某纯电动轻型客车CAN总线车载网络系统开发

朱江源，常久鹏，闫　　明（潍柴动力上海研发中心，上海　201315）



某纯电动轻型客车CAN总线车载网络系统开发

朱江源，常久鹏，闫明
（潍柴动力上海研发中心，上海201315）

摘要：介绍某自主设计的纯电动轻型客车CAN总线车载网络系统的开发研究，并通过该开发实例对车载网络架构开发进行了讨论，同时针对网络技术的发展对未来的电动车车载网络架构进行了探讨。

关键词：电动汽车；CAN总线；车载网络系统

随着节能环保要求的不断提高，国家已将新能源汽车的发展列为战略发展产业，通过税收优惠以及财政补贴等形式鼓励新能源汽车的发展。同时由于Tesla的示范效应，国内外越来越多的汽车企业甚至互联网企业开始进军电动汽车制造这一领域。

汽车电子技术的快速发展，使得电子控制器在汽车中大量使用，大量的信息需要在控制系统中进行传输，因此现在的汽车离不开车载网络技术。本文描述的纯电动轻型客车是新近开发的车型，在该车中车载网络系统采用了目前广泛使用的CAN总线。本文将对该车载网络系统的开发进行简单的描述，并针对日益发展的电子技术和互联网技术，展望了未来电动轻型客车的总线设计。

1　CAN总线简介

CAN总线在车载网络架构开发中得到了越来越广泛的运用。欧洲的汽车制造商从1992年开始将CAN总线用于汽车中，基本采用的都是CAN总线标准ISO11898，可支持高达1 Mb／s的各种通信速率；从1994年以来，CAN总线协议SAE J1939协议则广泛应用于货车、客车、建筑设备、农业机械等工业领域的高速通信，其速率为250kb／s［1］。

CAN总线具有如下特点：①CAN总线采用基于优先权的多主方式息；②非破坏性的基于线路竞争的仲裁机制；③支持远程数据请求；④配置灵活；⑤数据在整个系统范围内具有一致性；⑥有检错和出错的通报功能；⑦仲裁失败或传输中被故障损坏的帧能自动重发；⑧能区分节点的临时故障和永久性故障，并能自动断开故障节点。

基于CAN总线的如上特点，在某纯电动轻型客车的车载网络系统开发中采用了CAN总线。CAN总线协议SAE J1939以CAN2.0B为基础，除了CAN协议定义的物理层和数据链路层外，还定义了网络层和应用层，SAE J1939协议广泛应用于货车、客车等商用车中［1］。鉴于SAE J1939在商用车中的成熟应用，该纯电动轻型客车CAN总线采用了SAE J1939的通信协议。

2　纯电动轻型客车的网络架构设计

2.1国内主流的传统燃油型轻型客车车载网络架构设计

国内燃油型欧系轻型客车市场中，江铃汽车的TANSIT（全顺）和南京依维柯的DAILY（得意）是国内高档轻客的主要品牌，长期占据着市场份额的前两位。这两个品牌的车载网络都具有如下特点［2］。

1）都采用了双路总线，两段总线通信速率不一致，以网关或者是以某个控制器为节点来进行连接。

2）依维柯和全顺的车型分别依托其合资方，沿用了成熟平台，在网络设计上不同程度采用了菲亚特

2.2自主纯电动轻型客车的网络架构开发

一款自主的纯电动轻型客车的开发，在网络架构设计时需要从成本、开发周期以及竞争形势和发展趋势等方面来考虑。由于是自主开发，同时是运用在纯电动车中，因此在网络架构的开发中充分考虑了以下几点。

1）充分了解当前的电子应用水平，尽量使用现有资源和成熟产品，降低开发的风险和缩短开发周期。

2）在网络节点上的选择，充分考虑功能要求、实时性要求、信息交换量和成本。

3）采用了J1939协议，降低了开发私有协议的时间周期和技术风险。

4）构架需为未来增加的电子控制单元留有拓展空间。

3　纯电动轻型客车的网络拓扑设计

目前的纯电动轻型客车的网络拓扑如图1所示，在后续的设计中还会增加电子控制单元。

图1　　某纯电动轻客的网络架构设计

该网络架构采用了J1939的通信协议，并且在J1939协议的基础上进行了二次开发，通信的速率采用了250 kb／s。在网络架构开发中控制器的选择考虑了沿用性、关联性、成本、周期等要素。

对于大部分的电器部件，由于集中在驾驶室附近，沿用燃油车设计，采用了BCM集中控制方式。对于安全气囊、ABS等借用燃油车设计，考虑到升级CAN通信的成本，目前未接入网络。

在网络架构中分为3段，即CAN1段 （车身段）、CAN2段 （动力段）和充电段，电源管理模块和整车控制器模块在网络中承担类似网关的作用，通过它们可以将不同网段必要的信息进行路由。这样既实现了信息的互联，又降低了每个网段的通信负载率。

目前的总线架构设计既考虑了一定的先进性，又兼顾了成本的要求，具有一定的拓展性，在现阶段是比较合适的网络架构。

4　纯电动轻客的网络架构设计的仿真分析

4.1纯电动轻客的网络架构设计的仿真

针对上文的纯电动轻型客车的网络架构设计，利用Vector总线工具进行网络结构设计的仿真，判断车载网络总线的负载率和总线的报文延时情况。

本网络架构中的充电段设计参考国家标准GB／T 27930—2011《电动汽车非车载传导式充电机与电源管理系统之间的通讯协议》，在网络架构设计中不作为研究的重点，因此网络架构的设计重心是上文中CAN1段 （车身段）和CAN2段 （动力段）的总线设计。

