电动汽车车载网络技术难点-徐艳民-全国高校新能源汽车专业建设暨故障诊断与检测维修培训班讲义

电动汽车车载网络技术主讲：徐艳民全国高校新能源汽车专业建设暨故障诊断与检测维修培训班基于CAN总线协议的车载网络基于TTCAN总线协议的网络基于FlexRay总线协议的网络车载网络测试技术议题基于CAN总线协议的车载网络Controller（控制器）Area（局域）Network（网络）CANBus-控制器局域网络总线CAN总线系统-历史历史:–CAN是由Bosch和Intel在八十年代末开发,用于连接客车和卡车ECU的标准化的总线系统。–CAN2.0标准在1991年发布，迄今沿用。–在1992年首先应用在MercedesS-系列车中(连接发动机和变速箱ECU)。–1993年CAN成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。–如今CAN总线在自动化领域中作为现场总线普遍使用。CAN总线系统-基础概念数据总线:各个节点间进行数据通信的通道，即所谓的信息高速公路。多路传输:在同一个通道上或线路上同时进行多条信息的传输。CAN总线使用的“时分多路传输”CAN总线系统-基础概念位速率:指总线的通信传输速率，单位是位/秒(bit/s)。在CAN总线中一般用的单位是kbit/s。注意:CAN总线的最高位速率和通信距离相关。CAN总线组成数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点CAN总线组成-硬件（导线）传输线:两条导线分别叫CAN-High和CAN-Low线，或者简称CAN-H和CAN-L，扭绞在一起形成双绞线。+1V-1V外界的干扰同时作用于两根导线产生的电磁波辐射相互抵消~0VCAN-Bus的差分电压传输线采用双绞线，其绞距为20mm，截面积为0.35mm2或0.5mm2。修理时不能有大于50mm的线段不绞合。9CAN总线组成-硬件（导线信号）CAN-H的高电平为：3.5伏CAN-H的低电平为：2.6伏CAN-L的高电平为:2.4伏CAN-L的低电平为：1.5伏逻辑“1”:CAN-H=2.6VCAN-L=2.4V电压差=2.6V-2.4V=0.2V逻辑“0”：CAN-H=3.5VCAN-L=1.5V电压差=3.5V-1.5=2.0V驱动性CAN总线电压信号（大众）10CAN总线组成-硬件（导线信号）11差分传输具有很强的抗干扰能力CAN总线组成-硬件（导线信号）由于CAN-H线和CAN-L线是紧密的放置在一起的，所以干扰脉冲X就总是有规律地同时作用在两条线上。12CAN总线组成-硬件（数据传输终端）数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点数据传输终端实际上就是两个阻抗为120欧姆的电阻，也称为终端电阻。总线上的总阻抗大概是60-70欧姆左右。终端电阻的大小和传输线相关。13CAN总线组成-硬件（数据传输终端）数据传输终端作用：正确匹配的波形，保证传输信号不发生变形，保证通信的顺利进行。CAN总线组成-硬件（分支线）数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点分支线的长度不能太长，一般不要超过6M15CAN总线组成-硬件（通信节点）数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点通信节点：总线上数据通信的发起者和接受者。在汽车上CAN总线的通信节点一般是各种电脑，例如：发动机控制电脑、电机控制器电脑、电池管理系统电脑、自动变速器电脑、ESP电脑、灯光组合开关电脑、仪表电脑等16传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX汽车电脑CAN总线组成-硬件（通信节点）传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX汽车电脑CAN-HCAN-L17传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRXCAN总线组成-硬件（通信节点）传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX18CAN总线组成-软件软件：就是通信规则，我们也称为通信协议。