电动汽车车载网络综述.docx
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电动汽车车载网络综述
电动汽车车载网络
引言
汽车技术发展到今天，很多新型电气设备得到了大量应用，尤其是电动汽
车的电气系统已经变成了一个复杂的大系统。
为了满足电动汽车各子系统的实
时性要求，需要对公共数据实行共享
电动汽车作为清洁绿色的新能源汽车,将在未来交通体系中发挥越来越重要
的作用。
汽车中电器的技术含量和数量是衡景汽车性能的一个重要标志。
汽车电器
技术含量和数量的增加，意味着汽车性能的提高。
但汽车电器的增加，同样使
汽车电器之间的信息交且桥梁——线束和与其配套的电器接插件数量成倍上升。
在 1955 年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米。
为了在提高性能与控制线束
数量之问寻求一种有效的解决途径，在 20 世纪 80 年代初，出现了一种基于数
据网络的车内信息交互方式——车载网络。
一、汽车车载网络的组成
车载网络按照应用加以划分，大致可以分为 4 个系统：
车身系统，动力传
动系统、安全系统和信息系统。
图 1 奥迪 A4 的车载网络系统
车身系统电路主要有三大块：
主控单元电路、受控单元电路、门控单元电
路。
主控单元按收开关信号之后，先进行分析处理，然后通过 CAN 总线把控制
指令发送给各受控端，各受控端晌应后作出相应的动作。
车前、车后控制端只
接收主拄端的指令，按主控端的要求执行，并把执行的结果反馈给主控端。
门
控单元不但通过总接收主控端的指令，还接收车门上的开关信号输入。
根据指
令和开关信号，门控单元会做出相应动作，然后把执行结果发往主控单元。
在动力传动系统内，动力传动系统模块的位置比较集中，可固定在一处，
利用网络将发动机舱内设置的模块连接起来。
在将汽车的主要因素一跑、停止
与拐弯这些功能用网络连接起来时，就需要较高速的网络传输速度。
动力数据
总线一般连接 3 块电脑，它们是发动机、ABS／EDL 及自动变速器电脑（动力 CAN
数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑）。
总线可以同时
传递 10 组数据，发动机电脑 5 组、ABS／EDL 电脑 3 组和自动变速器电脑 2 组。
数据总线以 500Kbit／s 速率传递数据，每一数据组传递大约需要 0.25ms，每
一电控单元 7-20ms 发送一次数据。
优先权顺序为 ABS／EDL 电控单元--发动机
电控单元--自动变速器电控单元。
因此，线束变长，而且容易受到干扰的影响。
为了防干扰应尽量降低通信
速度，但随着安全系统和信息系统的发展高速传输成为必然的趋势。
且人机接
口的模块、节点的数量增加，通信速度控制及成本相对增加，使人们不得不摸
索更加高速、安全、廉价的解决方案。
此时，汽车总线的概念被提出，总线技
术可以大大提高汽车电器控制的安全性、可靠性，降低汽车电子电控系统的维
护保养成本和故障率。
二、汽车车载网络分类及其发展趋势
2.1 汽车车载网络的分类
目前存在的多种汽车网络标准，SAE 车辆网络委员会将汽车数据传输网划
分为 A、B、C 三类：
A 类——面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有
1-10 kbps。
主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。
在 A 类网络中
存有多种协议标准，目前正在逐步兴起的是 LIN（LocalInterconnect
Network）总线，LIN 是面向低端通讯的一种协议，主要应用在通信速率要求不
高的场合，通过单总线的方式来实现。
B 类——面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为 10-100
kbps。
主要应用于电子车辆信息中心故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，
以减少冗余的传感器和其他电子部件。
B 类网络系统标准主要包括控制器局域
网（ControllerAreaNetwork，CAN）协议、车辆局域网（VehicleArea
Network，VAN）协议以及汽车工程师协会（SocietyofAutomotive
Engineers，SAE）的 SAEJ1850 协议。
在容错性能和故障诊断方面，CAN 具有
明显的优势，因此在汽车内部的动力电子系统等对实时性和可靠性要求较高的
领域占有不可替代的地位；考虑到成本因素，VAN 也在汽车网络中占有一席之
地，特别适用于车身电子系统等对实时性和可靠性要求相对较低，网络上的某
