本文介绍 CAN 总线关闭对新能源汽车的功能和安全性能产生的影响,并对此提出一些合理的建议。

 

2019 年 10 月 26 日第三届中国(佛山)氢能源大会中展示了氢燃料电池城市客车,与目前的纯电动汽车和传统汽车相比,作为一种新的驱动形式出现。但是,新能源汽车整车网络的实现依旧离不开 CAN 总线通讯。

 

工程师们通过 CAN 总线读取车上的车速、转速等信号可以控制整车上众多的 ECU 单元。但是,你知道 CAN 总线关闭会对新能源汽车的功能带来哪些影响吗?本文来做详细分析。

 

一、为何 CAN 总线依旧能在新能源汽车中扮演重要角色?

从事汽车相关行业的小伙伴们,都知道 CAN 总线,它是当今汽车各电控单元之间通信的总线标准,现在几乎所有的汽车厂家都选择使用 CAN 总线通信。CAN 总线起初便是基于 BOSCH 公司为了解决汽车的电子控制单元增多带来的布线空间矛盾、汽车重量增加等诸多问题而诞生的。同时,CAN 总线将汽车内部各电控单元之间连接成一个局域网络,实现了信息的共享,大大减少了汽车的线束,如图 1 所示:

 

图 1 汽车整车网络

 

相比于,目前流行的以太网和 485 总线,CAN 总线具有以下的特点:

 

    总线访问——非破坏性仲裁的载波侦听、多路访问、冲突避免;

 

    多主机广播式结构,自动优先级仲裁,实时性很强;

 

    传输错误自动重发,自动 CRC 校验接收,数据出错率极低;

 

    差分信号传输抗干扰能力强,适合汽车内部强干扰的环境;

 

    硬件报文滤波功能,减轻 CPU 负担。

 

基于以上的特点,CAN 总线能保证实时可靠的数据传输,保证汽车整车网络的通讯正常,在新能源汽车行业具有不可替代的地位。

 

二、什么是 CAN 总线关闭?

汽车内部挂有很多的 ECU 节点,当其中一个节点发生故障进入总线关闭状态时,会很大程度上影响整车 CAN 网络的通讯。例如,当汽车发生碰撞时,传感器将电信号传送给安全气囊 ECU,将信号进行处理,当确定需要打开安全气囊时,ECU 会立即发出点火信号,气体发生器才会充满气囊,对驾驶员和乘客提供安全保护,如图 2 所示。若此时安全气囊 ECU 处于总线关闭状态,则无法正常弹出气囊,会导致严重后果。

 

图 2 安全气囊 ECU 工作示意图

 

那么,什么是 CAN 总线关闭呢?

 

CAN 控制器可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部干扰等)还是持续的数据错误(如单元内部故障、驱动器故障、断线、短路等)。由此,当总线上发生持续数据错误时,CAN 控制器内部的错误计数器累积到总线关闭的阀值,可将引起此故障单元从总线上隔离出去,不参与跟总线其他节点的网络通信。如图 3 所示:

 

图 3 错误检测机制

 

三、 CAN 总线关闭的成因分析

引起错误的原因大多是由物理故障引起的,主要是 CAN 线路产生的。其中包括:CAN_H 开路、CAN_L 开路、CAN_H 对 CAN_L 短路 / 开路、CAN_L 对 VBAT 短路、CAN_H 对 GND 短路、CAN_L 对 GND 短路、终端电阻开路等。

 

除了物理层线路因素,还有可能因为 CAN 控制器或收发器等元器件故障导致。同时,也有可能是由于 CAN 总线信号干扰导致的 CAN 信号收发不正确,严重时会导致不能正常发送报文,从而更容易导致 CAN 总线关闭。

 

例如,新能源汽车通常是指纯电动汽车或者混合动力汽车,其特色是使用电池、电容来存储能力,然后通过逆变的方式变成交流,带动电动机驱动车辆。逆变产生的巨大电流形成强干扰,串扰到 CAN 总线上,导致控制器死机、损坏或者通讯中断,车辆运行不稳定。

 

四、CAN 总线关闭如何恢复?

如果出现了 BUS OFF,总线上的节点需要做一些动作,例如重启 CAN 控制器或是重新上电,但是这些都只是一些补救措施,最根本的还是需要找到引起 BUS OFF 的根源。

 

当发生 CAN 总线关闭时,我们可以检查 BUS OFF 寄存器的值,对 CAN 控制器的驱动及相关寄存器进行初始化操作。初始化完成后,CAN 总线关闭故障就会立即解除。为了避免该节点在 CAN 网络中频繁发生总线关闭问题,建议在初始化后,不要立即对外发送 CAN 报文。

 

上文也提到过,由于汽车内部存在强干扰,也会导致 CAN 总线关闭。针对这种现象,我们通过以下方式进行处理:

 

    由于汽车内部存在强电流产生的空间磁干扰,应该将 CAN 线缆双绞程度加大;

 

    CAN 接口设计采用 CTM1051 隔离收发器、隔离限幅,防止 ECU 死机;

 

    CAN 接口增加磁环、共模电感等效果好的感性防护器件;

 

    外接专用的信号保护器消除干扰,如 ZF-12Y2;

 

    使用网桥中继设备 CANBridge 对部分强干扰源进行隔离。

 

综合上述,汽车 CAN 总线关闭故障发生时,应分析物理层包括 CAN 线路、CAN 控制器及收发器、CAN 信号干扰等外在因素,同时分析 CAN 寄存器及软件处理,重新初始化 CAN 驱动和恢复正常后,定时尝试往外发送报文。

 

五、CAN 网络黑匣子 -CANDTU

新能源汽车在发送总线关闭情况时,我们也希望能够有对应的 CAN 报文去分析,尤其是针对偶发性的故障时,我们更需要有可靠的 CAN 报文来作为判断依据。

 

广州致远电子有限公司推出 CAN 网络总线“黑匣子”,我们称之为 CANDTU,如图 4 所示,CANDTU 集成有 2 路或 4 路符合 ISO11898 标准的独立 CAN-bus 通道,并可标配存储介质为 32G 高速 SD 卡,可以进行长时间记录、条件记录、预触发记录和定时记录等多种模式,并可以将记录的数据转换为 CSV 格式,或者 CANOE、CANScope 等各种主流分析软件的格式供后期处理分析。

 

图 4 CANDTU 系列产品示意图

 

CANDTU 可以长时间记录 CAN 报文,以便于工程师查找数据,但是对于网络稳定性和偶发性故障无法进行定位和分析。