电动汽车车载网络综述.docx

1、电动汽车车载网络综述电动汽车车载网络引言汽车技术发展到今天， 很多新型电气设备得到了大量应用， 尤其是电动汽车 的电气系统已经变成了一个复杂的大系统。 为了满足电动汽车各子系统的实时性 要求，需要对公共数据实行共享电动汽车作为清洁绿色的新能源汽车 , 将在未来交通体系中发挥越来越重要 的作用。汽车中电器的技术含量和数量是衡景汽车性能的一个重要标志。 汽车电器技 术含量和数量的增加， 意味着汽车性能的提高。 但汽车电器的增加， 同样使汽车 电器之间的信息交且桥梁线束和与其配套的电器接插件数量成倍上升。在 1955年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米。为了在提高性能与控制线束数量 之问寻求一种

2、有效的解决途径， 在20世纪 80年代初，出现了一种基于数据网络 的车内信息交互方式车载网络。一、汽车车载网络的组成车载网络按照应用加以划分，大致可以分为 4 个系统：车身系统，动力传 动系统、安全系统和信息系统。-I -r_ L阳Poy灯朮平调幣转萱/灯图1奥迪A4的车载网络系统车身系统电路主要有二大块：主控单兀电路、受控单兀电路、门控单兀电路。主控单元按收开关信号之后，先进行分析处理，然后通过CAN总线把控制指令发 送给各受控端，各受控端晌应后作出相应的动作。 车前、车后控制端只接收主拄 端的指令，按主控端的要求执行，并把执行的结果反馈给主控端。门控单元不但 通过总接收主控端的指令，还接收

3、车门上的开关信号输入。根据指令和开关信号， 门控单元会做出相应动作，然后把执行结果发往主控单元。在动力传动系统内，动力传动系统模块的位置比较集中， 可固定在一处，利 用网络将发动机舱内设置的模块连接起来。在将汽车的主要因素一跑、停止 与拐弯这些功能用网络连接起来时，就需要较高速的网络传输速度。动力数据总 线一般连接3块电脑，它们是发动机、ABS/ EDL及自动变速器电脑（动力CAN数 据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑 ）。总线可以同时传递10组数据，发动机电脑5组、ABEDL电脑3组和自动变速器电脑2组。数 据总线以500Kbit /s速率传递数据，每一数据组传递大约需要

4、0.25ms,每一电控单元7-20ms发送一次数据。优先权顺序为ABVEDL电控单元-发动机电控单 元 - 自动变速器电控单元因此，线束变长， 而且容易受到干扰的影响。 为了防干扰应尽量降低通信速 度，但随着安全系统和信息系统的发展高速传输成为必然的趋势。 且人机接口的 模块、节点的数量增加， 通信速度控制及成本相对增加， 使人们不得不摸索更加 高速、安全、廉价的解决方案。此时，汽车总线的概念被提出，总线技术可以大 大提高汽车电器控制的安全性、 可靠性，降低汽车电子电控系统的维护保养成本 和故障率。二、汽车车载网络分类及其发展趋势2.1汽车车载网络的分类目前存在的多种汽车网络标准，SAE车辆网

5、络委员会将汽车数据传输网划分为 A、B、C 三类：A 类面向传感器 / 执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有1-10 kbps。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。在 A类网络中存有多种协议标准，目前正在逐步兴起的是 LIN( Local Interconnect Networ k ) 总线， LIN 是面向低端通讯的一种协议，主要应用在通信速率要求不高的场合， 通过单总线的方式来实现。B类一一面向独立模块间数据共享的中速网络， 位速率一般为10-100 kbps。 主要应用于电子车辆信息中心故障诊断、 仪表显示、 安全气囊等系统， 以减少冗 余的传感器和其他 电子部件 。

6、B 类网络系统 标准主要包 括控制 器局域网(Controller Area Network，CAN 协议、车辆局域网(Vehicle Area Network， VAN协议以及汽车工程师协会(Society of Automotive Engineers ， SAE的SAE J1850协议。在容错性能和故障诊断方面， CAN具有明显的优势，因此在汽车内部的动力电子系统等对实时性和可靠性要求较高的领域占有不可替代的地 位；考虑到成本因素，VAN也在汽车网络中占有一席之地，特别适用于车身电子 系统等对实时性和可靠性要求相对较低，网络上的某些节点功能比较简单的场 合；SAE J1850由于其通信速