例如：规定通信的速度是多快，规定通信的格式，规定通信的优先级等等。19CAN总线组成-软件（多主通信）•所有控制单元都具有相同的条件，即每一个节点的权利相同都能占用总线（发送和接收）。SG1电机控制单元发送/接收SG2电池管理单元SG3发动机控制单元SG4变速箱控制单元CAN-Bus发送/接收发送/接收发送/接收20CAN总线组成-软件（广播通信）•总线上的所有模块都能接受到发送模块发送的信息。21CAN总线组成-软件（广播通信）•总线上的所有模块都能接受到发送模块送发送的信息。CAN总线组成-软件（帧结构）标示符I仲裁域12控制域6数据域8N64CRC校验域15结束域70000111111111CAN总线组成-软件（优先级）自动箱控制单元ABS控制单元发动机控制单元优先权？DatabuswiresCAN总线组成-软件（仲裁功能）仲裁丢失：仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是逻辑电平“1”而监视的是逻辑电平“0”，那么单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。仲裁功能：如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突，仲裁的机制确保了报文和时间均不损失，保证高优先级数据的顺利传输。CAN总线组成-软件（仲裁功能）CAN总线组成-软件（仲裁功能）ABS/EDS控制单元发动机控制单元自动变速器控制单元数据总线－线路低位高位发动机控制单元发送失败自动变速器控制单元发送失败标识符越小优先级越高，标识符为“0000000000”的数据报文是所有可能出现的报文中优先级最高的。CAN总线组成-软件（数据类型）数据类型数据帧过载帧远程帧错误帧CAN总线组成-软件（数据类型）数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。CAN总线组成-软件（数据类型）错误帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。过载帧：过载帧用于在先行和后续数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。CAN总线组成-软件（错误重传）错误重传功能：当某一通信节点发送一个数据帧之后，它必须接受到一个应答信号，才认为发送已经成功，否则该通讯节点重发该数据帧。目的：在存在干扰的情况下，尽可能的保证通讯能够成功。CAN总线组成-软件（错误断开）错误断开功能：当某一通信节点出现一定次数的通信错误后，能主动从总线上退出。相当于该节点从物理上同总线断开连接。目的：防止通信出错的节点对总线上其它节点的产生影响，保证总线上剩下的节点能正常通信。CAN总线-应用目前世界上绝大多数汽车制造厂商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统之间的数据通信。CAN总线-应用CAN总线为什么在汽车上得到了如此广泛的应用呢？CAN总线-优点在该例中，共需要5条数据线进行数据传递，也就是说，每项信息都需要一个独立的数据线。面临问题：如果传递信号项目多，还需要更多的信号传输线，这样会导致电控单元针脚数增加、线路复杂、故障率增多及维修困难。CAN总线-优点各控制单元之间的所有信息都通过两根数据线进行交换——CAN数据总线通过该种数据传递形式，所有的信息，不管控制单元的多少和信息容量的大小，都可以通过这两条数据线进行传递，能大规模的减少系统的复杂性。CAN总线-优点CAN总线-优点（1）利用最少的传感器信号线来传递多用途的传感信号。（2）电控单元和电控单元插脚最小化应用，节省有限空间。（3）线束与接头更少，故障率低，检修方便，系统稳定性高。（4）如果系统需要增加新的功能，仅需软件升级即可。（5）各电控单元的监测器对所连接的CAN总线进行实时监测。通过控制单元和辅助安全措施对传递信息的持续检查，可以达到最低的故障率。（6）CAN数据总线符合国际标准，以便于一辆车上不同厂家的电控单元间进行数据交换。