摘 要：電動車的電器電子系統(tǒng)非常復(fù)雜，為了有效地提高電動車的可靠性和實現(xiàn)電動車的綜合控制功能，本論文介紹了一種三級總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，該體系將整個電動車的電系統(tǒng)分為三層：底層、中間層和上層。這三層通過整車綜合控制器統(tǒng)一控制協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了電動車的電池電壓監(jiān)控、電動機的監(jiān)測與故障診斷、高壓安全的檢測與應(yīng)急控制、調(diào)度服務(wù)系統(tǒng)的通訊接口等功能，該系統(tǒng)目前正應(yīng)用于國家“863電動汽車重大專項”的項目上，在公交車上試營運。 關(guān)鍵詞：電動車、網(wǎng)絡(luò)，CAN總線 [b][align=center]Study of Electric Vehicle synthesizing network system JiangYin Polytechnic College zhang Wei[/align][/b] Abstract:The electric and electronic system is very complex in electric vehicle,to fulfil the integration control function and improving reliability ,we designed a three grade network struture,this system partition electric system into three lays:bottom lay,middle lay and top lay.The three lays is controlled by vehicle controller,the system carrys out many functions:monitering battery voltage,motor monitering and diagnosis,high voltage monitering and emergency dealing,communication with dispatch system and so on.This system was developed for project of nation high technology plan of 863,and is running in BeiJing 121 Road bus line. Keywords:electric vehicle,network,CAN Bus 1.概述 　　由于環(huán)境保護與能源危機問題，以及傳統(tǒng)汽車消耗大量石油，造成我國每年需要進口石油一億噸以上，開發(fā)電動汽車技術(shù)是我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，國家在“十五”計劃中，成立了“863電動汽車重大專項”項目，本論文就是在此背景下開展了純電動車整車綜合控制技術(shù)研究。 　　純電動汽車系統(tǒng)包括電池及其管理系統(tǒng)、電機及其控制系統(tǒng)、充電機的信號監(jiān)控、信號檢測與控制系統(tǒng)等，電動車還要求與車輛調(diào)度系統(tǒng)通訊，實時將車輛的位置、剩余電量等數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，甚至還要求將電動車的各種工作數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，調(diào)度中心通過這些數(shù)據(jù)就可以了解當前汽車的狀態(tài)，為車隊的調(diào)度以及故障維修提供原始數(shù)據(jù)，可見，整車系統(tǒng)還必須提供與調(diào)度系統(tǒng)的通訊接口。由于電動車本身的復(fù)雜性，電動車的維修與診斷也非常困難，因此必須有在線的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)視窗口，研制車載信息顯示是必要的，這就要求電動車綜合控制系統(tǒng)帶LCD系統(tǒng)以及按鍵輸入，實現(xiàn)人機接口功能。 　　采用網(wǎng)絡(luò)方案是解決電動車復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展也為電動車綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了條件，強大的微處理器往往帶有各種功能的接口，包括通用的異步串行口UART，高速通訊的CAN總線等，采用差分驅(qū)動技術(shù)，可以提高這些總線在電動車上的抗干擾性能，使得這些總線在電動車上的使用成為可能。