7、率上的限制已逐渐被淘汰。C类一一面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达 1 Mbps主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、 ABS等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。在 C类标准中，欧洲的汽车制造商从1992年以来，基本上采用的都是咼速通讯的 CAN总线标准ISO11898,它可支持咼达1Mb/s的 各种通讯速率；而从1994以来SAEJ1939则广泛用于卡车、大客车、建筑设备、 农业机械等工业领域的高速通讯，其通讯速率为 250kb/s o另外还有是面向多媒体应用、高速信息流传输的高性能网络，位速率一般在2Mb/s以上，目前已有位速率达到 400Mb/s的网络标准

8、，800Mb/s的网络标准 也在研究使用。这类网络系统主要连接汽车内部用于多媒体功能的电子设备， 包 括了语音系统、车载电话、音响、电视、车载计算机和 GPS等系统。一般来说，汽车通信网络可以划分为四个不同的领域， 每个领域都有其独特的要求：1信息娱乐系统：此领域的通信要求高速率和高带宽，有时会是无线传输。 目前主流应用协议有MOST2.高安全的线控系统：由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统， 所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。可以考虑的协议有 TTCANFlexRay、TTP等；3.车身控制系统：在这个领域CAN协议己经有了二十多年的应用积累，其中 包括传统的车身控制和传动控

9、制；4低端控制系统：此系统包括那些仅需要简单串行通信的 ECU(ElectronicControl Un it) 电子控制单元，比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器 等，这应该是LIN总线最适合的应用领域。节点相対歳本图2车上网络系统价格及传输速度分布2.2车载网络的发展趋势在国外，目前汽车网络总线技术已经成为乘用车和商用车的标准配置， 其中 CAN网络技术应用相当普及。在欧洲，80%勺轿车不同程度上使用了该技术；在美 洲，汽车以使用 J1850 居多，具有代表性的有福特使用的 41.6KbpsJ1850 和通 用、克莱斯勒使用的10.4KbpsJ1850，但从趋势看正逐步往 CAN技术

10、转移。目前国内使用总线技术的车型几乎全部使用 CAN总线。CAN总线开始在奥迪 A6、奥迪A4宝来、帕萨特BS波罗、菲亚特派力奥、菲亚特西耶那、宝马等 产品上出现，主要应用在动力传动系统、安全系统 （ABS EBD ASR ESP等）和 车身系统 （门、窗、空调、灯光、锁、座椅等 ）。相关技术的应用也带动了我国网 络总线研发能力迅速提高， 整车企业可以介入网络总线相关技术标准的研究和制 定，但关键的总线技术还掌握在国外供应商手上。X-by-Wire ，即线控操作， 是未来汽车的发展方向。 该技术来源于飞机制造， 基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统，减轻重量，提高可靠性，如 Steer-

11、by-Wire ， Brake-by-Wire 等。由于整个设计思想涉及动力、制动、方向 控制等关键功能，对汽车网络也就提出了不同要求。在未来的 5 - 10年里，X-by-Wire 技术将使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通信总线与高性能 CPU 相连的电气系统。我国对于电动汽车车用总线技术的研究，主要分为两个阶段 : 即功能实现阶 段和性能完善阶段。目前国内第一阶段的工作已基本完成， 基于CAN总线的自主 研发技术己经在新能源汽车上取得成功应用。 我国的汽车企业、高校和科研院所， 如一汽集团、上汽集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司、清华大学、北京理工大 学、北京交通大学、同济大学、中科院、

12、中国汽车研究中心等 200 多家单位投入 了大量的人力、财力研发电动汽车。三、CAN总线在电动汽车中的运用3.1 总线网络拓扑结构网络拓扑结构设计是构建网络的第一步， 也是实现各种网络协议的基础， 它 对网络的性能、 可靠性和通信费用等都有很大影响。 网络拓扑结构按照几何图形 的形状可分为 5 种类型 : 总线型拓扑、环形拓扑、星形拓扑、网络拓扑和树形拓 扑，这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。 由于电动汽车汽车的网络特点可归 纳为通讯距离短、网络复杂度要求不高、扩展性要求高及实施性可靠性要求高。考虑其特点，可以综合比较出总线型的结构是最适合车用网络体系的图3网络拓扑结构CAN是 一种多主方式

