基于CAN总线和差分驱动技术实现电动车综合网络结构的设计

1.概述

由于环境保护与能源危机问题，以及传统汽车消耗大量石油，造成我国每年需要进口石油一亿吨以上，开发电动汽车技术是我国重要的发展战略，国家在“十五”计划中，成立了“863电动汽车重大专项”项目，本论文就是在此背景下开展了纯电动车整车综合控制技术研究。

纯电动汽车系统包括电池及其管理系统、电机及其控制系统、充电机的信号监控、信号检测与控制系统等，电动车还要求与车辆调度系统通讯，实时将车辆的位置、剩余电量等数据传送到调度中心，甚至还要求将电动车的各种工作数据传送到调度中心，调度中心通过这些数据就可以了解当前汽车的状态，为车队的调度以及故障维修提供原始数据，可见，整车系统还必须提供与调度系统的通讯接口。由于电动车本身的复杂性，电动车的维修与诊断也非常困难，因此必须有在线的故障诊断与状态监视窗口，研制车载信息显示是必要的，这就要求电动车综合控制系统带LCD系统以及按键输入，实现人机接口功能。

采用网络方案是解决电动车复杂系统的关键，现代电子技术的发展也为电动车综合网络系统的实现提供了条件，强大的微处理器往往带有各种功能的接口，包括通用的异步串行口UART，高速通讯的CAN总线等，采用差分驱动技术，可以提高这些总线在电动车上的抗干扰性能，使得这些总线在电动车上的使用成为可能。电动车不但电气系统逻辑复杂，而且电气环境也非常恶劣，最高电压高达500多伏，而且由于电动机的斩波控制，引起系统的高频干扰常常使车载电器系统工作失灵，因此，要求整车控制系统有很高的可靠性。

电池管理系统是整车综合信息系统的一部分，是解决电动车充电安全性、使用经济性、增加电动车续驶里程的基础。该系统的关键技术是如何解决电池组整体电压高达380伏以上，而单节电池电压只有3.0伏以下的矛盾，还有一个关键问题是如何降低系统的硬件成本，提高系统的可靠性，由于电池数量多达300多块，如何降低单节电池的检测成本非常关键。本项目通过高速开关技术、高精度A/D技术、光电隔离技术、瞬态干扰抑制技术、高集成度单片机技术、数字化温度传感器技术、以及高可靠性电源技术等的综合应用，实现了高速高精度地对每节电池的端电压检测、电池组温度检测，并可以控制电池组的风扇，防止电池出现高温。

整车网络的划分主要考虑电动车的功能与产业化等要求，从图1可以看到，一些关系到整车安全的部件，都直接由整车控制器来管理，属于第二层，对于大量数据通讯，而且要求实时性非常高的部分，也在第二层完成;对于实时性要求不高的则放置再第三层，如人机接口部分、调度接口部分、调试接口等;对于数量大，实时性不高的电池管理系统，则通过廉价的RS485总线实现，从而有利于电动车的产业化。

系统在车上的布置如图2所示。该车是为北京科技奥运准备的11米低地板公交车，采用锂离子电池供电，电池按箱存放在车底，共计分装在10箱中，在每个电池箱上安装有电池管理模块，该模块的功能是检测每块电池的端电压与电池的温度，同时对电池温度进行控制，电池箱中间通过RS485总线连接到整车控制器上。全部检测模块583与后部检测模块583、以及电机控制器以及CAN扩展模块都接在CAN总线模块上，该总线同时连接到整车控制器上，受整车控制器的统一控制;整车的人机接口通过RS232总线连接，该接口实现整车的信息显示，属于网络的第三层，与调度系统的通讯通过CAN总线扩展实现。

3.电动车综合控制器组成

整车控制器是电动车的核心，负责整车的信号采集与控制，是通讯的中心，属于三层网络的第二层，担负着与电池管理系统的通讯与控制、电机系统的通讯与控制、以及人机接口等。本项目采用Motorola公司的DSP作为控制器的CPU，该CPU的程序存储器全部在芯片内部，CAN2.0B总线集成在芯片内部，芯片还有12位的高精度A/D转换器。秉承 Motorla公司MCU高可靠性的特点，该CPU特别适合于电动车这样高干扰的场合应用。

