燃料电池电动汽车控制系统

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4 VCU与FCU通信

整车控制系统包括燃料电池发动机控制单元和车辆与能量分配控制单元。这两个控制单元间的信息交换采用CAN总线实现。具体控制关系如图4-1所示

CAN BUSFCUVCU燃料电池双向DCDC BUS图4-1 VCU与FCU通信系统结构框图

VCU是整个车辆的控制核心，只要燃料电池发动机和蓄电池组的工作状态允许（无故障出现），它就根据车辆操作人员的操作要求来控制主动力源燃料电池发动机和辅助动力源蓄电池组的能量流动分配和电机的工作模式（电动/发电）、扭矩、转速。具体的控制过程的实现是VCU通过对运行中车辆的档位位置、加速踏板位置、刹车开关位置、车速、DC BUS的高压电压和12V低压的数据实时采集，以及由CAN总线实时接收燃料电池发动机的状态参数，VCU综合上述数据直接控制数字电机控制器，以达到对电机的控制目的，与此同时通过CAN总线与FCU通信，由FCU控制燃料发动机的功率输出。FCU在收到来自VCU对能量要求的信号后，会即刻调整燃料电池的工况和DC-DC的转换功率。燃料电池发动机的启动、功率输出、关机均受VCU的指挥，在燃料电池工作过程中若燃料电池发动机出现故障出于自我保护可先停机，再通知VCU，此时车辆还可以依靠蓄电池组继续工作。

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4.1 CAN总线通信技术

现场总线是电器数目增加最有效的解决方案，它是一种应用于现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信技术。它是一项主要研究在智能传感器、微控制器、执行器之间数据通信方法的综合技术，现场总线是当今自动化领域技术发展的热点。它的出现与发展，为分布式控制系统实现各节点之间实时可靠的数据通信提供了强有力的支持。

4.1.1总线介绍

现场总线(Field Bus)[25]是在80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

目前国际上存在几十种现场总线标准，比较流行的主要有FF（基金会现场总线）、CAN（Controller Area Network控制器局域网）、Lon Works、Profibus、LIN等[9]。

CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初CAN被设计作为汽车环境中的微控制通信，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入CAN控制装置。CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，具有可靠性高、成本低、配置灵活、数据传输距离远、数据传输速率快等优点，已经成为汽车上应用最广泛的现场总线，而采用CAN节点控制，可以避免线束的重复铺设，提高可靠性和降低成本。

CAN由德国BOSCH[27]公司最先提出，在80年代末就应用于汽车上。当时由于消费者对汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线，有利于车载电子各控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。于是，设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN已发展了国际标准ISO11898和ISO11519，分别适用于高速和低速应用场合。由于CAN总线具有很高的实时性能，因

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此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用，比如发动机管理系统、变速器控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。

4.1.2 CAN总线的技术特性

CAN总线的主要技术特性可概括如下：

(1)CAN总线为多主站工作方式，网络上的任一节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。

(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。

(3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响继续传输数据。

(4)通信速率在250kb/s的情况下，CAN的直接通信距离最远可达100米，在汽车应用中已经足够了。

(5)CAN只需通过报文滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门“调度”。

(6)CAN总线每帧数据都含有CRC校验及其他校验措施，数据出错率低。 (7)当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力[1]。

4.1.3 CAN总线的技术规范和网络协议

CAN总线的规范可以追溯到1991年9月Philips半导体公司制定并发布的CAN技术规范（Version 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了CAN报文标准和扩展两种格式。

CAN总线上不同格式的信息叫做报文。报文是CAN总线通信的一个基本单位（帧）。报文中采用的具体格式就是帧格式。在CAN总线通信系统中，报文有4种帧格式，以分别用于CAN节点间数据交换和数据控制。

(1)数据帧。将数据由发送器传至接收器，包含需要传送的参数数据。 (2)远程帧。由某个CAN节点发送，以请求发送具有相同标志符的数据帧。 (3)出错帧。由任何检测到总线错误的单元发送。

(4)超载帧。用于提供当前的和后续的数据帧之间的附加延迟。

数据帧和远程帧均有标准格式和扩展格式，它们之间的主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。虽然标准帧是短结构，传输时间短，但是对于复杂的系统11位标识符可能会不够用，所以SAE J1939标准中建议采用扩展帧，并且此协议完全是基于扩展帧来定义和规定的。

一个完整CAN通信协议包括了很多方面的内容（物理层、数据链路层等）。目前由于物理层和数据链路层的实现可以通过集成的芯片来独立完成（这方面的具体工作变成

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了如何选择芯片、如何进行抗干扰设计的问题），所以协议的重点应该是对数据帧的扩展格式进行具体的规定。

扩展格式是由仲裁场（主要是29位标识符）、最多8个字节的数据场、控制场、CRC场等组成的。其中，控制场只给出数据场的字节长度等辅助信息，CRC场中循环冗余码是由CAN控制器芯片自动计算得出。所以，真正需要定义的是仲裁场中的29位标识符和数据场中具体的数据格式[1]。

4.1.4 CAN总线在汽车上的应用

目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s；另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。

驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器（ECU）、ABS控制器、安全气囊控制器、组合仪表等等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN主要连接和控制汽车内外部照明、灯光信号、雨刮电机等电器。

目前，驱动系统CAN和车身系统CAN这两条独立的总线之间设有\网关\，以实现在各个CAN之间的资源共享，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。驾车者只要看看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作了。

4.2 CAN主要功能模块

4.2.1 CAN控制器

CAN就是一种适合工业现场控制的计算机局域网。在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可缺少的部分，也是网络协议中最复杂的部分。CAN控制器就是扮演这个角色，它是通过一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的物理线路接口。通过对它的编程，CPU可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础之上。

SJA1000是一种独立的CAN控制器[28]，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它是Philips半导体公司PCA82C200 CAN控制器的替代产品，而且它增加了一种新的操作模式——PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0协议。

SJA1000的基本特性如下：

(1)引脚与PCA82C200独立CAN控制器兼容。 (2)电气参数与PCA82C200独立CAN控制器兼容。 (3)具有PCA82C200模式。

(4)有扩展的接收缓冲器64字节，先进先出（FIFO）。 (5)支持CAN2.0ACAN2.0B协议。 (6)支持11位和29位标识码。