换电式纯电动客车CAN网络方案设计

房永强

换电式纯电动客车CAN网络方案设计

房永强

（厦门金龙旅行车有限公司，福建 厦门361026）

结合某款换电式纯电动客车的研发与应用，介绍一种换电式纯电动客车三级CAN网络架构，以及合理的纯电动系统CAN总线管理方案。

纯电动客车；换电式；三级CAN总线

纯电动客车的正常运营配套离不开电网能源的补给。当前国内主流有换电、充电两种模式，各有其适用的市场领域［1］。在电池性能、成本、基础配套未完全成熟和未最终定位的前提下，尝试不同的纯电动商业模式，完善技术积累和经验探索，是新能源客车最终发展目标的必经过程［2］。纯电动车辆的CAN网络中不仅有仪表、ABS等常规信息，更重要的是有电控、电机、电池、电动附件系统传输的报文信息。如何依据信息之间的关联性，规范设计CAN网络架构，对整车的CAN网络分层管理和合理使用数据信息，是电动客车CAN网络化方向和电子电控技术的重要研究内容［3-4］。本文结合某款12 m换电式纯电动城市客车，介绍一种三级关联层次的CAN总线网络架构和管理方案。

1　换电式纯电动客车的CAN网络架构

1.1三级CAN网络架构

CAN是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信网络［5］。CAN网络通信技术的最大优点是减少了线束数量和控制器接口的引脚数目，提升了车辆控制可靠性和功能扩展性，降低了开发成本和周期［6］。如今，BOSCH CAN 2.0B以及在其基础上制定的SAE J1939协议，是目前应用最为广泛的商用车国际通信标准［7］，遵循该标准开发的通信系统应用层协议可实现电动汽车各子系统的通信交互和信息共享。

考虑到电动客车包含的控制单元、执行单元、显示单元、监控单元等部件较多，并且整车电磁环境复杂，因此，依据各系统部件之间的关联性和数据交换需求，对电池系统、动力系统、车身系统的CAN节点功能进行合理的三级层次CAN网络划分，有利于降低CAN总线负载率，减少错误帧对网络的影响，确保总线报文的稳定性。如图1所示，采用一种换电式纯电动客车三级CAN总线网络架构方案。

其中，电池箱采用4大箱6小箱左右对称的布置方案，电池系统实现各电池箱、电池模块的内部信息通信，并通过电池BMS主机作为对车身CAN总线的网关接口；动力系统实现各动力单元、执行单元、监控单元的内部网络管理，并通过电控系统VCU作为对车身CAN总线的网关接口；车身CAN网络中主要是车辆常规单元、操控单元、远程监控单元以及仪表对所有关键信息的综合采集显示。

1.2CAN网络规划和数据定义

换电式纯电动城市客车采用目前国内主流的国家电网的换电方案，电池组包含标准电池箱、电池模组和电池内网管理单元。因此，电池系统CAN总线内网单元之间的通信协议，基于文献［8］国家电网规范进行设计，遵循CAN 2.0B中有关标准帧的定义，通信速率250 kbps，并对11位标识符进行重新定义。车身系统CAN总线、动力系统CAN总线则基于J1939协议，通信速率250 kbps，采用扩展帧格式，其中自定义的CAN节点地址在128～167范围内选择，以确保其在常规和混合动力商用车上使用地址的通用性。三级层次CAN总线的报文格式定义，如表1所示。

表1　三级CAN总线报文格式定义

在CAN网络物理层布局上，遵循SAE J1939-11中相关要求，同时根据电动车辆特点确保CAN网络的稳定性［9］。以动力系统CAN总线布局为例，如图2所示，遵循分支最短原则，各CAN节点采用一进一出走线方式，终端电阻均配置在CAN网络节点外的最远端；CAN连接线为屏蔽双绞线，在走线上尽量规避与高压线缆的横竖交叉，并保持合理的距离；屏蔽层线缆采用单独的单点接地方式，避免与其他地线汇合后一起搭铁。

2　换电式纯电动系统CAN网络管理方案

2.1电池系统CAN总线

电池管理系统CAN总线节点由各电池箱内部电控单元LECU与电池管理主机BMS构成。

1）LECU。负责电池箱内电池组各种信息的采集，如单体电压、电池箱内部温度、故障信息等，并将相关信息以约定的格式上报给BMS，同时还接收BMS的指令对电池均衡进行控制。

2）BMS。负责接收内网各电池箱LECU发送的信息，对电池的状态进行综合分析，通过内部CAN网络对LECU进行控制，并由车身CAN总线将电池状态、故障信息传输上报。

相比于充电模式，由于换电模式电池组的充电和维护主要由电网公司和电池厂家分担。因此，对于换电后电池组在车辆上的装配使用，车载电池系统则需要着重解决BMS与电池箱LECU之间换电前后匹配和电池组剩余电量SOC计算精确度的实际问题。基于CAN网络的信息采集与存储，可采用如下软件解决方案：

