新能源纯电动汽车CAN网络应用层协议介绍
CAN通信
一、CAN协议介绍
随着功能的不断增加、可靠性要求的不断提升以及价格的不断下降 ,越来越多的电子控制单元 (ECU,electronic control unit) 被应用于汽车控制环境 。总线技术将众多的 ECU 组建为车内网络而进行数据通信和数据共享 ,能够减少车载线束的布局 ,实现整车的智能状态控制和智能故障监测。
CAN 2.0 协议只定义了 OSI 七层模型中的最底两层—— 物理层与数据链路层规范 ,目前的 CANopen 、DeviceNet 、 ISO14229 、 SAE J1939 等开放式高层协议在通信方式、传输模式、功能划分以及应用领域方面进行了详细规划。其中 J1939 协议适用于中重型道路车辆 , 涉及物理层、数据链路层 ( 协议数据单元、多帧报文传输 ) 、网络层 ( 网段互连设备 ) 、应用层 ( 参数组和参数规范 ) 、网络管理和诊断服务 。国内对于应用层协议的研究还主要集中于理论方面。对于电动汽车来说 ,由于控制系统和传动系统的差异, 尚无既定协议可以借鉴 ,但不能照搬 J1939 协议。本文在详细研究和分析 J1939 等协议的基础上 ,展开对电动汽车应用层协议的相关研究。
二、电动汽车 CAN 网络
电动汽车结构复杂 , 比传统内燃机汽车增加了电力驱动模块、电池模块等辅助设备 。涉及的电动汽车 CAN 网络主要包括车辆能源总成控制单元VCU 、电机控制单元 MCU 、电池控制单元 BCU 、发动机电子油门控制单元 TCU 、辅助电器控制单元ACU 、显示控制单元 DCU 、变速器控制单元 CCU 、制动控制单元 BECU;其中 VCU 是整个控制网络的核心 如图 1 所示 , 负责全局传感器参数的收集、执行器工况的获取以及控制策略的广播等任务。
图1 典型电动汽车网络拓扑结构
三、应用层协议的研究与分析
CAN 总线应用层协议的设计总体目标是使网络中各节点之间通信更加顺畅、可靠 ,且能降低总线负载率 , 最大限度地发挥 CAN 总线的优异性能 。CAN 总线应用层并不定义和描述应用程序参数 ,其提供通讯功能与应用程序的通讯接口 , 包括：定义通讯服务、传送过程数据、诊断信息、标定信息和网络管理等。其中的基础和关键内容包括标识符定义与数据域分配。
定义电动汽车正常运行过程的 5 种消息类型：控制消息、状态消息、测量消息、报警消息、广播消息。对于重要信息 ( 如报警信息 ),需采用应答机制在传输层通过时序控制来实现。针对系统在诊断和测试过程中产生的多字节与多帧数据 ( 大于 8 字节 ),需进行报文拆分与重组。基于以上分析及详细研究SAE J1939 等协议的基础 ,采用 29 位扩展帧格式进行电动汽车应用层标识符与数据域分配。
1 、应用层协议标识符分配
CAN 协议规定标识符 ID 越小 , 报文优先级越高 ,优先获得总线使用权 , 故 ID 决定了报文的优先级和总线等待时间 ; 同时其分配方案影响了通信结构的合理性、 ID 使用的效率、报文滤波的适用性等 。确定 ID 时需考虑以下情况：
1)报警消息优先级应最高 ;
2)高频率报文优先级低于频率报文优先级 ;
3)重要性报文优先级较高 ;
4) 多帧优先级高于单帧 ;
5)高实时性报文优先级较高。 29 位 ID 分配方案见表 1,其主要分为 7 个部分 ,其中ID4到ID7 设为 000以便于系统进一步扩展。
表1 29 位标识符分配
1.1 报文优先级确定