奥迪A8车载网络驱动CAN车距调节CAN舒适CAN仪表CAN诊断CANCAN总线-应用实例CAN总线-应用实例•混合动力电动汽车CAN网络五洲龙FDG6111HEVG2混合动力客车CAN总线-应用实例•一种低成本纯电动汽车CAN网络电动汽车CAN总线技术•电动汽车车载网络中的电子设备主要包括：车载显示单元（DCU）、车身控制模块（BCM）、电池组管理系统（BMS）、电机控制单元（ISU）等。•根据触发条件的不同，CAN网络中传输的信号可以分为事件型、周期型、混合型3种传输模式。•电动汽车的信号量远远大于传统汽车，虽然总线上信号量较多，但是可以按照发送的性质将其分为两类：突发性数据和周期性数据，而不同性质的CAN信号用不同的接收方式保证其可靠性和实时性。7.6.5电动汽车网络信号•周期性信号：电池组管理系统（BMS）、电机控制单元（ISU）等模块中的信号大多为周期性传递的，信号传递速度快，从接收到处理完成的时间间隔需要尽可能的小，不能超过信号的发送周期，如果不能及时处理信号的情况发生则很可能造成数据堵塞，甚至可能会影响动力系统的控制性能。•突发性信号：车载显示单元（DCU）、车身控制模块（BCM）、智能空调模块（HVAC）等模块发送的信号多为突发性信号。这些信号多为一些按键数据和对一些开关量的控制，特点是信号发送频率不固定且对数据到达的先后顺序没有特别的要求。电动汽车CAN总线技术•电动汽车的车载电子设备有两种不同性质的CAN总线数据流，因此合理的网络结构可以减少微处理器（MCU）的负载、提高控制系统的性能；反之，不合理的网络结构会加大MCU的负载，降低系统性能，甚至造成CAN报文丢失，影响控制精度。•为此可将信息交换比较密集并且具有相同数据性质的ECU放在一个子网中，即采用双子网结构，不仅满足了电动汽车的设计要求，同时成本低、易实现。然后，根据各子网控制系统的要求确定每个子网的CAN总线通信速率，根据通信速率采用合适的总线控制器，两个子网之间通过网关连接实现信息共享。电动汽车CAN总线技术•电动汽车基本网络拓扑结构如图所示。电动汽车CAN总线技术CAN总线系统-网关由于电压电平和通信速度不同，所以在CAN驱动总线和CAN舒适总线之间无法直接通信。需要在这两个系统之间能完成一个转换。这个转换过程是通过所谓的网关来实现的。根据车辆的不同网关可能安装在组合仪表内或者其他电脑单元内。由于通过CAN数据总线的所有信息都供网关使用，所以网关也用作诊断接口。CAN1网关CAN2CAN总线系统-网关分析过程：驱动CAN-L（绿线）和CAN-H的波形交替出现结论：驱动CAN–L和CAN-H短路CAN总线-波形分析（驱动CAN总线）分析过程：波形基本正常，但是驱动CAN-L和CAN-H波形的尖峰出现了明显的过冲现象。结论：终端电阻适配CAN总线-波形分析（驱动CAN总线）基于TTCAN总线协议的网络•TTCAN是基于传统CAN总线的一种高层协议,其通信是基于时间触发的,因而适用于安全相关的场合，已被采纳为国际标准ISO118984TTCAN总线出现的背景•CAN的开发与应用成本较高–CAN是事件触发协议，当许多消息同时要求发送时，竞争结果使低优先级消息发送的时间推后很多，甚至不能满足其时限的要求。为了使低优先级消息发送时间减少，不得不修改消息的优先级分配，这种变化增加了维修、管理的成本。由于系统中消息量与种类的变化，消息的送达时间会变化，又增加了认证和验证的工作量和成本。在开发新功能方面，也受到消息优先级设置上的相互影响，不易单独推进。•CAN达不到线控技术的要求–线控技术可能简化汽车的结构、降低成本、提高控制能力，是一个重要发展的方向。但要达到与原来机械—液压系统同样的可靠性，需要通信系统有更高的确定性与冗余度。CAN达不到这一确定性要求，所以要改进。当然，新的协议不能在性能上比CAN还差。TTCAN总线出现的背景•通过时间触发协议，使消息在调度好的时间片内发送，可以消除总线的争用，消息传送的确定性得到了保证，总线的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性质，需要提供合理的带宽与时隙分布。•几乎同时出现的还有其他时间触发协议，早一点的有TTP/C,晚一点的有FTTCAN、FlexRay等。它们都是在特定时隙指定周期性消息或事件消息的传送，细节上虽有区别，但没有根本的区别。