如图3所示，本系统包括12路开关量输入，该系统通过光电隔离进入CPU的端口，开关量包括制动开关、前进开关、空调开关、大闸开关等;8路模拟量输入，包括油门开度;制动深度、前部悬挂气压、后部悬挂气压、低压电器的电源电压等;8路脉冲量输入主要用来采集车轮输出的脉冲信号，从而得到整车的行驶速度与行驶里程;继电器控制输出用于控制高压短路器是否工作，如果检测到高压安全故障，自动切断高压电，从而保证系统的安全与乘员的安全。

通讯是整车控制器的重要功能，从图3可以看出，整车控制器通过CAN总线、RS232总线与RS485三种通讯方式，为了提高系统的可靠性，所有的通讯口都加装了安全保护电路，满足电动车恶劣的电气环境。

4.结论

电动车的综合网络结构，简化路电动车的硬件电路，使得电动车这个非常复杂的系统，通过不同的模块分别实现功能，模块之间再通过总线连接在一起，在整车控制器的协调下工作，使得电动车各个系统成为一个有机的整体，一方面实现了电动车的各种功能，保证了电动车的安全性，为电动车商业化营运打下技术基础，另一方面，由于采用网络化技术，大大加快电动车的开发进度，将电动车系统功能模块化，将相对独立的系统交给其它专业单位开发，这对保证电动车的开发进度与性能的可靠性具有非常重要的意义。目前，安装有本系统的电动车已经有30多台，并且正在北京的公交线路上试营运。

电动车电气系统的开发往往是由多个单位协调同步协调进行，其中关键是各个单位必须遵循共同的通讯协议，在整个通讯系统中，整车控制器是核心，负责对各个零部件的管理，因此，通讯协议是否科学，决定了最终系统的性能。

2.电动车综合网络结构

本项目采用图1所示的三层综合网络系统结构，成功地实现了整个电动车的综合控制，将电动车的各个部分组成为一个完整的有机整体。图1中的三层根据网络通讯层面进行划分，最底层是局部管理系统，如电池管理系统，电池内部采集与控制系统、电机内部采集与控制系统等，这部分的总线方式灵活多样，本项目中，由于电池数量非常大，采用廉价但可靠性高的RS485总线是为了降低成本，便于大批量产业应用;中间层是整车信息管理系统，包括与各个部件的通讯接口，如电机控制器接口、整车前部采集控制站点接口、整车后部采集控制站点的接口，还包括整车信号的直接采集，中间层的通讯速率与可靠性要求非常高，因此采用CAN总线接口方式;最上层是人机接口与通讯扩展接口，这部分实现电动车状态显示，帮助驾驶员实时了解电动车的状态，同时监视电动车的故障，如当前的电池状态、电机状态、整车状态等，如果发生故障，可以实时显示故障信息，通过大屏幕彩色液晶显示与操作按钮，方便了驾驶员对电动车的使用。同时，上层网络还是综合通讯的接口，包括与地面充电站的通讯，及时报告当前电池状态，防止发生过充电的危险;上层通讯还包括与调度系统的通讯，及时向交通系统汇报当前电动车的状态，接收综合调度系统的指令;上层通讯系统还是电动车调试与研究的通讯接口，通过该接口，可以接入PC机，通过PC机记录各种电动车数据，如记录电动车运行工况、电动车电池实用过程中的历史数据等，为了便于PC机接入整车综合信息系统，本项目还开发了CAN总线与USB总线的接口，可以用PC的USB接口直接与CAN总线接口。

本系统还实现了电动车整车网络布线。整车的各种控制信号不是直接通过电缆连接到被控设备上，而是首先将该信号送到电动车前部采集控制站点中，由前部采集站点采集该信号，然后在本地输出或通过CAN总线发送到网络上，由后部采集控制站点或其它站点输出。通过这种方式控制，由以下优点：⑴整车控制器可以实现对全部的车上信息进行监视，实现整车的综合故障诊断;⑵简化了整车的布线，电动车的前部与后部只有CAN总线相连，提高了电动车的可靠性，简化了生产工艺;⑶便于电动车的维修。该系统的核心技术是如何保证通讯的可靠性，从而防止系统发生误操作。本项目通过自定义的CAN总线通讯协议、闭环的通讯检验方式，保证了通讯可靠性;在防止系统误操作与死机等故障方面，应用故障保护与意外处理等软件与硬件技术可以使系统即使在发生故障的情况下，可以在0.1秒的时间内恢复正常，在硬件发生致命故障时，保证系统处于安全模式。

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