電動車不但電氣系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，而且電氣環(huán)境也非常惡劣，最高電壓高達500多伏，而且由于電動機的斬波控制，引起系統(tǒng)的高頻干擾常常使車載電器系統(tǒng)工作失靈，因此，要求整車控制系統(tǒng)有很高的可靠性。 　　電動車電氣系統(tǒng)的開發(fā)往往是由多個單位協(xié)調(diào)同步協(xié)調(diào)進行，其中關(guān)鍵是各個單位必須遵循共同的通訊協(xié)議，在整個通訊系統(tǒng)中，整車控制器是核心，負責(zé)對各個零部件的管理，因此，通訊協(xié)議是否科學(xué)，決定了最終系統(tǒng)的性能。 2.電動車綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　本項目采用圖1所示的三層綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成功地實現(xiàn)了整個電動車的綜合控制，將電動車的各個部分組成為一個完整的有機整體。圖1中的三層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊層面進行劃分，最底層是局部管理系統(tǒng)，如電池管理系統(tǒng)，電池內(nèi)部采集與控制系統(tǒng)、電機內(nèi)部采集與控制系統(tǒng)等，這部分的總線方式靈活多樣，本項目中，由于電池數(shù)量非常大，采用廉價但可靠性高的RS485總線是為了降低成本，便于大批量產(chǎn)業(yè)應(yīng)用;中間層是整車信息管理系統(tǒng)，包括與各個部件的通訊接口，如電機控制器接口、整車前部采集控制站點接口、整車后部采集控制站點的接口，還包括整車信號的直接采集，中間層的通訊速率與可靠性要求非常高，因此采用CAN總線接口方式;最上層是人機接口與通訊擴展接口，這部分實現(xiàn)電動車狀態(tài)顯示，幫助駕駛員實時了解電動車的狀態(tài)，同時監(jiān)視電動車的故障，如當前的電池狀態(tài)、電機狀態(tài)、整車狀態(tài)等，如果發(fā)生故障，可以實時顯示故障信息，通過大屏幕彩色液晶顯示與操作按鈕，方便了駕駛員對電動車的使用。同時，上層網(wǎng)絡(luò)還是綜合通訊的接口，包括與地面充電站的通訊，及時報告當前電池狀態(tài)，防止發(fā)生過充電的危險;上層通訊還包括與調(diào)度系統(tǒng)的通訊，及時向交通系統(tǒng)匯報當前電動車的狀態(tài)，接收綜合調(diào)度系統(tǒng)的指令;上層通訊系統(tǒng)還是電動車調(diào)試與研究的通訊接口，通過該接口，可以接入PC機，通過PC機記錄各種電動車數(shù)據(jù)，如記錄電動車運行工況、電動車電池實用過程中的歷史數(shù)據(jù)等，為了便于PC機接入整車綜合信息系統(tǒng)，本項目還開發(fā)了CAN總線與USB總線的接口，可以用PC的USB接口直接與CAN總線接口。 　　本系統(tǒng)還實現(xiàn)了電動車整車網(wǎng)絡(luò)布線。整車的各種控制信號不是直接通過電纜連接到被控設(shè)備上，而是首先將該信號送到電動車前部采集控制站點中，由前部采集站點采集該信號，然后在本地輸出或通過CAN總線發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，由后部采集控制站點或其它站點輸出。通過這種方式控制，由以下優(yōu)點：⑴整車控制器可以實現(xiàn)對全部的車上信息進行監(jiān)視，實現(xiàn)整車的綜合故障診斷;⑵簡化了整車的布線，電動車的前部與后部只有CAN總線相連，提高了電動車的可靠性，簡化了生產(chǎn)工藝;⑶便于電動車的維修。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是如何保證通訊的可靠性，從而防止系統(tǒng)發(fā)生誤操作。本項目通過自定義的CAN總線通訊協(xié)議、閉環(huán)的通訊檢驗方式，保證了通訊可靠性;在防止系統(tǒng)誤操作與死機等故障方面，應(yīng)用故障保護與意外處理等軟件與硬件技術(shù)可以使系統(tǒng)即使在發(fā)生故障的情況下，可以在0.1秒的時間內(nèi)恢復(fù)正常，在硬件發(fā)生致命故障時，保證系統(tǒng)處于安全模式。 　　電池管理系統(tǒng)是整車綜合信息系統(tǒng)的一部分，是解決電動車充電安全性、使用經(jīng)濟性、增加電動車續(xù)駛里程的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是如何解決電池組整體電壓高達380伏以上，而單節(jié)電池電壓只有3.0伏以下的矛盾，還有一個關(guān)鍵問題是如何降低系統(tǒng)的硬件成本，提高系統(tǒng)的可靠性，由于電池數(shù)量多達300多塊，如何降低單節(jié)電池的檢測成本非常關(guān)鍵。