燃油汽车改制为纯电动汽车CAN协议应用层的开发与实现

许瑞统　臧震　熊保平　张克忠

【摘 要】在传统燃油汽车平台上将燃油动力系统替换为纯电动动力系统，对CAN总线应用层进行开发，基于CAN2.0B协议制定整车通讯协议，包括总线拓扑结构设计、网络节点定义、报文和ID（标识符）定义、报文调度、数据域分配与信号定义，并在实车上进行调试、验证。为了解决发动机信号丢失导致的发动机保护锁死、EPB（电子驻车系统）失效、EPS（动力转向系统）失效、空调系统失效的问题，在实车上对原车CAN总线数据进行采集解析，通过VCU代替原车ECU进行CAN总线通讯，成功解决了新开发CAN总线与原车总线之间的通讯问题，最终在实车上成功实现了发动机保护解除、电子驻车功能、转向助力功能、空调系统控制功能，整车CAN总线系统运行稳定。

【关键词】燃油车改制;电动汽车;CAN总线开发;CAN报文解析;通讯故障处理;实车调试

中图分类号： U467.1 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）36-0121-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.055

Development and Implementation of the Application layer of CAN bus for Fuel Vehicle to Electric Vehicle

XU Rui-tong ZANG Zhen XIONG Bao-ping ZHANG Ke-zhong

（New energy vehicle research center， tsinghua strait research institute（xiamen）， Xiamen Fujian 361000， China）

【Abstract】On the traditional fuel vehicle platform， the fuel power system is replaced by a pure electric power system， and the CAN bus application layer is developed. The vehicle communication protocol is developed based on the CAN2.0B ， including bus topology design， network node definition， message and ID. definition， message scheduling， data domain assignment and signal definition， and verification on the actual vehicle. In order to solve the problem of engine protection lock， EPB failure， EPS failure and air conditioning system failure caused by engine signal loss， the original vehicle CAN bus data is collected and analyzed on the actual vehicle， the VCU instead of the original ECU for CAN bus communication， the communication problem between the newly developed CAN bus and the original bus was successfully solved. Finally， the engine protection unlocking， the EPB， EPS and the air conditioning system work normally in the actual vehicle.The vehicle CAN bus system runs stably.

【Key words】Fuel vehicle restructuring; Electric vehicle; CAN bus development; CAN message parsing; Communication fault handling; Real vehicle debugging

0 引言

在傳动燃油汽车平台上进行纯电动汽车的开发是当前普遍使用的开发模式，其重点是开发整套新能源纯电动动力系统替换原车燃油动力系统，同时对原车其他系统重新进行匹配校核，包括车身系统、悬架系统、转向系统、制动系统、电气系统等。其中整车CAN总线的开发主要涉及两个方面：（1）纯电动系统CAN应用层协议的制定;（2）新开发的总线与原车总线通讯匹配。本文着重论述实际开发过程中纯电动汽车CAN协议应用层面的制定和调试，同时提出调试过程中通讯问题的解决办法。

1 纯电动系统结构

纯电动系统主要包括：VCU（整车控制器）、PACK/BMS（电池包和电池管理系统）、PDU（高压配电盒）、MCU（电机控制器）、MOTOR（驱动电机）、DCDC/OBC（直流变换器/车载充电机二合一控制器），其中VCU用于纯电动系统整体控制，同时与原车控制单元进行通讯。系统基本结构如图1所示。

图1 纯电动系统结构示意图

2 CAN总线拓扑结构

基于CAN2.0B协议设计开发整车通讯网络。CAN拓扑结构如图2所示，其中PCAN（动力CAN）应用于纯电动动力系统的通讯，连接纯电动系统专用控制单元，同时接入部分原车控制单元（BCM、ESP等）。保留原车BCAN（车身CAN）整体网络，通过VCU和BCM对接实现两路CAN之间的正常通讯。两路物理总线上最远的两个节点分别加上120Ω的终端电阻增加数据通讯的抗干扰性和可靠性[1]。

图2 CAN总线拓扑图

3 CAN应用层协议制定

CAN总线应用层协议用于提供通讯功能与应用程序的通讯接口，为了保证信息传输的实时性和通讯网络的可靠性，制定整套总线应用层协议，包括：网络节点定义、报文和ID（标识符）定义、报文调度、数据域分配[2-3]。

3.1 网络节点定义

网络节点定义规定了CAN网络上所有控制单元对应的通讯节点名称，各节点定义见表1。

表1 网络节点定义

3.2 报文和ID（标识符）定义

按照报文功能和收发节点来定义各报文名称，采用CAN2.0B标准帧格式，按照报文优先级分配ID[4]，按照数据量定义报文长度，各节点收发报文和ID定义详见表2。

3.3 报文调度

各报文明确定义发送节点和接收节点，采用周期型调度方式，根据各节点之间对于通讯实时性的不同需求设定了20、50、100、200、300、500、1000ms几种报文发送周期[2-5]，详细定义见表2。