13、的串行通讯总线，位速率高，抗电磁干扰性强，能够检 测出产生的任何错误。它具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CANS制器 挂到CAN-bus上,每个节点都有单独的通信处理能力， 形成多主机局部网络。其 可靠性和实时性远高于普通的通信技术。3.2CAN总线框架目前汽车设计中的网络结构，采用两条CAN网络，一条用于动力系统的高速 CAN速率为250 Kb-1 Mb/s；另一条应用于车身系统的低速 CAN速率为10 Kb-125 Kb/s。高速CAN主要连接对象是发动机控制器、 变速箱、ABS空制器、助力转向， 安全气囊控制器等。低速CAh主要连接和控制的汽车内外部照明、 灯光信号、空调、组合仪表

14、等其他低速电子控制单元。LIN图4奥迪A4的网络结构图电动汽车区别于传统的燃油汽车，既要考虑到其自身的独特性，又要考虑其 与一般汽车的共性。电动汽车与传统汽车最大的区别就是用电能来驱动， 即用电 池或电机来代替传统的发动机，而对电机的驱动控制和对电池的管理正是电动汽 车的关键技术。3.3CAN总线协议CAN遵从ISO/OSI标准模型（图2.1所示），按照这个标准模型，CAN协议定义了物理层和数据链路层。应用层协议在 CAN2.O中没有定义，但很多组织针对不同的应用需求制定了适用于不同领域的应用层协议。表1 CAN通信模型的分层结构应用层提供到低层的用户接口表示层提供数据格式化和代码转换会话层处

15、理进程之间的协调传输层负责数据传输控制网络层在相邻节点间转发分租直到目的站数据链路层提供计算机与网络之间可靠的数据传输物理层在计算机和网络之间传送位流图5 CAN总线的网络分层结构但考虑到电动汽车的特殊性，以上几个协议都不能完全适用于电动汽车 CAN 网络。为统一和规范电动汽车在研发、试运营及产业化过程中CAN网络上各节点 进行数据交换时的物理连接和通信协议，需要针对电动汽车具体 CAN网络环境，自主制定相应的通信协议。当CAN-Bus网络节点的数目不多，或者所有节点基本上都由用户自行设计， 不需要与其他厂商设备进行接口时，用户只需要规定一个简单的通信协议 ；但当CAN-Bus在某一行业广泛应

16、用时，必须考虑到各种CANT商设备的互用性和互换 性，需要标准化的高层协议为 CAN网络提供标准的、统一的通信模式。在制定 CAN应用层协议时主要考虑以下几个方面：1.通讯内容的确定2.标识符功分配3.数据格式定义3.4CAN总线发展前景CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线，现已开始在先进的汽车上得 到应用，从而使得各汽车计算机控制单元能够通过 CAN总线共享所有的信息和资 源，以达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和 可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统之目的， 随着汽车电子技 术的发展，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和纠错能力的 C

17、AN总线通信协议必将在汽车电控系统中得到更广泛的应用。三、嵌入式车载监控终端的硬件和软件设计3.1车身控制系统硬件车身控制模块是为了满足车身控制架构的扩展需求而设计的， 它包括1个连接电影的接口、2个CAN网络的接口，1个短程的RF接受器及一些高电流硅开关输出和20多个开关输入。Powe* Driver9实时操作系统，如 WindRiver公司的VxWorkers、ISI的pSOS QNX系统软件公数字助理、移动电话、机顶盒、电子书及网络电话等。目前从市场占有率来说,业控制器的用户电子设 备进行定制Windows XP Embedded桌面的嵌入式版本，可裁.、八剪Mierosof工业控制器和

18、ATM等有 交流电源的环境Embedded Linux开源操作系统的嵌入式版本工业控制器和手机SymbianSymbian由爱立信、诺基亚和摩托罗拉等共同岀 资。以开发和供应现金、 开放以及标准的手机操 作系统Symbian OS为目 标Symbian手机VxWorks嵌入式开发环境的关键 组成部分、良好的持续发 展能力、高性能的内核以 及友好的开发环境WindRiver用于防抱死刹车系统到 其他的关键任务Plam OS有开放式的操作系统应 用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需 要的应用程序3com公司曾经运用于PDA市场通过对以上各类嵌入式操作系统特点和应用领域进行比较，可以看出Win

