纯电动轿车CAN总线系统开发

摘 要：依据ISO11898―1标准，基于原传统轿车总线通讯网络平台，开发了纯电动轿车控制器局域网（CAN）总线通讯系统。结合整车动力总成系统的开发目标，设计了纯电动轿车整车CAN总线通讯网络拓扑结构、应用层协议、需求规范、测试规范等，采用仿真分析与实物测试相结合的方法对所开发的CAN总线通讯系统进行了试验验证。结果表明：设计的CAN网络通讯性能满足相关设计规范的要求，保证了整车通讯网络的安全性与可靠性；开发流程与方法适用于基于传统车型的纯电动轿车CAN总线系统的开发。

关键词：纯电动轿车；CAN总线；拓扑

中图分类号：U469.72+2文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.010

Development of CAN System in Electric Vehicles

Wang Huan，Du Quanhui，Yin Huajun，Shan Rongming

(EV Research & Development Center，China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 400039，China)

Abstract：A new controller area network （CAN） bus system in electric vehicles was developed based on the original CAN bus system in a conventional gasoline vehicle according to ISO11898―1. The CAN network topology, application layer protocols, requirements specification and test specification were designed based on the target requirement of electric vehicle power train system. The function and performance of the new CAN system was tested and verified by simulation and an actual test. The test results show that the designed CAN network meets the requirements of design specification and guarantees the safety and reliability of the communication in electric vehicles and that the method and procedure proposed in this paper are applicable for the CAN bus system development.

Key words：electric vehicle；CAN bus；topology

CAN（Controller Area Network）是控制器局域网的简称。针对CAN总线技术，国际标准委员会已经推出了ISO 11898―1/2/3/4/5相关标准，其中，ISO 11898―1标准对CAN总线的物理层和数据链路层进行了详细描述和定义[1]。

CAN总线各节点采用串行总线方式实现通讯，节点物理层采用专用的集成电路块，将诸如数据的CRC校验、出错初步处理、接收滤波等功能都在集成电路中完成[2]。CAN总线数据链路层规定了通讯数据的内容格式，CAN2.0A定义了11位ID标准格式，CAN2.0B新增定义29位ID扩展格式[3]。目前，基于ISO 11898对CAN总线物理层和数据链路层的规定，针对不同应用领域，已形成部分应用层通讯协议，包括商用车应用层协议SAEJ1939[4]，针对航空应用领域的CANAerospace以及CANopen、DeviceNet等；就轿车而言，目前没有形成公开标准的应用层协议标准，开发者需针对不同的应用对象，开发制定满足各自应用需求的CAN总线应用层通讯协议。

1 整车CAN网络系统开发

本文基于原车CAN网络系统的解析，设计了纯电动轿车CAN总线网络拓扑结构、应用层通讯协议和相关开发规范。

1.1 SX4原车CAN总线网络解析

SX4车型为手动挡配置，原车共包括1个CAN网段[5]，其拓扑结构（图1）共包括4个CAN节点：发动机控制单元ECU、车身管理单元BCU、制动防抱死控制系统ABS、仪表显示单元ICU。

采用CANoe总线仿真测试分析工具得到原车CAN网段采用11位ID标准帧、通讯速率为500 kbps，原车网络各节点报文如图2所示。

YY5纯电动轿车取消了发动机及其ECU。整车控制器作为原车CAN网络与纯电动车动力总成CAN网络之间的网关代替发送ECU相关信号以保证去掉ECU后原车网络其它节点的正常工作。因此，必须对ECU节点接收和发送的关键信息进行专门解析，解析结果见表2。

1.2 整车CAN网络系统设计

1.2.1 拓扑结构设计

本文开发设计的纯电动轿车整车CAN网络共包括3个网段，分别为CAN1、CAN2、CAN3。整车网络拓扑结构如图3所示。

CAN1网段由原车去掉ECU后剩余节点构成；CAN2网段由纯电动轿车动力总成关键部件构成，主要包括整车控制器EVCU、电池管理系统BMS、电机控制器IPU、多媒体显示系统ICM；CAN3网段用于充电过程中电池管理系统BMS、充电机控制系统CCS以及ICM的信息交互。

1.2.2 应用层通讯协议设计

为保证与原车网络的兼容性，设计纯电动轿车整车CAN网络通讯速率为500 kbps，数据链路层采用11位ID格式标准帧，帧结构如图4所示[3]。

本文重点设计了动力总成系统CAN2网段的应用层通讯协议，定义了网络报文数目、报文ID、报文长度、报文发送类型、发送周期以及信号内容等，各节点发送报文及其周期见表3。各报文发送的信号内容主要分为3类：控制信号、状态信号以及故障诊断信息，其中故障诊断信息报文主要参考ISO 15765―3[6]。