3.4 数据域分配与信号定义

数据域分配采用Motorola编码格式，定义了最低有效位（lsb）到最高有效位（msb）的排列方式，如图3所示。

表2 报文名称、ID和报文调度定义

按照数据域分配规则对不用长度的信号进行排布，图4为VCU_Vehicle_Status（车辆信号）分配示意图。

图3 数据域分配规则

图4 VCU_Vehicle_Status（车辆状态）各信号分配示意图

其中对各信号再进行详细定义，包括起始位、信号长度、精度、偏移量等，详细定义如图5所示。

图5 VCU_Vehicle_Status（车辆状态）各信号详细定义

对所有的报文进行数据域分配和信号定义后，整套通讯协议制定完成，在相关平台上进行初步模拟仿真之后，进入实车调试与验证阶段。

4 实车调试与验证

原型车为一款前置前驱的中型SUV乘用车，將整套燃油动力系统替换为纯电动系统，整车安装完成后进入调试阶段。CAN总线的调试包括新开发纯电动动力总线（PCAN）的调试和动力总线（PCAN）与原车车身总线（BCAN）之间通讯的调试。由于移除原车发动机将导致整车通讯故障，同时发动机信号丢失将影响原车EPB（电子驻车系统）、EPS（动力转向系统）、ABS（制动辅助系统）的功能，CAN总线的调试重点在于解决以上问题。

4.1 PCAN实车调试与验证

调试整车线路，确保各节点之间能够正常收发报文，实时监控总线数据，确保各节点收发报文数据与通讯协议相符。PCAN调试主要包括：（1）整车高低压系统上电/下电逻辑调试;（2）驱动系统加速/减速、行驶方向切换、蠕行功能、驻波功能调试;（3）充电调试：快充和慢充。

以上系统调试与验证完成后开始着重解决PCAN与BCAN之间通讯的问题。

4.2 PCAN与BCAN之间通讯调试

由于缺少原车通讯协议，无法对两路CAN总线直接进行匹配开发，为了解决PCAN与BCAN之间的通讯问题，采用实车数据解析的方式进行调试。

4.2.1 发动机保护状态解除

图6 发动机保护状态激活流程分析

移除发动机总成之后仪表显示发动机故障，同时车辆进入发动机保护激活状态。对整车信号进行分析，发现ECU（发动机控制单元）未检测到发动机转速信号后通过CAN总线发送报文给BCM和仪表，车辆进入锁死状态。发动机保护激活流程分析如图6所示。

为了解除发动机保护状态，使用信号模拟器接入到原发动机曲轴传感器信号采集线路，通过信号模拟器发送发动机转速模拟信号，采集PCAN上ECU报文信号进行解析，获取发动机检测对应帧ID和详细数据。按照获取的报文信息编写通信协议，由VCU代替原ECU发送相关报文到PCAN。保护状态解除原理如图8所示。实车移除发动机和ECU后，发动机故障成功屏蔽，保护状态解除，同时EPB功能恢复正常工作。

图7 使用信号模拟器发送发动机转速信号

图8 发动机故障屏蔽和保护状态解除原理

4.2.2 EPS调试

在发动机故障和保护激活的状态下，EPS处于关闭状态，使用信号模拟器发送发动机转速信号后EPS激活，此时采集分析总线数据，解析出由原车ECU发送给EPS的报文ID和详细数据，编写通讯协议，由VCU代替ECU发送使能信号和有效信号给EPS，EPS正常工作，故障解除，解除原理如图9所示。

4.2.3 空调系统调试

纯电动汽车空调系统在原车空调系统的基础上采用电动压缩机替换原车机械式压缩机，原车压缩机通过ACC（空调控制器）和ECU进行控制，电动压缩机变更为通过ACC和VCU进行控制，为了解决原车空调控制器与VCU之间的通讯问题，需在实车上分析空调系统工作流程，如图10所示，同时对ACC发送给ECU的报文信号进行采集解析，VCU代替原车ECU接收ACC发送的报文数据对压缩机和风扇进行控制。通过现场调试，空调系统正常工作。

图9 EPS故障解除原理

4.3 实车运行状况

车辆实际行驶过程中总线负载率不超过30%，未出现错误帧、丢帧、信号冲突等问题，CAN总线运行稳定，纯电动动力系统正常运转，发动机保护状态得到解除，EPS、EPB、空调系统正常工作，实车道路试验、性能满足设计要求。

5 结论

在传统燃油车平台上开发纯电动汽车极大缩短了开发周期，通过对CAN总线的开发和调试，保证了纯电动动力系统的正常运行，同时成功解决了原车系统与新开发的纯电动系统之间通讯的问题。

【参考文献】

[1]Bosch，CAN specification Ver.2.0，Robert Bosch GmbH，StuTTgart，Germany，1991.

[2]谢辉，周能辉，肖斌，等.XL纯电动轿车CAN总线系统及应用层协议的开发，汽车工程，2005.

[3]韩友国，王若飞，陶颖，等.纯电动汽车CAN总线通信系统研究，科技视界，2018.

[4]卫星，张建军，张利，等.电动汽车CAN网络应用层协议研究，电子测量与仪器学报，2011.

[5]李海龙.电动汽车CAN总线实时性能研究，吉林大学，2018.