ID1-ID3 被用于确定报文优先级 ,是根据报文数据长度、重要性、传输频率等综合确定的。通过上述分析 ,报警信息需拥有最高的优先级以保证其信息得到及时处理 ,满足实时性要求 ,控制命令也需要较高的优先级以确保系统正常运行 ,其次分别是广播信息、测量信息和状态信息 。基于上段分析分配详见表 2 。
表2 优先级确认
1.2 源地址与目的地址确定
协议进一步将 ID8-ID13 用于确定报文源地址 SA,ID14-ID19 确定报文目的地址 DA,进而来标识报文的各发送节点和接收节点 ,与 ID1-ID3 结合起来进一步确定报文的优先级 ,以保证在前三位优先级相同的情况下根据报文发送的源节点的不同重新进行总线仲裁 ,故重要节点需分配较小的源地址与目的地址。总线各电控节点的源地址与目的地址的确定是同步的 ,ID8-ID13 共 6 位可以标识 64 个电控节点 ,可满足电动汽车控制系统的需求 , 具体分配方式如表 3 所示。对于广播消息 ,协议规定其目的地址为 1111,确保所有总线 ECU 节点都能接收其报文消息。
表3 源地址分配
1.3单帧与多帧标识
为了规范管理系统运行过程中的多字节数据 ,将多字节数据进行拆分 ,使之成为各个单帧 ,目的节点接收后按照多帧编号进行重组。本协议将ID20-ID22 用于单帧和多帧标识如表 4 所示。
表4 单帧与多帧区分
1.4 应答模式区分与多帧编号
协议将 ID23 用于确定应答或非应答 ,对于报警信息等重要性报文 ,需确保目的节点在规定时间内接收到相关信息 ,否则需进行重发 ,规定 ID23 为 0时需要目的地址接收到报文后发送应答信息 ,为1时不需要发送应答信息。对于传输过程中的多帧 ,为了便于接收节点完全接收后进行重组 , 将 ID24-ID29 用于对多帧数据从小到大进行编号 ,ID24-ID29 共 6 位可标识 64 个单帧 ,故每多帧可发送 512 个字节的数据 ,能够满足各种情况下电动汽车的通信需求。
2、应用层协议数据域分配
29 位 ID 标识符将通信系统的各种功能需求和通信策略详细标识 , 数据域 8 字节空间可完全用于装载报文发送数据 , 若出现长度小于 8 字节的报文 ,将剩余字节用 0xFF 填充。在对电动汽车通信过程的详细研究的基础上 , 本文对 CAN 总线各电控节点间的报文类型和字节数目进行了研究和定义如表 5 所示 , 表中 W 代表故障信息。其中车辆能源总成控制单元 VCU 对电机控制器MCU 的控制命令主要有电机期望转速、电机期望转矩、电机状态指令、电机期望速比或档位。 VCU 发给 TCU 的控制命令主要有期望油门开度、最速指令( 以最快速度打到最大开度或最小开度位置 ,用于紧急制动工况 ) 。VCU 发给 BECU 的控制命令包括电机转速、制动器动作信号等。 MCU 发给 VCU 的状态信息主要包含电机实际转速、电机实际转矩、电机当前速比或档位、电机状态、电机电压以及电机故障信息等 ; TCU 发给 VCU 的状态信息包括发动机实际油门开度、电子油门极限位置信息、电子油门故障信息 ; BECU 发给 VCU 的状态信息包括车轮速度、ABS/ASR 状态信息、制动踏板位置等。 其它各 ECU间的报文传输详如表 5 所示。
表5 电动汽车 ECU 间数据传输定义
四、负载率仿真与实时性分析
前述的总线协议能否满足系统通信需求、是否具有可靠性与实时性 , 需要对其进行仿真测试与网络分析。考察 CANoe 中仿真电动汽车控制系统在 3种情况下的总线负载率 ; 并采用 RMA 方法对总线报文实时性进行分析。
1、总线负载率仿真
总线负载率是指总线上单位时间内实际传输的数据量与标准位速率的比值 ( 常小于 30%), 仿真过程中的总线通信速率为 250 kbps 。
1) 周期性消息
