FlexRay通信网络在四轮独立驱动电动车控制系统的应用

罗明 蔺宏良

摘要：为了满足人们对于汽车的各种功能性要求，现代汽车内部电子控制单元的数量逐渐增加，传统的车载网络已经难以满足需求，出现车内连线复杂、通信速率过慢、安全性不高等多种问题。而FlexRay通信网络以其安全性较高、通信速率较快等优势引起人们的广泛重视和研究，将其作为通信网络用于四轮独立驱动电动车控制系统，可以解决目前车载网络中存在的一些问题，例如带宽不足、通信速率慢等。该文针对FlexRay通信网络在四轮独立驱动电动车控制系统中的应用进行研究，介绍了FlexRay通信网络架构，并进行了FlexRay通信网络仿真，验证了其可靠性和可应用性。

Abstract： In order to meet people's various functional requirements for automobiles， the number of electronic control units in modern automobiles has gradually increased. Traditional in-vehicle networks have been difficult to meet the needs. There are many problems， such as complex wiring in cars， slow communication rate and low security. The FlexRay communication network has attracted wide attention and research due to its high security and fast communication rate. Using it as a communication network for four-wheel independent drive electric vehicle control systems can solve some of the existing in-vehicle networks， such as insufficient bandwidth， slow communication rate， etc. The article studies the application of the FlexRay communication network in the four-wheel independent drive electric vehicle control system， introduces the FlexRay communication network architecture， and conducts the FlexRay communication network simulation to verify its reliability and applicability.

關键词：FlexRay通信网络;四轮独立驱动电动车;控制系统

Key words： FlexRay communication network;four-wheel independent drive electric vehicle;control system

中图分类号：TP3                                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0120-03

0  引言

经济水平和生活质量的提高，使得人们对于出行工具的安全性和舒适性要求越来越高，为了提高汽车的操作性、安全性和舒适性，满足人们对于汽车不同的功能需求，汽车内部电子控制器件数量的增加势在必行，汽车的发展逐渐趋于智能化和电子化。在一些功能性较强的汽车中，需要配置100个左右的汽车电子控制单元进行上千个信号的传输。汽车内部电子控制单元数量的增加，使得传统的车载网络在使用过程中产生很多问题，例如安全性较差、内部连线繁琐复杂、数据传输不及时、数据安全性较差等等，难以满足未来汽车对于车载通信网络的可靠性、带宽等性能方面的较高要求。FlexRay通信网络作为新一代车载网络，具有带宽高、安全性好、可靠性高、通信速率快等优势，与传统车载网络相比，其应用使得汽车内部的网络连接简单化、数据传输完整及时，同时使得汽车电子控制单元更加可靠稳定，能够满足未来汽车智能化、电子化的发展要求。我国的汽车行业发展起步较晚，以发达国家相比仍旧有一定的差距，汽车内部通信网络普遍采用CAN总线进行，对于FlexRay通信网络的研究和应用均较少。因此，对于FlexRay通信网络的研究，对于实现其在汽车内部控制系统中的应用，提升汽车智能化发展水平具有重要意义。

1  四轮独立驱动电动车概述

在全球环境问题和能源问题日益严峻的形势下，汽车行业面临着巨大的挑战，节能、环保型汽车的研发和应用迫在眉睫。以节能、环保为突出特点的新能源汽车，尤其是通过车载发电机或者电池提供电能的电动车在当前日益紧张的环境趋势下引起人们的广泛关注。与四轮独立驱动电动车不同的是，传统的电动车仅仅将内燃机改为电机，其他部分的结构未进行改进，汽车前轮或者后轮依然通过机械方式连接，难以发挥电动车的优势。而四轮独立驱动电动车的内部通过车载通信网络连接，前轮或者后轮的驱动各自独立，取消了机械传动部件，因此，整车的机械传动效率更高。另外，为了适应各种不同的场景，四轮独立驱动电动车实现了对于车轮转速、转矩的协调控制，提高了汽车的操纵性。与传统的传统内燃机驱动汽车相比，四轮独立驱动电动车可以实现车辆的精确控制、实现车辆的只能响应、提高车辆驱动系统的冗余能力，具有较高的发展空间和价值。

2  FlexRay通信网络架构

2.1 车载FlexRay通信网络的系统架构

车载FlexRay通信网络应用于四轮独立驱动电动车的控制系统中，是实现电动车网络化控制的核心。FlexRay通信网络主要包括由通信板卡和电机控制器组成的车载中央控制器节点，电机控制器节点和作为主干网络的FlexRay总线，整体的通信网络架构如图1所示。

