车正常行驶。CM作为汽车与充电站或普通家用220V电的接口，目前有普通充电器和快速充电器两种类型，实现电动汽车常规和快速充电需求。普通充电器可以接家用220V电源进行充电，快速充电器要到专门的充电站进行充电。EV系统架构可参考图1(图中标有CAN标识的工字形网络为CAN总线结构，其余线路含义参照注释，图2，3同)。
混合动力汽车，分为串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车。其中PHEV(Plug-inHybrid Electronic Vehicle)——插电式混合动力汽车属于串联式，是在EV的基础上增加一个增程器，以解决纯电动汽车行驶里程短不能及时充电的问题。此混合动力汽车只能由电机进行驱动，燃油发动机仅仅用于发电并给高压电池充电。当电量不足时发动机启动发电，给高压电池包充电，电池包输送电力给电机，以驱动整车行驶，最终保障汽车有足够的续航能力到达充电地点进行下一次充电。
PHEV系统架构可参考图2。PHEV与EV相比增加了增程器控制系统(GCU)，此系统控制发电机组向电池包进行充电而增加续航里程。
并联式混合动力汽车，HEV(Hybrid Electronic Vehicle)，可以单独使用发动机做动力源，也可以同时使用发动机和电动机做动力源来驱动汽车。目前主流的是油电混合动力，根据电所占的比例可分ISG(中强混)和BSG(低混)。HEV凭借高效的启发一体式电机和高电压的动力电池包，实现汽车的低排放和燃油经济性。混合动力汽车相比常规汽车，增加一套动力管理系统——HCU(Hybrid Control Unit)，以及一个高压动力电池包。
在整车怠速、起步和中低速行驶时，发动机停机，依靠高压动力电池使电机驱动整车行驶；常规速度行驶时，发动机启动，依靠发动机的动力驱动汽车，同时多余部分动力用于给电池充电；大负载和急加速时，电机启动，配合发动机工作，使发动机处于最佳工况工作，给汽车提供足够的动力；制动时，动能回收给电池充电，减少能量损失；电池电量不足时，发动机自动启动，驱动汽车行驶并给电池充电。动力电池和启发一体式电机(ISG)的引入，有效降低了排放，提高了汽车的经济性。HEV系统架构可参考图3。
EV/PHEV拓扑结构中主要包括VMS、MCU、BMS、BBS、CM、GCU，以及ICM(仪表)、ABS、CLM空调等。所有网络节点由一条高速CAN组成通讯网络。高速CAN速率为500kbit/s。网络拓扑图如图4，其中EV没有GCU节点。
部分CAN消息含义说明：
VMS_1：VMS发送给仪表，显示档位、系统故障、电池电量、续航里程等信息；
VMS_2：VMS发送给MCU，进行扭矩和转速请求，以及电机状态请求等；
VMS_3：VMS发送给BMS，反馈电池电量及电池状态，以及校验；
VMS_4：VMS发送给空调，报告发电机工作状态及发出空调使能信号；
MCU_1：MCU发送给VMS和仪表，报告电机最大可输出扭矩、转速，以及实际转速等信息；
MCU_2：MCU发送给VMS，报告直流母线电压、电流，以及电机故障等信息；
BMS_1～BMS_6：BMS发送给VMS，报告电池包各项参数；
BMS_7：BMS发送给BBS，实现单体监测；
BMS_8：BMS发送给CM，BMS的充电请求信息；
BBS_1、CM_1分别实现BBS、CM对BMS的请求的反馈；
其他为常规节点所发的消息，不再赘述。
HEV拓扑结构中主要包括EMS、HCU、BMS、BCM、ICM、ABS等。由于HEV动力电池没有EV动力电池容量大，主要靠发动机充电，因此，目前奇瑞HEV车型没有设置外部充电接口。所有网络节点由一条高速CAN组成通讯网络。高速CAN速率为500kbit/s。网络拓扑图如图5。
部分CAN消息说明：
EMS_1：EMS发送给HCU，报告发动机最大和最小扭矩；
EMS_2：EMS发送给HCU和ICM，报告发动机水温、电控故障、瞬时油耗、怠速参考速度等；
EMS_3：EMS发送给HCU、ICM和DVD，报告点火开关档位、节气门位置、怠速指示、加速踏板机械位置及故障、发动机扭矩相关指示、车速水温等传感器失效、MIL等信号等；
EMS_4：EMS发送给HCU，驾驶员扭矩请求、摩擦扭矩、基准扭矩、实际扭矩等；
EMS_5：预留的发动机汽缸数、空气感应类型、燃油类型等信号；
HCU_1：HCU发给EMS，对发动机各种状态进行请求；
HCU_2：HCU发给EMS，对发动机各种状态进行请求；
HCU_3：HCU发给仪表和DVD，对混合动力系统的各种工作状态进行显示；
HCU_4：HCU发给BMS，反馈电池所需要的各种整车状态；
HCU_5：HCU发给BMS，反馈系统时间；
BMS_1：BMS发送给HCU，最大充电电流和最大放电电流；
