CAN 总线是当今汽车各电控单元间通信的总线标准,并广泛应用在新能源车中。新能源车的 CAN 总线故障和隐患将影响驾驶体验甚至行车安全,如何进行 CAN 总线故障定位及干扰排除呢?本文为设计师们提供几点建议。

 

一、行业现状

目前,国内机动车保有量已经突破三亿大关。由于大量的燃油车带来严峻的环境问题,因此全面禁售燃油车的日程在全世界范围内被提起。国内新能源汽车动力以锂电池为主,整个行业已经进入高速发展阶段。我们注意到,除新能源车、充电桩之外无人驾驶、智慧停车等延伸行业也步入快速发展期。上述行业都有一个共同点——使用 CAN 总线,因此,CAN 总线的应用问题始终贯穿在新能源行业的发展中。

 

图 1  CAN 总线应用行业

 

二、新能源车常见故障

新能源汽车中的 CAN 总线故障可从两个方面考虑,即通信应用层和物理层。应用层的问题比较依靠软件的抓包或仿真,而物理层则更依赖硬件的测试和模拟。在物理层,CAN 总线故障的诱因集中在以下几个方面:干扰问题、网络拓扑问题、总线容抗阻抗控制、节点设计规范及一致性等,本片文章重点为大家介绍干扰问题及干扰解决。 

 

图 2  保证 CAN 稳定的核心设计

 

三、干扰定位解决方案

如何进行 CAN 总线物理层的干扰定位呢?我们需要借助专业的干扰分析工具——频谱分析,CANScope 是专业的 CAN 总线分析工具,其 FFT 分析功能可以对 CAN_L、CAN_H、CAN_ 差分、CAN_ 共模分别测试,定位干扰频点。一般地,CAN 总线应用在工业通讯时干扰来源不固定,特别依赖此类频点分析工具,而当 CAN 总线应用于新能源汽车时其干扰源比较单一,多来源于电机驱动器,此时分析仪可做整改前、整改后的验证工具。图 4 是 FFT 分析功能的实际测试案例,CANScope 通过 FFT 频谱分析统计定位到干扰源频率与逆变器频率吻合。

 

图 3  被干扰后的 CAN 总线波形

 

图 4  使用 CANScope 的 FFT 功能

 

四、干扰排除解决方案

定位到干扰后如何进行干扰排除呢?我们从干扰的来源入手。干扰的来源有两个,传导与辐射。针对传导过来的干扰,我们采取隔离的方式阻断干扰传播;针对辐射过来的干扰,我们采取屏蔽方式隔绝干扰传播。

    

隔离方案,在 CAN 收发器总线端加光耦或磁耦器件,同时为 CAN 收发器提供隔离供电,这种隔离方式常被称作分立器件式隔离方案,如图 5。对于一些对体积、防护等级、稳定性要求高的场合,一体式隔离方案是最优选择。在新能源客车中,大功率空调压缩机系统市场干扰到总线通信导致空调功能异常,准车规级的 CTM1051(A)HQ (图 6)在此类场景下有广泛应用。

 

图 5  分立器件隔离方案

 

图 6  准车规级 CAN 总线隔离模块 CTM1051(A)HQ

 

以上讨论的隔离都是板级隔离,适用于车型开发阶段,如果由干扰导致的故障出现在车辆出厂后或者售后阶段,隔离方式请使用 CAN 隔离网桥。

 

图 7  CANBridge+在总线隔离中的应用

    

屏蔽方案,选择的 CAN 通讯线缆应具备至少一层可靠的屏蔽层,并且保证最外层屏蔽层通过单点接到参考地。如果遇到屏蔽层不可避免从中间某处截断,则应针对每一段做单点接地处理,如图 8。

 

图 8  屏蔽层单点接地处理

 

除屏蔽层外,通信线的横截面积、直流阻抗值、寄生容抗、单位长度的双绞数等参数都会影响到通信质量,如何平衡成本与通信距离间的关系,本文提供图 10 数据供读者参考。

 

图 9  CAN 总线专用双绞屏蔽线

 

图 10  CAN 总线线材参数与通讯距离