基于CAN總線的電動汽車電源管理通信系統(tǒng)設計

隨著石油價格的上漲以及環(huán)保要求的提高，電動已經(jīng)成為是未來汽車發(fā)展的一個重要方向。對于以電池供電的全電動力系統(tǒng)或者以發(fā)動機和蓄電池混合動力系統(tǒng)而言，電源管理系統(tǒng)設計是關系車輛性能的一個重要因素，設計時需要考慮綜合車輛總體設計方案和外部使用環(huán)境，為了節(jié)約電源，還需要設計一定的控制策略保證電源的最佳利用。所以很有必要對全電車輛的電源管理系統(tǒng)進行深入探討。

1，電動汽車能源管理的重要性

電動汽車的電源管理，主要作用在于充分發(fā)揮燃料的燃燒效能，使發(fā)動機在最佳工況點附近工作，并通過電動機和蓄電池的能量儲備與輸出，及時調(diào)節(jié)車輛運行工況和外界路面條件之間的匹配關系。經(jīng)過十多年的發(fā)展，電動汽車的動力系統(tǒng)設計方面，目前最有實用性價值并已有商業(yè)化運轉(zhuǎn)的模式，只有混合動力汽車?；旌蟿恿ο到y(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。所以，這里只考慮混合動力系統(tǒng)的電源管理情況?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的電源管理，從功能上而言，需要實現(xiàn)如下兩個目標：

（1）保證發(fā)動機的最佳工況，避免出現(xiàn)發(fā)動機的低效工作。通?？蓪l(fā)動機調(diào)整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機的輸出來適應各種外界路況變化。例如，當車輛處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，當車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機- 電動機組和電池組共同向電動機提供電能。這樣，由于發(fā)動機避免了怠速和低速運轉(zhuǎn)從而提高了發(fā)動機的效率，不僅減少了廢氣排放，而且節(jié)約了電源。

（2 ）充分利用車輛的慣性能量。當車輛減速、制動或者下坡路行駛時，則由車輪的慣性力驅(qū)動電動機。這時電動機變成了發(fā)電機，可以反向蓄電池充電，節(jié)約了燃料。

統(tǒng)計表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的40％，在市區(qū)還會跌至25％，而采用電源優(yōu)化管理的電動車輛，如豐田的Prius汽車，其動力性已經(jīng)超過同級車水平，燃油節(jié)省75%。

2，電源管理系統(tǒng)的通信需求與CAN 總線技術

電動汽車的電源管理，需要隨時監(jiān)控發(fā)動機、電動機、蓄電池的工作狀況、車輛行駛速度、行駛阻力數(shù)據(jù)以及駕駛員的操作情況，并且能夠根據(jù)上述數(shù)據(jù)經(jīng)過智能化處理后自動控制節(jié)能裝置或者電路工作，所以需要首先解決與能量消耗和能量轉(zhuǎn)換相關的部件運行狀態(tài)傳感器的連接方式。

目前，汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信主要采用CAN 總線技術，該總線技術最早由德國BOSCH 公司推出，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題。利用CAN 總線開發(fā)的電動汽車電源管理系統(tǒng)，不僅通信速率高、準確、可靠性高，而且易于與整車控制網(wǎng)絡相兼容，為傳感器信號、各個控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎平臺，所以本課題中，采用CAN 總線作為電源管理的基本通信技術。

3，基于CAN 總線的能源管控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

電動汽車底盤部分耗能與節(jié)能系統(tǒng)連接起來形成的基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示，共包括制動能量轉(zhuǎn)換裝置、動力總成、電池管理、電機控制器、行駛阻力測試幾個下位關鍵監(jiān)測節(jié)點和一個由車載計算機系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點。

圖1 基于CAN 總線的能源管控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

制動能量轉(zhuǎn)換裝置與駕駛員的操控監(jiān)測系統(tǒng)、電池電機控制器共同工作。當駕駛員踩踏制動踏板時，首先制動電機靠近待制動的旋轉(zhuǎn)器件，如傳動軸，消耗車輛慣性能量，并轉(zhuǎn)換為電能，同時操控監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到制動踏板動作時，對電池充電電路進行調(diào)整，實現(xiàn)制動電機傳遞過來的電能的存儲。

動力總成系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)發(fā)動機工況的優(yōu)化運行。在正常行使的情況下，發(fā)動機的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進系統(tǒng)，驅(qū)動車輛正常行使，另一路則帶動電機工作，向蓄電池供電。此時，電機與電池構(gòu)成的輔助動力系統(tǒng)相當于一個能量調(diào)節(jié)裝置，通過電池電機控制器和行駛阻力測試裝置，根據(jù)外界路況的變化，實現(xiàn)發(fā)動機兩路輸出能量的調(diào)整和分配。

通過CAN總線，車載計算機系統(tǒng)構(gòu)成的上位主控節(jié)點把整個能源管控網(wǎng)絡連接起來，通過專門的軟件系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制策略的輸出，實現(xiàn)外界行駛阻力與發(fā)動機能量調(diào)整之間的優(yōu)化匹配，實現(xiàn)車輛內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換利用，實現(xiàn)電機、電池系統(tǒng)的節(jié)能、蓄能和補充能量的調(diào)節(jié)作用。