些节点功能比较简单的场合；SAEJ1850 由于其通信速率上的限制已逐渐被淘
汰。
C 类——面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达 1
Mbps，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS 等系统，以简化
分布式控制和进一步减少车身线束。
在 C 类标准中，欧洲的汽车制造商从 1992
年以来，基本上采用的都是高速通讯的 CAN 总线标准 ISO11898，它可支持高达
1Mb/s 的各种通讯速率；而从 1994 以来 SAE J1939 则广泛用于卡车、大客车、
建筑设备、农业机械等工业领域的高速通讯，其通讯速率为 250kb/s。
另外还有是面向多媒体应用、高速信息流传输的高性能网络，位速率一般
在 2Mb/s 以上，目前已有位速率达到 400Mb/s 的网络标准，800Mb/s 的网络标
准也在研究使用。
这类网络系统主要连接汽车内部用于多媒体功能的电子设备，
包括了语音系统、车载电话、音响、电视、车载计算机和 GPS 等系统。
一般来说，汽车通信网络可以划分为四个不同的领域，每个领域都有其独
特的要求：
1.信息娱乐系统:
此领域的通信要求高速率和高带宽，有时会是无线传输。
目前主流应用协议有 MOST；
2.高安全的线控系统:
由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统，所
以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。
可以考虑的协议有
TTCAN、FlexRay、TTP 等；
3.车身控制系统:
在这个领域 CAN 协议己经有了二十多年的应用积累，其
中包括传统的车身控制和传动控制；
4.低端控制系统:
此系统包括那些仅需要简单串行通信的 ECU（Electronic
Control Unit）电子控制单元，比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器
等，这应该是 LIN 总线最适合的应用领域。
图 2 车上网络系统价格及传输速度分布
2.2 车载网络的发展趋势
在国外，目前汽车网络总线技术已经成为乘用车和商用车的标准配置，其
中 CAN 网络技术应用相当普及。
在欧洲，80%的轿车不同程度上使用了该技术;
在美洲，汽车以使用 J1850 居多，具有代表性的有福特使用的 41.6KbpsJ1850
和通用、克莱斯勒使用的 10.4KbpsJ1850，但从趋势看正逐步往 CAN 技术转移。
目前国内使用总线技术的车型几乎全部使用 CAN 总线。
CAN 总线开始在奥
迪 A6、奥迪 A4、宝来、帕萨特 BS、波罗、菲亚特派力奥、菲亚特西耶那、宝
马等产品上出现，主要应用在动力传动系统、安全系统（ABS、EBD、ASR、ESP
等）和车身系统（门、窗、空调、灯光、锁、座椅等）。
相关技术的应用也带动了
我国网络总线研发能力迅速提高，整车企业可以介入网络总线相关技术标准的
研究和制定，但关键的总线技术还掌握在国外供应商手上。
X-by-Wire，即线控操作，是未来汽车的发展方向。
该技术来源于飞机制造，
基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统，减轻重量，提高可靠性，如
Steer-by-Wire，Brake-by-Wire 等。
由于整个设计思想涉及动力、制动、方向
控制等关键功能，对汽车网络也就提出了不同要求。
在未来的 5 - 10 年里，X-
by-Wire 技术将使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通信总线与高性能 CPU
相连的电气系统。
我国对于电动汽车车用总线技术的研究，主要分为两个阶段:
即功能实现阶
段和性能完善阶段。
目前国内第一阶段的工作已基本完成，基于 CAN 总线的自
主研发技术己经在新能源汽车上取得成功应用。
我国的汽车企业、高校和科研
院所，如一汽集团、上汽集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司、清华大学、北
京理工大学、北京交通大学、同济大学、中科院、中国汽车研究中心等 200 多
家单位投入了大量的人力、财力研发电动汽车。
三、CAN 总线在电动汽车中的运用
3.1 总线网络拓扑结构
网络拓扑结构设计是构建网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，
它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。
