四川南骏汽车集团有限公司技术中心 四川资阳 641300
摘要：随着能源危机不断加剧，新能源汽车逐渐从概念阶段进入现实生活，但新能源汽车整车的通信网络与控制系统也变得越来越复杂。本文针对新能源汽车整车网络技术进行研究，以供参考。
关键词：新能源电动汽车；CAN总线技术；BMS
随着现代工业技术的飞速发展，新能源汽车日益智能化、网络化和自动化，并且还融合了机械、计算机、电子等先进的现代科技技术。新能源汽车要全面获取车身的各种状态信息和控制信息，车辆上就需要增设更多的传感器和电子控制单元，例如防抱死系统装置、被动安全装置、电控门窗装置以及电子燃油喷射装置等，如果依然采用之前的布线方式，直接将开关与设备电缆相连，会使汽车的线束增多，线束的增多不仅会占用汽车的空间，还会阻碍汽车通讯的实时性和可靠性，同时也让车载网络更加复杂，降低了通讯网络的可维护性。而运用CAN总线技术，可以有效解决电器设备过多和线束过长问题。如今，CAN总线网络已经被广泛应用于分布式控制系统、现代工业控制系统、汽车通信网络等控制领域。
1 CAN总线概述
CAN，即控制器局域网络（Controller Area Network，简称CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，为了达到安全性、方便性、低公害、低成本的要求，开发了各种各样的电子控制系统，而这些系统之间通信所用的数据类型不同，对可靠性的要求也不同，所以车身布线变得复杂，线束的数量也在相应增加。为实现“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的目标，1986年德国电气商BOSCH公司开发出了面向汽车的CAN通信协议，此后，CAN通过IS011898及IS011519进行了标准化。在欧洲的一些国家，CAN已经成为汽车领域都积极采用的通信协议。
CAN具有高性能、实时性和可靠性等优势，已经在工业自动化领域、船舶制造领域、医疗和工业设备领域得到普遍应用，并且，CAN总线技术是目前汽车制造与工业自动化领域最有发展前景的技术之一。将CAN运用于新能源汽车的电气通讯，通过车身CAN网络协调各个电控单元的工作，实现汽车的信息共享以及提高可靠性。
图1 整车CAN网络的结构图
2 基于CAN网络的BMS通信系统
电动汽车电池管理系统（Battery Manage System，简称BMS）的所有传感器的信息获取及控制指令发送都可以通过CAN总线实现。
BMS通讯网络如图2所示，采用NXP的S32K144作为BMS的核心控制器，该MCU为Cortex M4内核，最高工作频率可达112MHz，内置的RC振荡器为48 MHz，带有3个CAN接口，其中1路支持CAN FD协议，当CAN FD配置为可变速率时，其数据域最高位速率可达到8Mbit/s。使用S32K144完成对电池组的状态监测及与整车主控制器的通信，可以简化开发流程，通信效率也会大幅提升。
图2 BMS通讯网络
为了达到新能源汽车动力电池的输出能力，一般使用的动力电池电压都较高。汽车的动力电池是先用电池单芯构成电池组，再将多个电池组串联或并联，构成汽车的动力电池包。整个动力电池的输出电压一般可以达到300V，甚至会有高达600V的。所以，在搭建电池与整车的监测与通信网络时，首先要解决的就是如何实现电池组的高压系统与整车通信网络之间的电压隔离。
整个BMS控制系统除了一个BMS主控单元，还包括多个BMS从控单元，如采集单元、显示单元等，电动汽车动力电池中的每个电池组的监控管理工作就是通过从控单元完成的，再将这些数据传递到主控单元中。电池内部BMS从控单元通信采用传统CAN网络，主控与整车采用多个CAN接口，完成数据、控制、显示等信号的传输。采用DC-DC隔离电源为动力电池组的监控部分提供电能，通过隔离CAN模块将数据采集控制器采集与处理的各种电池信号传送到BMS主控制器。
3 BMS间的电气隔离
