CN106828139A - 基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构 - Google Patents

Abstract

一种基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构，包括电驱动系统网段、底盘系统网段、充电系统网段以及车身电子系统网段，其技术要点是：所述电驱动系统网段与充电系统网段之间通过电池管理系统BMS相连；底盘系统网段与电驱动系统网段之间通过整车控制器VMS相连；底盘系统网段与车身电子系统网段之间通过网关GW相连。从根本上解决了使用单一CAN/LIN网络导致的线束冗长复杂、故障率高且难排除、开发周期长、通用性低等问题，其具有结构简单、使用方便、维护成本低、系统可靠性高等优点。

Description

基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构

技术领域

本发明涉及汽车制造领域，具体说是一种基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构。

背景技术

随着汽车工业的快速发展以及消费者对汽车功能需求的不断提高，汽车上使用了大量的车载电子控制单元和传感器/执行器单元，以实现各种各样的新功能，如车载娱乐、驾驶辅助、车联网等。另一方面，对于纯电动汽车，由于将传统的燃油发动机动力系统换成了由高压电池、电动机等组成的电驱动动力系统，引入了大量与动力和安全检测相关控制器单元，增加了整个车载网络的复杂性和不确定性。所以如何将纯电动汽车的动力系统与功能丰富的车身电子系统进行融合，同时满足整个系统的稳定性及研发、生产的经济性、灵活性要求，成为车载网络通信系统设计的关键。目前许多整车厂以CAN/LIN总线为主要通信方式，并通过若干网段将全车的控制器联系在一起，对于一些相对简单的电气系统而言，此方法可以高效稳定的实现相关功能。但是，随着车载控制器数量的增加，网络系统的复杂化，使用这样单一的网络结构会使车内线束变得冗长、复杂，增加了线束的成本及车辆的重量，并且加大了故障率和排除故障的难度。此外，根据某款车型的配置不同，每个配置所需的控制器节点的数量和布置位置也不完全相同，需要针对每个配置逐个进行设计，甚至涉及到两个电气平台。如此一来就要在开发前期将所有配置所用到的线束全都提前开发出来做预留，线束的空间及车身过孔也必须提前布置好，如涉及不同的电气平台，还需分别开发整套线束和布置方案。这样造成了线束和通信开发的版本繁多，开发周期长，工作量大且有重复性，零部件的通用性也不高，若将来需要再增加或删减功能，会因线束的空间及控制器软件的兼容性而受到限制。

近年来，随着无线传感器网络技术的发展，ZigBee技术已广泛应用到了工业自动化、智能控制等领域。ZigBee是基于IEEE 802.15.4物理层协议的一种短距离无线通信技术，相比Wifi和蓝牙，它具有低功耗、低成本、低复杂性、高实时性以及抗干扰性强等特点。此外，ZigBee可实现自组网、多跳传输和网络自愈等机制，特别适用于网络节点位置分散可变、数量不定的车载电气控制系统中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构，为从根本上解决了使用单一CAN/LIN网络导致的线束冗长复杂、故障率高且难排除、开发周期长、通用性低等问题，其具有结构简单、使用方便、维护成本低、系统可靠性高等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构包括电驱动系统网段、底盘系统网段、充电系统网段以及车身电子系统网段，其技术要点是：所述电驱动系统网段与充电系统网段之间通过电池管理系统BMS相连；底盘系统网段与电驱动系统网段之间通过整车控制器VMS相连；底盘系统网段与车身电子系统网段之间通过网关GW相连；

驱动系统网段包括车载充电机ACDC、DCDC变换器、整车控制器VMS、电动机控制器MCU和电池管理系统BMS，网段内的控制器节点通过500kbps的高速CAN1总线进行通信；

电底盘系统网段包括电子换挡模块GS、防抱死制动系统ABS、电子助力转向系统EPS和安全气囊控制器Airbag ECU，网段内的控制器节点通过另一条500kbps的高速CAN2总线进行通信；