BMS_2：BMS发送给HCU，最大电池电压、最小电池电压、电池电量和健康指数、校验等；
BMS_3：BMS发送给HCU，电池电压电流、直流母线电压、平均电池温度、校验等；
BMS_4：BMS发送给HCU，电池最高电压、最低电压、最高温度、最低温度等；
BMS_5：BMS发送给HCU，电池准备状态、报警指示、正负极连接状态、预充状态、充电状态等；
BMS_6、BMS_7：BMS发送给HCU，各种报警信号和状态信号；
其他为常规节点所发的消息，不再赘述。
目前，现场总线在自动化领域中快速发展，CAN总线作为一种很有影响的现场总线，采用了许多新的技术和设计，使CAN总线成为最有发展前途的现场总线之一。CAN总线以其高实时性、高可靠性和高灵活性，在工业自动化控制中得到了越来越多的应用。本方案应用CAN总线传输速率高、可靠性高的特点，对电动汽车以及混合动力汽车内复杂的通讯系统提出解决方案，不但解决了电动汽车以及混合动力汽车通讯对实时性的要求，而且可靠性和稳定性都得到了提高。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，包括CAN总线结构，电动/混合动力汽车的多个电控单元ECU，其中CAN总线结构采用CAN总线型拓扑结构，采用一条高速CAN连接起所述多个电控单元ECU，形成高速CAN通讯网络，且所述多个电控单元ECU通过CAN总线实现数据信息共享。
2.如权利要求1所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，所述多个电控单元ECU包括整车控制器VMS，和/或电池管理系统BMS，和/或电池均衡系统BBS，和/或电机控制系统MCU，和/或充电器CM，和/或组合仪表ICM，和/或车身控制器BCM，和/或防抱死控制系统ABS和/或空调CLM。
3.如权利要求1或2所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，所述汽车为纯电动汽车EV，其电控单元ECU包括整车控制器VMS，电池管理系统BMS，电池均衡系统BBS，电机控制系统MCU，充电器CM和组合仪表ICM。
4.如权利要求1所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，其他电控单元ECU还包括变速器TCU，诊断结构空调CLM和防抱死控制系统ABS。
5.如权利要求2-4中任一项所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，
所述VMS为整车控制枢纽，用于对整车各控制器及车辆行驶状态进行监测和控制；
所述BMS、BBS为电动汽车的电池管理系统，用于监测电池组的运行参数、和/或预测电池的荷电状态SOC、和/或根据电池状态控制电池充放电、和/或保持电池系统处于合适工作的温度范围、和/或与整车多能源总成控制系统进行实时通讯、和/或保障电池组安全、和/或保障电池各单体充放电的一致性；
所述MCU为驱动电机控制器，用于监测驱动电机的工作状态，和/或控制电机运转动作；
所述CM为汽车与充电站或普通家用220V电的接口。
6.如权利要求1-5中任一项所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，所述汽车为串联式插电式混合动力汽车PHEV，其电控单元ECU包括整车控制器VMS，电池管理系统BMS，电池均衡系统BBS，电机控制系统MCU，充电器CM，组合仪表ICM和增程器控制系统GCU。
7.如权利要求6所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，所述增程器控制系统GCU用于控制发电机组向电池包进行充电而增加续航里程。
8.如权利要求1-7中任一项所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，所述汽车为并联式混合动力汽车HEV，其电控单元ECU包括整车控制器VMS，电池管理系统BMS，电池均衡系统BBS，电机控制系统MCU，充电器CM，组合仪表ICM和动力管理系统HCU，以及一个高压动力电池包。
9.如权利要求8所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，还包括一个一体式电机ISG，所述高压动力电池包和一体式电机ISG用于在不同车况下进行动力输出。
10.如权利要求1-9中任一项所述的电动/混合动力汽车的CAN网络系统，其特征在于，高速CAN速率为500kbit/s。
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