利用Vector的CANoe工具建立网络架构总线的数据库，完成网络架构的配置设置进行仿真。仿真主要考察总线的以下几个方面：正常工作时的总线负载率和总线报文的延时状况、异常情况 （高负载率和总线出现故障错误帧）下的总线报文的延时状况。从这几个方面考虑可以检验网络总线架构设计的合理性和鲁棒性。

4.2纯电动轻客的网络架构设计的仿真结果分析

1）总线架构的设计，在负载率上的考虑是合理的，为保证总线能很好地工作，正常情况下总线的负载率最好应低于35%，而本设计中两段负载率分别为21.8%和12.6%，是满足负载率设计要求的，并且还留有一定的拓展空间，能够适应未来在网络中增加电子部件。

2）从总线架构的鲁棒性设计上看，为保证总线的鲁棒性，总线报文的延迟时间应低于报文的发送周期。在本设计中，在网络异常状况下，总线报文的延时均低于报文发送周期，因此该网络架构的鲁棒性设计也是合理的。

5　纯电动轻客的网络架构设计的实车验证

针对纯电动轻型客车的车载网络的设计，在试验车上进行了实车验证，主要对实车的总线负载率进行了测试，从实车测试结果来看，总线的负载率与仿真结果基本相符。总线的设计是满足要求的。

因此，该纯电动轻型客车的车载网络设计是合理的，完全满足了当前的要求，且预留一定的拓展空间，适合未来在网络上增加新的电控单元。

6　纯电动轻型客车网络架构设计的未来展望

6.1影响方面

伴随着电子科技、互联网技术的发展以及对车辆安全性要求的日益提高，未来会有更多的电子部件加入到汽车网络中，这样对汽车网络架构的设计必然带来巨大的冲击。电动汽车相比于传统的燃油车将是一个更佳的智能化的载体，总体而论未来会有以下几个方面对网络架构的设计带来影响。

1）随着对安全性要求的不断提高，各种ADAS技术将不断运用在车中，这类技术带来车载网络更大的信息交流量和更高的实时性要求，网络架构的发展也必然走向更多路、更多种速率组合形式。

2）随着车联网技术的发展，汽车网络还将进一步融入互联网的因素，汽车网络将接入无线通信，车载网络必然需要考虑诸如3G／4G、Bluetooth、WiFi、ZigBee等无线通信形式，以实现信息的交互。

3）随着智能驾驶技术的发展，自动驾驶技术的兴起，汽车的驾驶将越来越频繁与外部进行信息交互，依赖对外部信息的处理和判断来实现智能驾驶，因此对车载网络的实时性和信息处理量提出了更高的要求，必然会在一定程度上改变车载网络的形态。

4）车联网和智能驾驶技术的发展，将对车载网络的安全性提出更高的要求。针对目前已经出现的黑客入侵车载网络的事件，在未来车载网络的设计中对于车载网络互联安全必将是引起关注的焦点之一。

6.2未来纯电动轻型客车网络架构的展望

1）网络架构将出现多网络段，多种速率的组合形式，满足不同网络的实时性和安全性要求，尤其是智能驾驶技术的发展将对车载网络提出新的挑战。

2）专用的无线接口将用于车联网，需要独立的网关设备来实现车载网络与互联网的对接，独立的网关设备将实现有效的信息交换，降低接入互联网后对车载网络的负载率的冲击，同时提供必要的安全防护，避免黑客利用互联网侵入车载网络而带来的安全隐患。

3）LIN总线作为车载CAN总线的补充，将用于连接一些传感器和智能性的执行部件，提升整车的智能化。

7　建议与结语

车载网络自20世纪90年代诞生以来已经取得了飞速的发展，可以预期随着车联网和智能驾驶技术的发展，车载网络的发展必定越来越快。随着电子技术的发展，车载网络对信息处理的实时性和处理量必然不断加大，因此对于新型的车载网络技术——如具有更高速率的CAN-FD、flexRay和以太网等的发展要密切关注。同时，车联网技术以及车载智能系统的迅速发展，车载网络的复杂性将大大提高，车载网络安全问题也将凸显出来，这对于车载网络的设计者来说将是一个新的关注点。

附：名词解释

1）双路总线：指车内的总线系统被分为两路总线，每条总线上分布不同的控制器，两条总线可能有不同的通信速率，通常是通过网关来进行总线间的信息路由，常见的如车身总线、动力总线。

2）私有协议：汽车厂商为实现技术保密，会在CAN协议的基础上，将一些数据定义为私有，这些私有的数据通过一般的解析器无法进行解析。

参考文献：

［1]罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［2]张凌露，高李明.轻型商用车车载网络架构［J］.汽车电器，2015（3）：18-21.

［3]付百学，胡胜海.汽车车载网络技术［M］.北京：机械工业出版社，2013.

（编辑文珍）

中图分类号：U463.6

文献标识码：A

文章编号：1003－8639（2016）01－0004－03

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-08-14

作者简介：朱江源，男，工程师，主要研究方向为汽车电子电器、总线设计。和福特的私有协议。其中依维柯的动力网段部分采用了J1939，车身网段部分采用了私有协议。而全顺则都采用了私有协议。

Development of CAN Bus Vehicle Network System for A Pure EV Light Bus

ZHU Jiang-yuan，CHANG Jiu-peng，YAN Ming
（Shanghai R&D center，Weichai Power Co.，Ltd.，Shanghai201315，China）

Abstract：The development and research of CAN bus vehicle network system for a self-designed pure EV light bus is introduced and the development of network architecture is discussed through this sample.Meanwhile，the network architecture for future EV is also discussed based on the development of network technology.

Key words：EV（Electric Vehicle）；CAN bus；vehicle network system