网络拓扑结构按照几何
图形的形状可分为 5 种类型:
总线型拓扑、环形拓扑、星形拓扑、网络拓扑和树
形拓扑，这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。
由于电动汽车汽车的网络特
点可归纳为通讯距离短、网络复杂度要求不高、扩展性要求高及实施性可靠性
要求高。
考虑其特点，可以综合比较出总线型的结构是最适合车用网络体系的。
图 3 网络拓扑结构
CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，位速率高，抗电磁干扰性强，能够
检测出产生的任何错误。
它具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过 CAN 控
制器挂到 CAN-bus 上，每个节点都有单独的通信处理能力，形成多主机局部网
络。
其可靠性和实时性远高于普通的通信技术。
3.2 CAN 总线框架
目前汽车设计中的网络结构，采用两条 CAN 网络，一条用于动力系统的高
速 CAN，速率为 250 Kb-1 Mb/s；另一条应用于车身系统的低速 CAN，速率为 10
应用层
提供到低层的用户接口
表示层
提供数据格式化和代码转换
会话层
处理进程之间的协调
传输层
负责数据传输控制
网络层
在相邻节点间转发分租直到目的站
数据链路层
提供计算机与网络之间可靠的数据传输
物理层
在计算机和网络之间传送位流
表 1 CAN 通信模型的分层结构
Kb-125 Kb/s。
高速 CAN 主要连接对象是发动机控制器、变速箱、ABS 控制器、
助力转向，安全气囊控制器等。
低速 CAN 主要连接和控制的汽车内外部照明、
灯光信号、空调、组合仪表等其他低速电子控制单元。
图 4 奥迪 A4 的网络结构图
电动汽车区别于传统的燃油汽车，既要考虑到其自身的独特性，又要考虑
其与一般汽车的共性。
电动汽车与传统汽车最大的区别就是用电能来驱动，即
用电池或电机来代替传统的发动机，而对电机的驱动控制和对电池的管理正是
电动汽车的关键技术。
3.3 CAN 总线协议
CAN 遵从 ISO/0SI 标准模型（图 2.1 所示），按照这个标准模型，CAN 协议定
义了物理层和数据链路层。
应用层协议在 CAN2.O 中没有定义，但很多组织针对
不同的应用需求制定了适用于不同领域的应用层协议。
图 5 CAN 总线的网络分层结构
但考虑到电动汽车的特殊性，以上几个协议都不能完全适用于电动汽车
CAN 网络。
为统一和规范电动汽车在研发、试运营及产业化过程中 CAN 网络上
各节点进行数据交换时的物理连接和通信协议，需要针对电动汽车具体 CAN 网
络环境，自主制定相应的通信协议。
当 CAN-Bus 网络节点的数目不多，或者所有节点基本上都由用户自行设计，
不需要与其他厂商设备进行接口时，用户只需要规定一个简单的通信协议;但当
CAN-Bus 在某一行业广泛应用时，必须考虑到各种 CAN 厂商设备的互用性和互
换性，需要标准化的高层协议为 CAN 网络提供标准的、统一的通信模式。
在制
定 CAN 应用层协议时主要考虑以下几个方面:
1.通讯内容的确定
2.标识符功分配
3.数据格式定义
3.4 CAN 总线发展前景
CAN 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线，现已开始在先进的汽车上
得到应用，从而使得各汽车计算机控制单元能够通过 CAN 总线共享所有的信息
和资源，以达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可
靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统之目的，随着汽
车电子技术的发展，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和纠错
能力的 CAN 总线通信协议必将在汽车电控系统中得到更广泛的应用。
操作系统
说明
开发商
典型运用
Windows CE
模块化设计允许它对于
从掌上电脑到专用的工
Mierosof
从掌上电脑到专用的工
业控制器
表 2 常见嵌入式操作系统
三、嵌入式车载监控终端的硬件和软件设计
3.1 车身控制系统硬件
车身控制模块是为了满足车身控制架构的扩展需求而设计的，它包括 1 个
连接电影的接口、2 个 CAN 网络的接口，1 个短程的 RF 接受器及一些高电流硅
开关输出和 20 多个开关输入。
图 6 车身控制模块硬件框图
例如便携式工控机 Apollo150 具有抗干扰和减震设计，适合于车载使用。
它具有一体化的液晶显示屏和键盘鼠标设计，便于人机界面设计;通过 USB2.0
