基于CAN总线的纯电动汽车动力总成试验台测控系统的开发 黄万友;程勇;纪少波;李闯;张笑文;王宏栋
【摘 要】气泵接头For meeting the requirements of networking and intelligentization of the data collection and control system of a test bench for the powertrain assembly of an electric vehicle, a CAN-bus-based communication conversion and data acquisition unit for the test bench is developed with Infineon XC164CM processor as its core, achieving the data information sharing among knots in the controller of test bench. The CAN network application layer protocol of the test bench is designed based on protocol SAE J1939. The basic architecture frame of the data acquisition and control system for test bench is constructed and the required functions of communication and control are realized. Finally the implementation scheme for the data collection and control system is described in detail by taking an intelligent battery discharge unit as an example, and the feasibility and effectiveness of the system is verified by the discharge test of power batteries.%为满足纯电动汽车动力总成试验台数据采集与控制系统网络化和智能化的需求,以英飞凌XC164CM单片 机为核心,开发了基于CAN总线的试验台通信转换与数据采集单元,达到试验台各控制器节点间数据信息共享；以SAE J1939为基础,制订了试验台CAN网络应用层协议；构建了试验台数据采集与控制系统的基本结构框架,实现了所需的通信与控制功能.最后以智能型放电仪为例,对数据采集与控制系统的实现方法进行了详细描述；并通过动力电池放电试验,验证了系统的可行性和有效性. 【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2012(034)003
【总页数】6页(P266-271)
【关键词】纯电动汽车;试验台;测控系统;CAN总线
【作 者】黄万友;程勇;纪少波;李闯;张笑文;王宏栋
【作者单位】山东大学能源与动力工程学院,济南250061;山东大学能源与动力工程学院,济南250061;山东大学能源与动力工程学院,济南250061;济南市电动汽车运营有限公司,济南2
波峰焊锡条50014;济南市电动汽车运营有限公司,济南250014;山东久力电子科技有限公司,枣庄277800
【正文语种】中 文
前言
控制器局域网(CAN)总线是目前汽车上应用最广泛的现场总线。针对内燃机汽车，美国汽车工程师协会(SAE)制订了适用于载货车和大客车的J1939协议，并得到了广泛应用［1－2］。本文中基于 SAE J1939通信协议，设计了纯电动汽车动力总成系统试验台CAN网络，制订了网络应用层协议，采用工控机和信息单元对试验台智能型放电仪、试验电源、电机控制器和电池管理系统等节点进行分布式的集中控制［3］，把分散的设备通过CAN总线连接起来，从而实现试验台数据采集及控制系统的网络化和智能化。在试验台上进行了动力电池组放电试验，通过试验考核了开发的数据采集和控制系统的可行性。
键盘清洗机1 纯电动汽车动力总成系统试验台结构
纯电动汽车动力总成系统试验台由电源系统、驱动电机系统、数据采集控制系统和测功机系统等组成。试验台数据采集及控制系统结构见图1。
图1 试验台数据采集及控制系统结构示意图
试验台中CAN总线数据链路层的规定主要参考CAN2.0B和SAE J1939的相关规定，总线通信速率为250kb/s，使用CAN扩展帧的29位标识符。其中，优先级为3位，消息优先级可从最高0设置到最低7，试验台中控制消息的优先级是3，其余消息的优先级设定为 6［4］。