充电系统网段内各控制器节点通过一条250kbps的低速CAN3总线进行通信，在电池管理系统BMS和直流充电机DC Charger上设置终端电阻RW；

车身电子系统网段包括空调系统节点群、车身控制节点群和信息娱乐及驾驶辅助节点群，网段内各控制器节点通过最高速率为250kbps的ZigBee无线网络进行通信；

网段内所有控制器节点均设有ZigBee无线收发模块；空调系统节点群包括空调控制器CCU、压缩机COMP和PTC加热器，用以实现乘客舱及电池的加热和制冷功能；车身控制节点群包括车身控制器BCM、组合仪表IPC、无钥匙进入及一键启动系统PEPS、防盗基站IMMOStation、电子方向盘锁模块ESCL、门控模块DCM、方向盘模块SCM、胎压控制器TPMS、雨晴传感器RLS、全景天窗控制器PRG和棚顶遮阳帘控制器PRR；信息娱乐及驾驶辅助节点群包括车联网模块T-Box、中控多媒体模块MMU和环视摄像头控制器AVM。

本发明的有益效果：将有线CAN总线与无线ZigBee网络相结合，实现了一种基于CAN/ZigBee异构网络拓扑的纯基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构。高速CAN总线保证了电驱动系统和底盘系统数据通信的稳定性、可靠性和实时性；ZigBee无线网络不仅满足了车身电子系统的通信需求，还避免了有限空间内布线困难的问题，降低了线束的成本。

整车网络将多路CAN总线与ZigBee无线网络组合，高速CAN总线保证了电驱动系统和底盘系统数据通信的稳定性、可靠性和实时性。对于车身电子系统，由于通信内容大多是状态信号、开关信号和短长度的数据，使用ZigBee无线网络不仅可满足通信需求，还可改善在控制器节点数量众多且布置分散的车载电气系统中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构，包括电驱动系统网段、底盘系统网段、充电系统网段以及车身电子系统网段。其中，电驱动系统网段与充电系统网段之间通过电池管理系统BMS相连；底盘系统网段与电驱动系统网段之间通过整车控制器VMS相连；底盘系统网段与车身电子系统网段之间通过网关GW相连。

电驱动系统网段：驱动系统网段内的控制器节点通过500kbps的高速CAN1总线进行通信，其主要包括车载充电机ACDC、DCDC变换器、整车控制器VMS、电动机控制器MCU和电池管理系统BMS，以实现纯电动汽车的交流充电和动力的控制与输出。为抑制总线两端的信号反射，在网关GW和整车控制器VMS上设置终端电阻RW。在本中，车载充电机将当前充电状态如充电电流、电压等信号通过报文ACDC_Status以50ms的周期发送到总线上，其报文ID为0x；电池管理系统通过ID为0x的报文BMS_Status以10ms的周期向总线上发送电池包的工作状态，如实际电量、电池温度、电池故障以及与充电相关的信号等；整车控制器通过ID为0x和0x的报文VMS_Control和VMS_Status分别以10ms和100ms的周期将对电动机的扭矩控制、整车的行车状态等信息发送到总线上。

底盘系统网段：电底盘系统网段内的控制器节点通过另一条500kbps的高速CAN2总线进行通信，其主要包括电子换挡模块GS、防抱死制动系统ABS、电子助力转向系统EPS和安全气囊控制器Airbag ECU，以实现电动汽车档位切换，保证行车稳定性与安全性。为抑制总线两端的信号反射，在整车控制器VMS和电机控制器MCU上设置终端电阻RW。在本中，电子换挡模块通过ID为0x的报文GS_Gearshift以50ms的周期向总线发送当前档位信息，整车成控制器、组合仪表和无钥匙进入及一键启动等用此信息执行各自的功能；ABS防抱死制动系统通过ID为0x的报文ABS_1以20ms的周期向总线发送ABS的工作状态以及车速信号等；安全气囊控制器通过ID为0x的报文ABAG_Status以200ms的周期向总线上发送气囊状态、碰撞状态等信号，其中，当碰撞发生时，该报文将以20ms的快速周期发送五次，以保障碰撞信息的实时性。

充电系统网段：充电系统网段内各控制器节点通过一条250kbps的低速CAN3总线进行通信，为抑制总线两端的信号反射，在电池管理系统BMS和直流充电机DC Charger上设置终端电阻RW。