本項目通過高速開關(guān)技術(shù)、高精度A/D技術(shù)、光電隔離技術(shù)、瞬態(tài)干擾抑制技術(shù)、高集成度單片機技術(shù)、數(shù)字化溫度傳感器技術(shù)、以及高可靠性電源技術(shù)等的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了高速高精度地對每節(jié)電池的端電壓檢測、電池組溫度檢測，并可以控制電池組的風(fēng)扇，防止電池出現(xiàn)高溫。 [align=center] 圖1 整車綜合控制系統(tǒng)組成[/align] 　　整車網(wǎng)絡(luò)的劃分主要考慮電動車的功能與產(chǎn)業(yè)化等要求，從圖1可以看到，一些關(guān)系到整車安全的部件，都直接由整車控制器來管理，屬于第二層，對于大量數(shù)據(jù)通訊，而且要求實時性非常高的部分，也在第二層完成;對于實時性要求不高的則放置再第三層，如人機接口部分、調(diào)度接口部分、調(diào)試接口等;對于數(shù)量大，實時性不高的電池管理系統(tǒng)，則通過廉價的RS485總線實現(xiàn)，從而有利于電動車的產(chǎn)業(yè)化。 [align=center] 圖2 電動車整車網(wǎng)絡(luò)布線圖[/align] 　　系統(tǒng)在車上的布置如圖2所示。該車是為北京科技奧運準備的11米低地板公交車，采用鋰離子電池供電，電池按箱存放在車底，共計分裝在10箱中，在每個電池箱上安裝有電池管理模塊，該模塊的功能是檢測每塊電池的端電壓與電池的溫度，同時對電池溫度進行控制，電池箱中間通過RS485總線連接到整車控制器上。全部檢測模塊583與后部檢測模塊583、以及電機控制器以及CAN擴展模塊都接在CAN總線模塊上，該總線同時連接到整車控制器上，受整車控制器的統(tǒng)一控制;整車的人機接口通過RS232總線連接，該接口實現(xiàn)整車的信息顯示，屬于網(wǎng)絡(luò)的第三層，與調(diào)度系統(tǒng)的通訊通過CAN總線擴展實現(xiàn)。 3.電動車綜合控制器組成 　　整車控制器是電動車的核心，負責(zé)整車的信號采集與控制，是通訊的中心，屬于三層網(wǎng)絡(luò)的第二層，擔(dān)負著與電池管理系統(tǒng)的通訊與控制、電機系統(tǒng)的通訊與控制、以及人機接口等。本項目采用Motorola公司的DSP作為控制器的CPU，該CPU的程序存儲器全部在芯片內(nèi)部，CAN2.0B總線集成在芯片內(nèi)部，芯片還有12位的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。秉承 Motorla公司MCU高可靠性的特點，該CPU特別適合于電動車這樣高干擾的場合應(yīng)用。 　　如圖3所示，本系統(tǒng)包括12路開關(guān)量輸入，該系統(tǒng)通過光電隔離進入CPU的端口，開關(guān)量包括制動開關(guān)、前進開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、大閘開關(guān)等;8路模擬量輸入，包括油門開度;制動深度、前部懸掛氣壓、后部懸掛氣壓、低壓電器的電源電壓等;8路脈沖量輸入主要用來采集車輪輸出的脈沖信號，從而得到整車的行駛速度與行駛里程;繼電器控制輸出用于控制高壓短路器是否工作，如果檢測到高壓安全故障，自動切斷高壓電，從而保證系統(tǒng)的安全與乘員的安全。 　　通訊是整車控制器的重要功能，從圖3可以看出，整車控制器通過CAN總線、RS232總線與RS485三種通訊方式，為了提高系統(tǒng)的可靠性，所有的通訊口都加裝了安全保護電路，滿足電動車惡劣的電氣環(huán)境。 [align=center] 圖3 電動車整車控制器組成框圖[/align] 4.結(jié)論 　　電動車的綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簡化路電動車的硬件電路，使得電動車這個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，通過不同的模塊分別實現(xiàn)功能，模塊之間再通過總線連接在一起，在整車控制器的協(xié)調(diào)下工作，使得電動車各個系統(tǒng)成為一個有機的整體，一方面實現(xiàn)了電動車的各種功能，保證了電動車的安全性，為電動車商業(yè)化營運打下技術(shù)基礎(chǔ)，另一方面，由于采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，大大加快電動車的開發(fā)進度，將電動車系統(tǒng)功能模塊化，將相對獨立的系統(tǒng)交給其它專業(yè)單位開發(fā)，這對保證電動車的開發(fā)進度與性能的可靠性具有非常重要的意義。目前，安裝有本系統(tǒng)的電動車已經(jīng)有30多臺，并且正在北京的公交線路上試營運。