19、 dows CE操作系统应用极为广泛，几乎覆盖了生活中的所有智能电子设备， 如掌上PDA移动计算设备、电视机顶盒、数字电视、车载电脑、数字相机、家 庭自动化系统、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等等。 与其他嵌入式 操作系统相比， Win dows CE又为开发人员提供了友好的开发工具，可帮助开发 人员简化开发流程并提高开发效率。与PC机上的应用程序开发不同，如果要开发一个嵌入式系统，硬件开发和 软件开发都是必须考虑的内容。从嵌入式软件开发过程来说需要做的工作主要有 以下几个方面：1.驱动程序开发2.平台定制3.应用程序开发四、车载网络的仿真和验证车载网络系统开发是一个 V型流程，有两个

20、环节需要用在仿真和验证，通 过仿真和测试来完成车载网络系统验证。对实时性分析来说，我们通常叫 OPNET，实时特性分析对要求比较高的是车载网络系统基本功能要求，可以采 用定性分析方法，更多采用定量分析法，有测量法，数学分析法、仿真模拟法。 还有CANoe进行实时性仿真分析，通过建模采用这个工具证明是有效的，可以 完成车载网络系统分析，这是特定概率分布下车载网络系统的实时性仿真与分析 图，得到一些数据与测量对比可以满足要求。要进行功能仿真，电动汽车制动系 统仿真，主要是仿真驾驶员意图和执行力的问题，响应时间和能否达到制动效能， 比如说制动距离和制动时间，这就可以采用 Simulink进行仿真，要

21、建立正确的 数学模型才可以仿真，这也是最有效的仿真方法。除此以外，也可以把这个车载 网络系统功能、性能和网络性能同时进行仿真，这个叫基于 CANoE-Matlab的 联合仿真， 采用这样一种方式仿真， 既可以检验它的功能是否达到要求， 同时也 可以考验它的网络性能是否达到了要求。车载网络系统测试一般分为三个测试： 1、单独 ECU 测试，保证它是符合 要求。 2、通过硬件在环测试仿真， 3、通过实车测试。汽车实车考验是非常重 要的。目前车载网络系统能够专用测试有 Vehicle Spy 和CANoe这是基于Vehicle Spy的车载网络系统硬件在环测试平台，专门使用neo的软件进行仿真， 这

22、是仿真基本平台要求， 构建一个虚拟系统， 通过报文配置、 面板配置来做到测 试的工作。结语随着汽车对安全，节能、环保、舒适要求的提高，多功能以及精确控制使得 汽车电子控制单元大量引入。 各电子控制单元之间需要数据信息共享以及大量的 控制信号实时交换，使得车载网络应运而生。 虽然欧美汽车已大量使用车载网络， 但在我国使用车载网络实现各种功能应用实例还比较少。 CAN总线是在欧美国家广泛使用的一种车载网络技术， 已形成国际标准。我国正在制定相关的应用标准。 CAN总线具有高保密性，高可靠性和实时性的特点，必然也将在电动汽车领域得 到很好的运用和发展。摘要1边永超, 毕经平.基于 IPv6 的电动汽

23、车状态感知系统中国科学院计算技 术研究所,北京100190,中国）20112张宇. 基于 CAN 总线的电动汽车车载监控终端研究 :（ 硕士论文）. 北京： 首都师范大学， 20093朱小春，邱浩，纯电动汽车动力系统CAN总线车载网络技术 现代商贸工业 20124周振.基于CAN总线的车身控制模块:（硕士论文）.南京：南京航天航空 大学， 20095张勋勇.基于GPRS的电动汽车车载通信终端及其通信协议的开发研究:（ 硕士论文）. 天津：天津大学， 20106刘梅英.车载系统CAN通信实现及上位监控系统设计:（硕士论文）.北京：北方工业大学， 20097胡杰强.HNSAE09062电动汽车车载

24、网络研究J.湖南省汽车工程学会第 六届学术研究讨论会 ,20098杨鸿铭，李优新，黎勉，姚震基于组态软件的电动汽车 CAN总线网络 设计 J ，机械工程技术 ,2010-39-19刘清河，孙泽昌 . 燃料电池汽车并行复合制动系统开发 J. 高技术通 讯,2010-20-110夏德建.电动汽车研究综述 J. 能源技术经济， 2010-7-2211陈宅明，崔玲玲 . 汽车车载网络的应用与发展 J. 工业技术， 201012张阿玲, 柴沁虎 , 申威. 氢动力汽车和电动汽车在中国的应用前景分析J.清华大学学报（自然科学版），2009-49-913王艳阳 . 汽车车载网络的应用初探 J. 中国新技术新产品， 2009