参考SAE J1939［5］、电动汽车非车载传导式充电机和电池管理系统通信协议［6］，并结合试验台控制器实际情况，试验台节点源地址定义见表1。其中，新定义的节点地址从SAE J1939标准中保留为未来公路设备用的自配置节点地址空间中定义。
表1 试验台CAN网络节点地址分配表新增定义测功机控制系统 131(0x83)电机控制器试验电源 132(0x84)工控机1(用于试验台控制)133(0x85)智能放电仪 134(0x86)试验台数据采集系统 135(0x87)工控机2(用于试验台监测显示)136(0x88)
升频试验台各设备分别采用了CAN总线、485总线和232总线等不同的通信方式，并且试验台在运行过程中，除通过通信方式获得各设备实时运行数据外，还须实时采集电机转速、电机转矩、驱动电机输入电压、输入电流和电机定子温度等信息。为此，开发了基于CAN总线
的信息采集和通信转换信息单元。其中，测功机控制系统(485通信)和电机控制器试验电源(232通信)共用一个信息单元;电池管理系统(485通信)和智能放电仪(232通信)共用一个信息单元;转速转矩测量仪(232通信)和试验台数据采集单元使用一个信息单元;整车控制器、电机控制器和充电机等设备已经采用CAN总线通信控制，可直接使用;工控机通过CAN卡作为CAN节点实现对数据的集中采集以及试验台系统的控制。
2 系统硬件电路设计
通信转换信息单元包括双路高速CAN通信、485通信和232通信功能，并具备8路模拟信号输入和8路数字信号输入输出能力;数据采集单元主要完成Pt100温度信号调理、电压与电流信号调理和交流接触器辅助触点信号控制。
微型键盘2.1 试验台通信转换信息单元电路设计
2.1.1 电源模块
微处理器XC164CM采用双电源供电，内核电压为2.5V，IO和ADC电压为5V。信息单元电源采用DC7～30V外部单电源供电，内部采用两个集成稳压器TLE4275和 LM1117－2.5V
分别得到5V和2.5V电源。外部电源接入后经二极管向TLE4275G供电，电路具有电源反接保护功能。
2.1.2 微处理器模块
信息单元采用英飞凌XC164CM-8F40F 16位高性能单片机作为主控制芯片，其速度快、可靠性高，包含64kB片内FLASH，定时处理单元，A/D转换模块，2路CAN控制器和2路ASC串行通信接口。
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2.1.3 CAN通信接口模块
为实现试验台各设备的有效控制和管理，信息单元采用CAN总线进行控制器间信息交换，实现信息共享。其物理接口采用CAN总线收发器PCA82C250，可提供差分CAN总线信号，是CAN控制器和物理层之间的接口，具有抗瞬间干扰和保护总线的能力［7］。设计的CAN总线接口电路如图2所示。
图2 CAN总线通信接口电路
为使信息单元不间断和无差错地工作，CAN总线收发器PCA82C250和微处理器XC164CM-8F40F之间采用B0505S-1W隔离电源及高速光耦HCPL0600进行电气隔离。
2.1.4 485和232串行通信接口模块
交流电力测功机控制系统和电池管理系统等设备采用485总线进行通信，而试验电源、智能放电仪和转速转矩测量仪等设备采用232总线进行通信，为实现试验台设备的远程通信控制和运行信息的有效采集，信息单元采用设计有485总线和232总线接口的MAX485芯片和MAX232芯片。
2.1.5 模拟量和数字量接口
为完成试验台驱动电机的输入电压、输入电流和电机定子温度等信息的有效采集，设计有模拟量输入接口，输入信号量程为0～+5V。电路设计中考虑模拟量过压保护和输入滤波，由电阻和电容等组成一阶低通滤波器，可根据输出信号频率要求，选择合适的滤波参数。
2.2 试验台数据采集单元电路设计
试验台运行过程中，大部分参数由设备本身采用CAN总线通信方式输出，进而通过信息单元发送CAN信息到工控机2。为使试验台使用时更具有通用性，电机定子温度、母线电压和母线电流等参数，由单独的传感器进行测试，同时，数据采集单元还集成有继电器和功率器件的控制电路。
2.2.1 PT100信号调理电路
试验台数据采集单元须对预埋在驱动电机定子内的两路温度传感器信号进行测试，温度传感器为PT100，采用惠斯通电桥原理对PT100传感器信号进行处理。为减小引线电阻对测试结果的影响，电路设计时采用了三线制接法。使用效果表明，设计的调理电路一致性好，测试数据的稳定性和可靠性高，满足试验台的精度要求。
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