车身电子网段：车身电子系统网段内各控制器节点通过最高速率为250kbps的ZigBee无线网络进行通信。该网段内的所有控制器节点均设有ZigBee无线收发模块，并按功能和配置被划分为三个节点群，即空调系统节点群、车身控制节点群和信息娱乐及驾驶辅助节点群。空调系统节点群包括空调控制器CCU、压缩机COMP和PTC加热器，用以实现乘客舱及电池的加热和制冷功能；车身控制节点群包括车身控制器BCM、组合仪表IPC、无钥匙进入及一键启动系统PEPS、防盗基站IMMO Station、电子方向盘锁模块ESCL、门控模块DCM、方向盘模块SCM、胎压控制器TPMS、雨晴传感器RLS、全景天窗控制器PRG和棚顶遮阳帘控制器PRR，用以实现车身控制和防盗相关的功能；信息娱乐及驾驶辅助节点群包括车联网模块T-Box、中控多媒体模块MMU和环视摄像头控制器AVM，用以实现车载娱乐、车辆状态远端查询及倒车辅助等功能。

网关节点GW上同时设置了CAN收发器和ZigBee无线收发模块，作为有线网络与无线网络中间的协议转换器和数据交换的枢纽，网关将来自CAN1网络中的报文的重新打包，通过ZigBee无线网络发送给车身电子网段中的各个节点群。与此同时，网关还是整个ZigBee网络的协调器根节点，负责管理整个网络的状态，是整个无线网络组网的发起者，网关的短地址设为0x。

在车身电子网段中，整个ZigBee无线网络采用树型拓扑进行组网。可按功能或不同的配置将控制器节点划分为不同的子树， 在增减某些配置或控制器时，可直接控制某一子树的父节点加入或退出网络，由此增加了整个网络的灵活性和通用性。

当车身电子网段中的控制器节点进行首次组网时，网关首先通过信标请求报文在扫描期限内确认自己是否已加入到了其它网络成为子节点，若没有组网，则可作为一个网络的协调器组建自己的ZigBee网络。网关通过能量扫描和主动扫描的方式，向网络中广播信标帧，并根据收回的信标帧选择一个最好的、相对安静的信道，然后为该网络选择PANIDPersonal Area Networks ID，此ID在所使用的信道中必须是唯一的。上述步骤完成后，网关便成功的初始化一个新的ZigBee网路，等待其它节点加入。

新网络建立成功后，CCU、BCM和T-box将试图加入网络，成为网关的子节点。他们首先会进行主动扫描查找周围网络中的协调器，通过检测到的信标帧获取协调器的相关网络信息。在向网关发出入网请求后，网关会根据自己的网络资源情况或预设的邻居表来判断是否允许其它节点加入自己的网络，若可以，网关会为CCU、BCM和T-Box分配一个十六位的短地址，并保存在各自的Flash中，以后无论如何开关机都会保持不变，于此同时，当前的网络拓扑也会保存在网关中。至此，一段网络便成功组建，控制器节点可以进行数据通信。用相同的方法，CCU、BCM和T-Box在各自的控制器节点群中以树型拓扑完成其余所有节点的自组网任务，这里不再赘述。

在完成所有控制器节点的组网后，每个控制器节点既可以向某一目标控制器单独发送命令和状态，也可以向整个网络广播自己的状态或数据请求。每一条报文的发送和接收都基于多跳传输，“自动大灯开启功能”，雨晴传感器RLS将数据发给组合仪表IPC，然后再转发给车身控制器BCM，经BCM逻辑判断后驱动大灯点亮或熄灭。车身上每一个控制器都可以通过直接或间接转发的形式与另一个控制器进行数据交换，避免因复杂的线束网络造成的开发成本提高、通用性差等缺点。采用树型拓扑，数据交换逐层进行，降低了网络中每条信道的负载率。

在ZigBee网络通信过程中，针对因某个控制器节点故障而导致的数据中断或节点掉线，车身电子网段具有网络自愈机制。当网络中某个节点通信中断，其子节点会根据所储存的邻居表中父节点的信息，重新申请加入网络，若加入失败若干次后，子节点会作为新的节点重新搜索通信范围内的信标帧，执行组网并临时作为其它节点的子节点进行通信，这样避免了因某一控制器的故障而造成的网络瘫痪。当故障控制器节点恢复正常或被跟换后，会按照预先定义的网络拓扑重新组网，使系统恢复正常。