四轮独立驱动电动车控制系统的核心为中央控制器，主要作用是协调整车运作，其主要通过CAN、FlexRay总线，以及控制系统中的相关控制器实现信息的交流沟通。电动车运行过程中，控制系统中的FlexRay通信网络可以将驾驶员的踏板信号和驾驶员控制器中方向盘的转角信号传送到中央控制器，中央控制器接收到信号后判断出当前车辆的状态，并根据车辆的相关管理策略和控制策略，利用其内部的相关程序进行车轮输出转速和转矩的计算，并将相关的结果转换为信号传送到电机控制器。电机控制器接收到相应的信号后将其按照一定的规则输出，从而控制电动车依据驾驶员的行驶意图行驶。另外，中央控制器可以综合电动车内部各电子控制单元的相关数据，将电动车相关的运行状态参数通过信号显示屏反应给驾驶员，帮助其更好地掌握电动车的状态以及路况等，从而帮助其做出更好的判断。

中央控制器和电机控制器之间的数据信息的沟通和交流主要通过通信板卡实现。电动车的中央控制器需要对电动车电机的状态以及运行状态进行实时监测和控制，将相关的指令发送到FlexRay总线，通信板卡从FlexRay总线读取数据，并向电机控制器发送中断信号，提醒其进行数据的读取。电机控制器需要通过通信卡板将转速、转矩等电机状态数据发送给中央控制器。

2.2 基于FlexRay通信网络的电子差速控制系统

汽车在转弯过程中，两侧车轮的运行轨迹在相同时间内并不相同，因此为了避免车辆在转弯时出现侧移等现象，需要对车辆两侧的车轮的转速进行调整，使外侧车轮加速、内侧车轮减速实现差速功能，保证车辆的安全稳定运行。四轮独立驱动电动车通过电机直接对车轮进行驱动，因此不用进行机械差速器的配置，但是同样面临转弯差速的问题，为此进行了电子差速控制系统的设计。在转弯过程中，与方向盘连接的方向角度传感器以及踏板、车身传感器等将数据信息传送到中央控制器，中央控制器根据电动车电子差速控制模型，并综合上述信息，结合电动车的运动状态进行运算控制，得出四个车轮的最优转速，通过FlexRay通信网络将相关数据信号传送到电机控制器实现对电机转速的调节，从而实现电动车的差速转向。在对四轮独立驱动电动车的FlexRay通信网络设计应用时，根据电动车的实际功能要求对整车的网络架构进行制定。FlexRay通信网络一般选用结构简单、成本低廉、易于扩充的总线型拓扑结构，这样只要将新的电子控制单元挂在通信总线上，无需对总线实行重新配置便可引入新的电子控制单元。FlexRay通信网络在电子差速控制系统中的应用框架如图2所示。

3  FlexRay通信网络仿真

对FlexRay通信网络进行仿真主要目的是，验证FlexRay通信网络、编辑的网络描述文件的正确性，以及搭建半实物仿真测试环境。对FlexRay通信网络正确性以及通信是否顺畅的验证，主要通过建立网络模型，进行仿真的方式进行。本章节中对FlexRay通信网络的仿真主要利用德国某公司开发的CANoe.FlexRay软件，在Simulation运行模式下进行。

3.1 FlexRay网络仿真平台

设计并确定FlexRay通信网络的运行参数、应用层信号和报文等内容，利用FlexRay通信协议网络数据库编辑软件进行FlexRay通信网络数据库的创建，在CANoe.FlexRay软件中建立FlexRay通信网络仿真平台。

3.2 网络全仿真

FlexRay通信网络的全仿真，指利用CAPL语言编程实现网络中各虚拟节点的信号传输和接收，并对其进行一定的编辑处加工，通过Panl面板进行人机交互面板的设计，对虚拟节点外部信号变化进行模拟，对节点数据的变化情况进行实时显示，使FlexRay通信网络的真实性更强。在FlexRay通信网络仿真平台中对车载网络进行仿真，在CANoe.FlexRay软件的Trace窗口中读取ID分别为3和5的报文的时间差为0.00012s，从而计算得到一个时间槽的实际时间长度为60μs，而在实际设计中gdStaticSlot的时间长度为60MT，而1MT=1μs，因此可以确定gdStaticSlot=60μs，证明了静态段报文发送时间的准确性。因此通过仿真结果可以证明，在信号发送和接收过程中，網络信号发送正确且正常，FlexRay通信网络在四轮独立驱动电动车控制系统中完全可用。

4  结语

FlexRay通信网络的应用是未来智能化、电子化汽车网络的主要发展趋势，具有传输速率快、安全性较好、可靠性高等优点，能够满足未来汽车发展中对于车载网络高通信速率、高可靠性等性能的要求。与传统的车载网络相比，FlexRay通信网络既可以满足现代汽车的性能要求，还具有传统车载网络不具有的高数据通信塑料、支持多个通信信道冗余通信等特性，能够适应较多的应用场景。本文对四轮独立驱动电动车控制系统中FlexRay通信网络进行了介绍，并通过网络仿真对其可靠性进行了实际测试和验证，证明了FlexRay通信网络在四轮独立驱动电动车控制系统中应用的可行性，对于汽车智能化、电子化发展具有重要意义。

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