接口连接 U 盘进行存储，保证车载环境下大量数据的可靠存储。
3.2 操作系统
一般情况下，嵌入式操作系统可分为两类:
一类是面向控制和通信等领域的
实时操作系统，如 WindRiver公司的 VxWorkers、ISI 的 pSOS、QNX 系统软件
公司的 QNX 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括
个人数字助理、移动电话、机顶盒、电子书及网络电话等。
目前从市场占有率
来说，国内在嵌入式领域主要使用的操作系统 VxWorkers，WindowsCE，
EmbeddedLinux 及 Paim05。
业控制器的用户电子设
备进行定制
Windows XP Embedded
桌面的嵌入式版本，可
裁剪
Mierosof
工业控制器和 ATM 等有
交流电源的环境
Embedded Linux
开源操作系统的嵌入式
版本
---
工业控制器和手机
Symbian
Symbian 由爱立信、诺
基亚和摩托罗拉等共同
出资。
以开发和供应现
金、开放以及标准的手
机操作系统 Symbian OS
为目标
Symbian
手机
VxWorks
嵌入式开发环境的关键
组成部分、良好的持续
发展能力、高性能的内
核以及友好的开发环境
WindRiver
用于防抱死刹车系统到
其他的关键任务
Plam OS
有开放式的操作系统应
用程序接口，开发商可
以根据需要自行开发所
需要的应用程序
3com 公司
曾经运用于 PDA 市场
通过对以上各类嵌入式操作系统特点和应用领域进行比较，可以看出
Windows CE 操作系统应用极为广泛，几乎覆盖了生活中的所有智能电子设备，
如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、数字电视、车载电脑、数字相机、
家庭自动化系统、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等等。
与其他嵌
入式操作系统相比，WindowsCE 又为开发人员提供了友好的开发工具，可帮
助开发人员简化开发流程并提高开发效率。
与 PC 机上的应用程序开发不同，如果要开发一个嵌入式系统，硬件开发和
软件开发都是必须考虑的内容。
从嵌入式软件开发过程来说需要做的工作主要
有以下几个方面:
1.驱动程序开发
2.平台定制
3.应用程序开发
图 7 车载监控终端软件总体架构
四、车载网络的仿真和验证
车载网络系统开发是一个 V 型流程，有两个环节需要用在仿真和验证，通
过仿真和测试来完成车载网络系统验证。
对实时性分析来说，我们通常叫
OPNET，实时特性分析对要求比较高的是车载网络系统基本功能要求，可以采
用定性分析方法，更多采用定量分析法，有测量法，数学分析法、仿真模拟法。
还有 CANoe 进行实时性仿真分析，通过建模采用这个工具证明是有效的，可
以完成车载网络系统分析，这是特定概率分布下车载网络系统的实时性仿真与
分析图，得到一些数据与测量对比可以满足要求。
要进行功能仿真，电动汽车
制动系统仿真，主要是仿真驾驶员意图和执行力的问题，响应时间和能否达到
制动效能，比如说制动距离和制动时间，这就可以采用 Simulink 进行仿真，要
建立正确的数学模型才可以仿真，这也是最有效的仿真方法。
除此以外，也可
以把这个车载网络系统功能、性能和网络性能同时进行仿真，这个叫基于
CANoE-Matlab 的联合仿真，采用这样一种方式仿真，既可以检验它的功能是
否达到要求，同时也可以考验它的网络性能是否达到了要求。
车载网络系统测试一般分为三个测试：
1、单独 ECU 测试，保证它是符合
要求。
2、通过硬件在环测试仿真，3、通过实车测试。
汽车实车考验是非常重
要的。
目前车载网络系统能够专用测试有 VehicleSpy 和 CANoe，这是基于
VehicleSpy 的车载网络系统硬件在环测试平台，专门使用 neo 的软件进行仿
真，这是仿真基本平台要求，构建一个虚拟系统，通过报文配置、面板配置来
做到测试的工作。
结语
随着汽车对安全，节能、环保、舒适要求的提高，多功能以及精确控制使
得汽车电子控制单元大量引入。
各电子控制单元之间需要数据信息共享以及大
量的控制信号实时交换，使得车载网络应运而生。
虽然欧美汽车已大量使用车
载网络，但在我国使用车载网络实现各种功能应用实例还比较少。
CAN 总线是
在欧美国家广泛使用的一种车载网络技术，已形成国际标准。
我国正在制定相
关的应用标准。
CAN 总线具有高保密性，高可靠性和实时性的特点，必然也将
在电动汽车领域得到很好的运用和发展。
摘要
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