1.2.3 规范制定

结合ISO 11898以及汽车行业相关标准，本文针对节点及系统制定了开发需求规范和测试规范，内容包括物理层、数据链路层、交互层、网络错误处理以及网络管理[7-8]。

2 仿真分析与实物测试

2.1 仿真分析结果

为验证所设计的整车CAN网络的可靠性和实时性，重点针对3个网段的网络负载以及节点报文周期抖动的最大延迟时间进行了仿真测试，测试结果见表4。

从表4可知，CAN2网络最高总线负载率为12.3%，总线负载率均满足YY5纯电动轿车CAN网络开发需求规范[7]。

以整车动力总成系统CAN2网段为例，仿真测试得到各节点报文传输的最大延迟时间见表5。仿真过程中，针对事件型报文，为测试其周期抖动的最大延迟时间，假设该报文以10 ms周期发送。

从表5可知，各报文的最大延迟时间均不超过报文周期的10%，满足需求规范的要求[7]。

仿真结果表明，本文设计的CAN总线系统满足需求规范与测试规范要求，可依据该拓扑结构和通讯协议实施各节点通讯模块的开发。

2.2 实物测试分析

为验证各实物节点构成网络后的通讯性能，本文依据测试规范，采用CANoe对各实物节点及整车CAN网络系统进行了测试分析。

2.2.1 物理层测试

物理层测试主要包括总线输出电压、上升/下降沿时间测试[8]。

以CAN2网段中电池管理系统BMS节点为例，监测得到该节点发送的显性位和隐性位的电压波形分别如图4和图5所示。

分析电压波形测试结果，得到节点物理层测试结果见表6。

测试结果表明，该节点CAN输出电压满足测试规范要求，物理层电路设计满足需求规范要求[7]。

2.2.2 单个节点实时性测试

以整车动力总成系统CAN2网段为例，测试得到各单个实物节点发送周期型报文的最大延迟时间见表7。

测试结果表明，该网段内各节点单独发送周期型报文的最大延迟时间不超过1%，满足需求规范对报文发送周期抖动延迟时间的要求[7]。

2.3 仿真与实物测试结果对比分析

对比表5与表7分析发现，单个节点发送报文的周期延迟时间小于所有节点构成网络时的仿真测试结果，原因在于，仿真整个网络实时性时，消息的发送周期依赖于同一仿真工具CANoe，并且各节点消息间存在冲突竞争，因此，消息的延迟时间较大，但最大延迟时间满足网络测试规范要求，为该网络的可靠性设计提供了理论依据；而对于单个实物节点，报文周期只取决于各节点软件结构及通讯模块硬件电路，发送报文不存在竞争，报文发送延迟时间较小。测试结果证明，各节点通讯模块设计符合需求规范要求，为实物节点构成的CAN网络的实时性和可靠性奠定了基础。

3 结论

本文针对基于传统汽油轿车研发的YY5纯电动轿车，设计开发了整车CAN总线网络通讯系统，采用CAN总线仿真分析与测试工具CANoe对所设计的CAN网络进行了仿真测试，对实物节点的CAN通讯性能进行了实物测试验证，仿真与实物测试结果表明，按照本文设计的需求规范和应用层通讯协议开发的CAN总线节点及其构成的网络系统满足相关标准与测试规范要求，能够保证整车通讯网络的安全性与可靠性；本文制定的开发流程适用于基于传统车型的纯电动轿车CAN网络系统的开发。

参考文献(References):

ISO 11898―1. Part1: Data Link Layer and Physical Signalling [S]. 2003.

邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.

Wu Kuanming. CAN Bus Principles and Applications System Design[M]. Beijing：Beihang University Press，1996. (in Chinese)

GMBH R B. BOSCH CAN Specification 2.0[Z]. Postfach 30 02 40 D-7000 Stuttgart 30，1991.

ISO15765―3. Road Vehicle-diagnostics on Controller Area Network(CAN) Part 3:Implementation of Unified Diagnostic Services(UDS on CAN)[S]. 2004.

天语SX42009维修手册第一卷[Z].重庆长安铃木汽车有限公司，2009.

The First Volume of Service Manual for Tianyu SX4[Z].Chongqing Chang ＇an Suzuki Motor Co.，Ltd，2009. (in Chinese)

SAE J1939-71. Vehicle Application Layer[Z]. SAE International，2003.

徐小娟．YY5纯电动轿车CAN网络需求规范[Z]．北京经纬恒润科技有限公司，2010.

Xu Xiaojuan. The CAN Network Requirement Specification for YY5 Electrical Vehicle[Z].HiRain Technologies，2010. (in Chinese)

徐小娟．YY5纯电动轿车CAN网络测试规范[Z]. 北京经纬恒润科技有限公司，2010.

Xu Xiaojuan. The CAN Network Test Specification for YY5 Electrical Vehicle[Z].HiRain Technologies，2010. (in Chinese)