12V的蓄电池是电动汽车内部通常使用的供电系统，确保电源及信号隔离是完成对高压电池组全面管理监控的前提，每个独立电池组的BMS从控单元都需要进行电源和通信的电气隔离，从控单元CAN网络设计见图3。
BMS的通信网络主要由动力电池内部的BMS从控单元的CAN通信网络和BMS主控单元与整车的CAN通信网络两部分组成。在汽车内部，是由数个电池组串并联组成整个动力电池的，每个电池组之间都会有或多或少的电压差，所以在进行电池组的数据采样的时候，要把该电池组的电压作为BMS系统的参考，BMS从控单元间的数据通信可采用隔离模块。隔离CAN接口及隔离电源的隔离电压等级有很多，常用的主要是2500VDC、3OOOVDC以及3500VDC等几个等级，这些都能达到动力电池内部的隔离需要。可以选用致远的ZY2405WRFCS-3W模块作为隔离电源，该模块具有9~18VDC的输入电压，隔离电压为3OOOVDC；可以选用CTM1051KT作为CAN接口隔离，其通信速率范围达40k~1 Mbit/s，隔离电压为35OOVDC。
图3 从控单元CAN网络设计
由于BMS主控单元与从控单元已经将电源与信号的隔离完成，BMS与整车在连接通信的电气硬件时就不用再使用隔离模块了。采用TJA1051通用的CAN收发器即可实现BMS主控单元的CAN接口。通过使用NXP的TJA 1044GTK可以实现CAN FD接口驱动，其最高可以达到5Mbit/s的通信速率，能够有效传输电池组状态数据和控制数据。
4 抗干扰设计
新能源汽车要实现高速、可靠的通信，不仅要做好必要的接口隔离，还需要对每个控制系统通信网络进行抗干扰设计。通信网络的干扰主要来源于动力电池内部的高压大电流线束，影响汽车信息数据的传递。
CAN总线网络中信号传输的介质是双绞线，增加整车网络的抗干扰能力的一个有效举措就是选用合适的双绞线。汽车内部的各个ECU之间和电池组内部的电气连接线都是捆扎在一起的，这些线束一般包含有通信网络线、ECU的电源线等各种控制信号线，其中，通信网络线一般和电池的动力线挨的较近，相应的受到的干扰力也大。现如今，电动汽车整车的ECU单元在不断增多，对CAN总线网络产生干扰的因素越来越多，干扰强度也在增大，所以在电池组的CAN通信网络设计中要特别注意抗干扰设计。
可以采用双层屏蔽线组网来提高网络的抗干扰能力，见图4。
其抗干扰设计主要体现在以下几个方面：其一，选择双层屏蔽双绞线，外屏蔽层单点接大地，其中CGND通过102电容接机壳；其二，可能缩短各个BMS单元接入总线主干网的电缆长度；其三，CAN网络离开了12V电源线和控制线，并且离动力线很远；最后，BMS接入整车网络的接口套磁环。
图4 CAN总线组网设计
结语
汽车产业的迅猛发展为人类文明的进步做出了巨大贡献，但伴随着进步，也带来了资源消耗过度和环境污染等社会问题。在这种严峻形势下，世界各国都致力于寻找能替代传统汽车的资源节约型的新能源汽车，而电动汽车便成了各国的首选，全球顶级知名汽车制造商都在发展新能源汽车方面投入了巨大的人力物力和财力。将CAN总线技术运用于新能源汽车的设计，可以有效地提高通信系统内信号的传输速度，促进新能源汽车的发展。
参考文献
[1]王海平, WANGHai-ping. 基于CAN总线的新能源车辆远程实时监控及数据采集系统研究[J]. 中原工学院学报, 2017, 28(4).
[2]贺强. 新能源汽车CAN通信系统的设计与实现[D].辽宁大学,2016.
[3]张海涛. CAN总线在新能源汽车电机控制器程序升级中的应用[J]. 上海汽车,2014,(06):38-42.
论文作者:徐长福1,周浩1,范小虎1,杨小旭2,黄文平2,胡
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/2
标签：电池组论文; 新能源论文; 汽车论文; 单元论文; 网络论文; 整车论文; 总线论文; 《基层建设》2017年第36期论文;