①每经历一次上下电过程后，BMS通过CAN总线发送数据请求帧，识别并存储各LECU上报的电池箱编号和LECU地址信息。

②BMS将当前匹配的电池箱LECU信息与上一次历史存储信息进行比较，从而完成电池换电与否的自动判断。

③当每一次发生换电过程后，BMS开始重新计算当前电池组SOC，以解决SOC实时校准与监测方面的偏差。

2.2动力系统CAN总线

动力控制系统CAN总线节点由电机驱动系统、电动附件系统，以及相关的检测部件构成。

1）电机驱动系统。采用电机直驱方式，电控系统VCU依据车辆驾驶需求、行驶工况和电池状态，发送CAN指令给驱动电机控制器，实现相应的电机转矩控制。

2）电动附件系统。包括电动转向系统、电动气泵系统、电动空调系统和DC/DC，均是电动客车正常运营的关键组成部分。电控系统VCU通过CAN总线采集电动附件反馈的状态与故障信息，并结合车辆的电门档位、行驶车速、储气筒气压、蓄电池电压等综合工况，实现电动附件安全上电、使能控制、报警和停机管理等。

3）除电池系统内部绝缘检测外，在整车外部高压用电系统上也配置绝缘检测仪，实现二重高压绝缘监控，同时将正负母线的绝缘电阻值通过CAN总线上报。

2.3车身系统CAN总线

车身系统CAN总线节点由电池系统BMS、电控系统VCU、仪表、档位面板、ABS、充电机、电网车载终端、远程监控终端等组成。

1）仪表系统。仪表系统是整车运行状态重要的综合显示终端，在满足国标要求的基础上，采用电动车专用仪表思路设计，实时采集和显示CAN总线上所有设备的状态、故障信息，为整车行驶监控和系统维护提供重要依据。以下提供一种完整的纯电动系统仪表界面方案和信息内容，如表2所示。

表2　仪表从CAN总线采集显示的关键信息汇总

2）与常规档位开关不同，驾驶区选用集成CAN功能的一体式档位操作面板系统，便于功能集成和简化线束连接。

3）ABS系统。驱动电机作为整车唯一的动力机构，从安全角度考虑，电控系统VCU需要从车身CAN总线上读取ABS的报文信息。当ABS激活有效时，通过动力系统CAN总线告之驱动电机控制器进行相应保护动作。

4）充电机系统。考虑到生产调试和补电方式多样性，换电式车型按兼容充电模式思路设计，在高压配电柜内预留充电接口和充电回路，同时在车身CAN总线上预留充电机CAN节点接口，电池管理系统BMS内预置与地面充电机的握手通信协议［10］。

5）电网车载终端系统。换电站对纯电动车辆的无线管理，基于连接在车身CAN总线的电网车载终端［11］。该数据终端负责按设定的周期向监控中心的信息服务器，报送电动汽车的GPS、电池剩余电量、剩余续航里程等信息，实现异常报警和车辆紧急救援服务，为监控中心对换电式车辆进行监测、调度、换电预警等提供保障。

6）远程监控终端系统。电动客车生产厂家、用户等对纯电动车辆的运营管理，可基于厂家自主开发的远程监控终端系统，通过采集三级CAN总线网络的数据并进行综合分析，实现对车辆纯电动系统状态、运行状态、安全监测状态等远程实时监控和异常数据的存储回放［12］。

3　结束语

本文从整车CAN网络化管理的角度出发，提出了换电式电动汽车相关控制单元、执行单元、显示单元、监控单元等部件的分层化和管理思路，有利于规范车辆局域网络功能，提高网络使用效率和后续应用拓展，对发展电动客车CAN网络化和电子电控技术具有促进意义。

［1］陈鸣.上海世博园纯电动大客车［J］.客车技术与研究，2011，33（2）：64-67.

［2］车兆华.对纯电动城市客车发展的一点思考［J］.客车技术与研究，2012，34（5）：45-46.

［3］殷承良，张建龙.新能源汽车整车设计-典型车型与结构［M］.上海：上海科学技术出版社，2013:145-150.

［4］王钦普，张桂华，赵浩，等.CAN总线技术在电动客车上的应用与发展［J］.客车技术与研究，2013，35（2）：37-39.

［5］张凤登.现场总线技术与应用［M］.北京：科学出版社，2008: 133-145.

［6］南金瑞，刘波澜.汽车单片机及车载总线技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2007：101-103.

［7］朱光欢，李向阳.基于SAE J1939与TTCAN的汽车网络设计与分析［J］.仪表技术与传感器，2011，（1）：55-57.

［8］孟凡提.电动汽车动力电池管理系统内网通信协议［R］.中国：国家电网许继集团有限公司，2012.

［9］张辉，彭能岭，陶高伟，等.18 m油电混合动力客车CAN网络架构设计与应用［J］.客车技术与研究，2014，36（1）：44-47.

［10］GB/T27930-2011，电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［11］周长春.电动汽车车载智能终端通讯协议［R］.中国：国家电网许继集团有限公司，2011.

［12］申朝，曾碚凯.电动公交车CAN总线系统通信节点的设计［J］.公路与汽运，2006，（4）

修改稿日期：2014-11-05

Design on CAN Network Project for Pure Electric Bus with Power Battery Replacement

FangYongqiang
（Xiamen Golden Dragon Bus Co.，Ltd，Xiamen 361026，China）

Takingthe R&Dand application ofa pure electric bus with the power batteryreplacement as an example，the author introduces a three-level CAN network architecture and appropriate management project of the control systembased on the CANbus ofthe pure electric system.

pure electric bus；power batteryreplacement；three-level CANnetwork

U469.72；U463.62

B

1006-3331（2015）01-0041-03

房永强（1983－），男，工学硕士；工程师；主要从事新能源客车系统开发工作。