1、第44卷第5期2008年5月机械工程学报 V0144 No5CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING May 2008电动汽车动力总成系统控制器局域网(CAN)， 总线通信协议木李芳1。张俊智2王丽芳1廖承林1(1中国科学院Eg-r研究所北京100080：2清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京 100084)摘要：给出制定控制器局域(Controllerareanetwork，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
2、不统一现状，在SAE J1939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500 kbs时，协议的有效性分别在CANoe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中图分类号：TG 156Controllor Area Network Protocol for Powertrain S
3、ystemof Electric Vehicles。LI Fan91 ZHANG Junzhi2 WANG Lifangl LIAO Chenglinl(1Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 1 00080；2State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 1 00084)Abstract：The basic principle of designing controller
4、 area network(CAN)-bus protocol is givenConsidering the control characteristics of electric vehicles，the recommended network topologies of power train system are designed separately for three kinds of elec-tric vehicles including hybrid electric vehicle，pure electric vehicle and fuel cell vehicleDue
5、 to the disagreement on designing theapplication layer protocol of electric vehicles at present，a general protocol is proposed based on J1939，which Can be applied on thepower train system of hybnd electric vehicle，pure electric vehicle and fuel cell vehicle，etcMeanwhile，the protocol is also compatib
6、le with conventional vehicle power trainConsidering the topologies and control parameters ofthree kinds of eleclric vehicles suffi-ciently,and taking full advantage of CAN bus communication，the nodessource address，output parameters and parameter groupsare all defined clearly in the general protoc01U
7、nder the baud rate of 500 kbs，the protocol is validated through the experiments inboth CANoe and hardware-inthe-loop platform which has been independently developedThe result shows that the communic ationperformance fulfills the realtime requirements for contr01Key words：Hybrid electric vehicle Fuel
8、 cell vehicle Power train system Communication protocol Application layer0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，2005AA01920)资助项目20070516收到初稿，20071219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1网(Controller area network,CAN)总线
9、I-2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(SHE)基于CAN总线制定了适用于载货车和大客车的J1939协议3】，并得到了广泛的应用，其他处于推广阶段的协议有ISO 11992、ISO万方数据2008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 10311519和J2284等。由于内燃机汽车和电动汽车控制结构【4】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15】，但是动力总成
10、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协议睁7】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IS0118981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
11、物理层【8J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(Electroniccontrol unit。ECU)数目最多为30个；传输介质采用特征阻抗为120 Q的屏蔽双绞线，终端电阻使用120 Q；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
12、国际标准(如J1939、DeviceNet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(Identifier，m)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CAN协议的29位ID的对应关系如图1所示。ID2 2 2 2 2 老 2 2 1 l l 1 1 1 l l 1 lCAN 9 8 7 6 5 4 3 2 l 08
13、 7 6 5 4 l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0保 强J1939 P 留 榴 PF PS SA位 贝图1 J1939协议与CAN协议的29位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(Source address，SA)。网络中的一个设备对应有唯一的一个SA，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20823l这段属于公路用车的预留地址。(2)优先级(Priority，P)。优先级共有8级，最高级0和最
14、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ECU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(Parameter group number，PGN)的确定按照参
15、数组的重要程度来分配，PGN号由协议数据单元格式(Protocol data unit format，PF)和协议数据单元特定域(Protocol data unit specific，PS)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PGN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。 万方数据机械工程学报 第44卷第5期lkbs或I I I II(SA：239)I南肉陶网丽网
16、摩嘲瞬嘲图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、制动防拖死系统(Anti10ck brake system,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
17、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ECU的源地址分配、ECU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CAN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D与扩展格式报文帧的PGN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l是电动汽车中可能用到的ECU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SAE J1939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
18、，新地址分配使用208“-,231这段属于公路用车的预留地址，电动机控制器撑1私、蓄电池管理系统撑1槲使用J1939为电动机控制节点和蓄电池控制节点所预留的地址，并将电动机控制器槲的地址作为启动机发电机一体化(Integrated starterand generator,ISG)节点的源地址。 表1 电动汽车节点源地址分配表注：AMTAutomatedmechanicaltransmission，自动换档变速器。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
19、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信号 信号类型 刷新率tms 分辨率， 数据长度bit 数据范围 偏移量e 目标地址万方数据2008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 10533 ECU参数组的定义除使用J1939己定义的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PDU从PF值为241开始，即全部采用PDU2格式(广播传输)，Ps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
20、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、ISG、DCDC、超级电容、CAN仪表和行车记录仪等的顺序依次分配PS(从0开始)。同时，以100 1118为刷新率界限，将每个参数组又分为两部分，刷新率小于100 ins的PS值比较小，刷新率大于100 ms的PS值比较大。鉴于整车控制器需要定义的PDU比较多，相应的PS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
21、中各控制单元的协调控制和管理，如通过参数组VCUl，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MCl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撑1：VCUI lO87l 6-321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
22、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Vector公司的CANoe和自主开发的网络在环平台9-m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500 kbs。在建立节点数据库，完成拓扑结构定义后，用CANoe仿真，通过Bus Statistics窗口、Trace窗口和Graphics窗口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111(图3)。各节点采用16位微处理器+CAN通信接口的硬件结构；上位PC机的配置与
23、监控软件可通过100 BASE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CANalyzer实时监测总线运行情况。图3网络在环平台实物图234硒他O万方数据机械工程学报 第44卷第5期以混合动力汽车为例，图4、5分别是CANoe仿真和网络在环试验中总线负载率及吞吐量的截图。由于10 ms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10 ms消息电动机转速转矩控制#1(Electromotor torque and speed control1，ETSCl)的周期波动曲线。善蠢暄耀蜊避林图6 CANoe仿真试验中消息ETSCl的周期波动
24、测试时间f，s图7 网络在环平台试验中消息ETSCl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” 0(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CAN总线通用协议，该协议基于J1939，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”
25、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CAN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ECU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500 kbs时，分别在CANoe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10 ms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
26、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CAN总线协议还有需要迸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r【1】阳宪惠现场总线技术及其应用M】北京：清华大学出版社，1999YANG XianhuiField bus technology and its applica-tionMBeUing：Tsinghua University Press，1 9992】FARSI M，RATCLIFF l【，BARBOSA MAn overv
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