周期性消息是最简单、最理想的通信情况 , 仿真将报文发送周期设为 50 ms,总线上共有 14 条报文 ,可得其理论平均负载率为 14.52%,图 2 为在 CANoe中得到的仿真值 , 两值比较接近 , 验证了仿真的有效性。
图2 周期性消息下的负载率
2)周期性消息 + 事件性消息
总线系统在实际运行过程中 ,可能会产生事件性消息 ( 如报警信息 ),这会加大系统的总线负载率如图 3 所示 ,图中最大总线平均负载率为 14.75% 。
图3 周期性与事件性消息下的负载率
3) 周期性消息 + 事件性消息 + 错误性消息总线系统在工作过程中 , 由于总线扰动、振荡器误差等导致其产生错误性报文信息 , 本文在分析过程中产生 5% 的错误性报文以更真实的仿真实际系统 , 由图4可得在 3 种消息下总线最大平均负载率为 15.50% 。
图4 周期性、事件性与错误性消息下负载率
2、报文实时性分析
总线负载率低只能保证系统的可靠性 , 并不能说明总线的实时性 , 即所有总线报文都能否及时传送并被接收。本文进一步采用单调速率分析RMA(rate monotonic analysis) 方法得到各报文的最大延迟时间和总线再加载能力 。总线再加载能力是总线增加报文信息并保证其实时性的能力 , 该值越大实时性越好 ; 发送时间等于总线占用时间 ,最长等待时间是低于该优先级报文占用时间与所有高优先级报文占用时间之和。其中最大延迟时间应小于最大延迟期限与软件抖动时间的差值 ,同时还是总线占用时间与最坏排队时间的和。
用 RMA 方法对各报文信息实时性进行分析得到表 6 。由表可知 , 该协议下总线各报文的最大延迟时间均远小于最大延迟期限 , 报文具有较强的实时性 ;另外可算出再加载能力 a =2.03, 总线具有一定的灵活性和扩充性。
表6 报文实时性分析表 ( 优先级自上到下 )
综合上述对控制系统的总线负载率的仿真和报文实时性的分析 , 发现负载率其均远小于 30% 的界限 ,且报文具有较强的实时性和扩充性 , 能够满足电动汽车实际的控制需求和控制策略 , 即使总线上扩充其它节点 ,其负载率也不会超过 30% 。
五、 总结
鉴于电动汽车的通信需求和控制策略 , 本研究详细分析了其控制系统拓扑结构 , 进而以 CAN 自身底层协议为参考 , 结合 SAE J1939 及其它应用层协议 , 设计使用于电动汽车控制系统的应用层协议。该协议具有灵活性、可靠性、易扩展性及易维修性 ;CANoe 仿真与 RMA 测试验证了协议的可行性与有效性 , 能较好地满足电动汽车控制系统的工作需求。
速锐得解码适配新能源纯电动汽车比亚迪E3车型CAN矩阵协议
在新能源电动汽车中王牌有特斯拉，王朝有比亚迪。在国内，比亚迪顺风顺水，能见度最高的王朝系列拥有EV、双模以及燃油三种能源类型，攻占着全国不同的市场，性价比高的，属于E系列，早期的E6是整个出租车、网约车的首选，现在E系列也推出了高续航版本，把续航里程挤进了400公里。
2017年，速锐得最早解码匹配了比亚迪E5纯电动汽车，后来解码了比亚迪E6，E2，再后来，因为项目需要解码了比亚迪D1。王朝系列，秦、唐、宋、元，海洋系列，海豚、海豹等等。E3则是借助高颜值的外观和实惠的售价，满足了年轻人的需求。动力方面，搭载着高功率70kw、扭矩180N.m永驰同步电机，满足了大部分的出行需求。电池总能量47.3kWh，系统能量密度160Wh/kg，综合工况405公里的续航，它具备快充和慢充接口，价格也做到与紧凑型汽油车同级的水平。