一些节点将作为高配车型特有的控制器布置在车上，如TPMS、RLS、PRR、PRG、PEPS、IMMO Station、ESCL和AVM。当由低配车型升级到高配车型时，仅需要将增加的控制器安装在相应位置上，新增的控制器节点便可利用自组网机制根据开发时所定义的拓扑结构加入网络实现通信，避免了传统有线网络控制器软件开发的重复性，减少了线束开发的成本，增加整个系统的灵活性和通用性。

车身电子网段中的各个节点群及节点群内部，通过树型网络拓扑进行组网；网关作为协调器，也是整个树型网络的根节点，实现向其各子节点发送组网命令以及对下属各节点群的数据交换，同时也是整车有线CAN网段与无线ZigBee网段的协议转换器和数据交换的枢纽；网关有三个子节点：CCU、BCM和T-Box，也分别是空调系统节点群、车身控制节点群和信息娱乐及驾驶辅助节点群的父节点，实现管理其所在节点群中各节点的网络状态以及数据交换；对于网络中其他中继节点，其所实现的功能与各节点群的父节点类似，区别在于所管理的网络层级不同，在此不进行赘述。

各控制器节点可根据开发时所定义的物理地址实现自组网、数据多跳传输以及网络自愈功能；自组网即各控制器节点可根据其通信范围内所扫描到的信标帧包含组网请求主动或被动的加入网络，成为某一控制器的子节点；多跳传输即两个距离较远的控制器节点，为保证通信数据的可靠性，发送方可通过中间若干临近节点进行逐跳转发至接收方，也可用于数据的针对性传输；网络自愈即当某一控制器发生故障而无法通信时，其子节点控制器可重新扫描通信范围内的信标帧，加入新网络参与通信，避免了某个子网络因父节点的故障而瘫痪。

胎压传感器TPMS、雨晴传感器RLS、无钥匙进入及一键启动系统PEPS、全景天窗相关控制器PRR、PRG和环视摄像头控制器AVM，被定义为高配车型控制器，根据不同配置将上述控制器布置在车身上时，控制器将自动根据开发时所定义的父节点地址加入网络参与通信。文中仅以上述高配车型控制器为例，但不仅限与此，对于未来扩展的控制器，也可使用相同的方法加入网络。

Claims (1)

1.一种基于CAN和ZigBee异构网络拓扑的纯电动汽车电气系统架构，包括电驱动系统网段、底盘系统网段、充电系统网段以及车身电子系统网段，其特征在于：所述电驱动系统网段与充电系统网段之间通过电池管理系统BMS相连；底盘系统网段与电驱动系统网段之间通过整车控制器VMS相连；底盘系统网段与车身电子系统网段之间通过网关GW相连；

驱动系统网段包括车载充电机ACDC、DCDC变换器、整车控制器VMS、电动机控制器MCU和电池管理系统BMS，网段内的控制器节点通过500kbps的高速CAN1总线进行通信；

电底盘系统网段包括电子换挡模块GS、防抱死制动系统ABS、电子助力转向系统EPS和安全气囊控制器Airbag ECU，网段内的控制器节点通过另一条500kbps的高速CAN2总线进行通信；

充电系统网段内各控制器节点通过一条250kbps的低速CAN3总线进行通信，在电池管理系统BMS和直流充电机DC Charger上设置终端电阻RW；

车身电子系统网段包括空调系统节点群、车身控制节点群和信息娱乐及驾驶辅助节点群，网段内各控制器节点通过最高速率为250kbps的ZigBee无线网络进行通信；

网段内所有控制器节点均设有ZigBee无线收发模块；空调系统节点群包括空调控制器CCU、压缩机COMP和PTC加热器，用以实现乘客舱及电池的加热和制冷功能；车身控制节点群包括车身控制器BCM、组合仪表IPC、无钥匙进入及一键启动系统PEPS、防盗基站IMMOStation、电子方向盘锁模块ESCL、门控模块DCM、方向盘模块SCM、胎压控制器TPMS、雨晴传感器RLS、全景天窗控制器PRG和棚顶遮阳帘控制器PRR；信息娱乐及驾驶辅助节点群包括车联网模块T-Box、中控多媒体模块MMU和环视摄像头控制器AVM。