比亚迪电动汽车的OBD接口采用的也是国标接口，但是数据总线输出的CAN信息针脚，与大部分燃油车有不同，早期在比亚迪E5的车上，采用2路CAN设计，引脚采用了OBD第3脚和11脚，这个主要面向动力电池部分的数据，另一路是12脚和13脚，与国标ISO15031-3的区别是，国标采用的是第6脚和14脚，这个就坑了不少的行业朋友。
再次，就是CAN矩阵协议的传输，比亚迪是完全拥有自主的CAN矩阵设计的，因为他们不仅在研发的线路上拥有自己的全产业链，就连生产上也是完全自主的，换个意思说，比亚迪OBD诊断仪都是他们自己做自己的，这个与特斯拉有得一比。这个应该是数据采集获取的第二坑。
第三坑应该给到比亚迪与奔驰联合开发的腾势，OBD接口上引脚虽多，但是没有一个直接广播数据的，那么要想获得新能源车腾势品牌的数据，那么就需要拆掉仪表，从仪表后边接仪表CAN。这个坑可能借鉴了奔驰A级的设计与制造，所以，这个坑对于CAN数据应用及数据分析、科研、高校研究等就变得十分不友好了。接口采用泰科1318384，整组接口40PIN线束基本插满，从这个接口测量CAN线，比较费时费力。
那么，从一款“实惠售价”的比亚迪E3，还是做了不少的改进。首先，他们把OBD的数据归口到国标，直接从OBD接口第6脚、第14脚解码匹配可以获得HS-CAN及MS-CAN相关的车5门状态、引擎盖、车灯拨档开关的位置灯、远近光灯、后雾灯、左右转向、双闪、雨刮开关、车门锁、运动模式CEO、SPORT状态，钥匙状态（OFF,ACC,ON,READY）、刹车踏板幅度、加速踏板幅度、制动踏板开关量、方向盘转向角度、4个档位信号、驻车手刹信号、总里程、车架号、车速、主副驾驶安全带、安全带指示灯、时间、空调温度及风量。
在BMS部分HS-CAN上获得了剩余电量、续航里程、总电压、总电流、电池健康状态、充电状态、单体电池温度、最高单体电池电压、最低单体电压、最高单体电压编号及温度、压缩机控制状态、压缩机实际状态、压缩机目标转速、压缩机实际转速、高压侧电压、高压侧电流、压缩机功率、IGBT温度、EPS、主缸压力、横向加速度、纵向加速度、低压电池电压、1234号单体电压等等。
当下，比亚迪在国内市占率接近天花板，30万以下的基本车型已经超越了合资，从上述技术上看，比亚迪汽车全生命周期的成本优势源自于三电自研、供应链垂直整合，规模效应等等，在国际和国内不惧价格战，未来两个重要增长点可能在高端化车型，比如中国市场的高知优质中产老中年，这个数据他们是有提升的，表现在腾势品牌上电车时代用核心技术重新定义了豪华。
凭借品牌力、技术力、经济性等优势，在东南亚、澳洲、美洲逐步打开了全球市场的渗透率，电池的价格下调，运费回落，实现了更好的单车利润。所以，做比亚迪的数据，也是尤为重要的，一款车的技术、成本、品牌，数据的渗透，意味着更多配套的产品和服务出来。你要知道的一个趋势，比亚迪对传统燃油车企大众、丰田用户进行分流，2022年比亚迪的销量超过丰田，仅次于大众在华的销量，燃油车时代的价值体系往往偏重于更好的操控性、动力性及更优的配置，宝马、奔驰、奥迪市场溢价即在于此，而电动车在综合成本优势直接冲击了燃油车，也逐步构建起自己的价值体系，那就是联网、智能、数据、算力、自动驾驶等核心标签。
速锐得解码适配新能源纯电动汽车比亚迪E3车型CAN矩阵协议
在新能源电动汽车中王牌有特斯拉，王朝有比亚迪。在国内，比亚迪顺风顺水，能见度最高的王朝系列拥有EV、双模以及燃油三种能源类型，攻占着全国不同的市场，性价比高的，属于E系列，早期的E6是整个出租车、网约车的首选，现在E系列也推出了高续航版本，把续航里程挤进了400公里。
2017年，速锐得最早解码匹配了比亚迪E5纯电动汽车，后来解码了比亚迪E6，E2，再后来，因为项目需要解码了比亚迪D1。王朝系列，秦、唐、宋、元，海洋系列，海豚、海豹等等。E3则是借助高颜值的外观和实惠的售价，满足了年轻人的需求。动力方面，搭载着高功率70kw、扭矩180N.m永驰同步电机，满足了大部分的出行需求。电池总能量47.3kWh，系统能量密度160Wh/kg，综合工况405公里的续航，它具备快充和慢充接口，价格也做到与紧凑型汽油车同级的水平。
比亚迪电动汽车的OBD接口采用的也是国标接口，但是数据总线输出的CAN信息针脚，与大部分燃油车有不同，早期在比亚迪E5的车上，采用2路CAN设计，引脚采用了OBD第3脚和11脚，这个主要面向动力电池部分的数据，另一路是12脚和13脚，与国标ISO15031-3的区别是，国标采用的是第6脚和14脚，这个就坑了不少的行业朋友。
再次，就是CAN矩阵协议的传输，比亚迪是完全拥有自主的CAN矩阵设计的，因为他们不仅在研发的线路上拥有自己的全产业链，就连生产上也是完全自主的，换个意思说，比亚迪OBD诊断仪都是他们自己做自己的，这个与特斯拉有得一比。这个应该是数据采集获取的第二坑。
第三坑应该给到比亚迪与奔驰联合开发的腾势，OBD接口上引脚虽多，但是没有一个直接广播数据的，那么要想获得新能源车腾势品牌的数据，那么就需要拆掉仪表，从仪表后边接仪表CAN。这个坑可能借鉴了奔驰A级的设计与制造，所以，这个坑对于CAN数据应用及数据分析、科研、高校研究等就变得十分不友好了。接口采用泰科1318384，整组接口40PIN线束基本插满，从这个接口测量CAN线，比较费时费力。
那么，从一款“实惠售价”的比亚迪E3，还是做了不少的改进。首先，他们把OBD的数据归口到国标，直接从OBD接口第6脚、第14脚解码匹配可以获得HS-CAN及MS-CAN相关的车5门状态、引擎盖、车灯拨档开关的位置灯、远近光灯、后雾灯、左右转向、双闪、雨刮开关、车门锁、运动模式CEO、SPORT状态，钥匙状态（OFF,ACC,ON,READY）、刹车踏板幅度、加速踏板幅度、制动踏板开关量、方向盘转向角度、4个档位信号、驻车手刹信号、总里程、车架号、车速、主副驾驶安全带、安全带指示灯、时间、空调温度及风量。
在BMS部分HS-CAN上获得了剩余电量、续航里程、总电压、总电流、电池健康状态、充电状态、单体电池温度、最高单体电池电压、最低单体电压、最高单体电压编号及温度、压缩机控制状态、压缩机实际状态、压缩机目标转速、压缩机实际转速、高压侧电压、高压侧电流、压缩机功率、IGBT温度、EPS、主缸压力、横向加速度、纵向加速度、低压电池电压、1234号单体电压等等。
当下，比亚迪在国内市占率接近天花板，30万以下的基本车型已经超越了合资，从上述技术上看，比亚迪汽车全生命周期的成本优势源自于三电自研、供应链垂直整合，规模效应等等，在国际和国内不惧价格战，未来两个重要增长点可能在高端化车型，比如中国市场的高知优质中产老中年，这个数据他们是有提升的，表现在腾势品牌上电车时代用核心技术重新定义了豪华。
凭借品牌力、技术力、经济性等优势，在东南亚、澳洲、美洲逐步打开了全球市场的渗透率，电池的价格下调，运费回落，实现了更好的单车利润。所以，做比亚迪的数据，也是尤为重要的，一款车的技术、成本、品牌，数据的渗透，意味着更多配套的产品和服务出来。你要知道的一个趋势，比亚迪对传统燃油车企大众、丰田用户进行分流，2022年比亚迪的销量超过丰田，仅次于大众在华的销量，燃油车时代的价值体系往往偏重于更好的操控性、动力性及更优的配置，宝马、奔驰、奥迪市场溢价即在于此，而电动车在综合成本优势直接冲击了燃油车，也逐步构建起自己的价值体系，那就是联网、智能、数据、算力、自动驾驶等核心标签。
