新能源汽車高壓部件CAN總線故障診斷分析

【摘要】新能源汽車的高壓部件是新能源汽車區(qū)別傳統(tǒng)汽車的主要部件，在新能源汽車運行過程中起著重要作用，而高壓部件之間的通信是基于CAN 總線系統(tǒng)。以吉利EV450 為例，分析新能源高壓部件之間CAN 總線的故障，為新能源汽車的維修提供一定的參考。

隨著環(huán)境污染和能源危機問題的日益突出，新能源汽車已成為當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。在政策的引導(dǎo)下，中國新能源汽車的保有量也達到了新的高度，學(xué)習(xí)對新能源汽車的維修也迫在眉睫。新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比有了較大的變化，特別是高壓部件的加入，主要有動力電池、車載充電機、直流轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電機等，這些部件是傳統(tǒng)車上所沒有的，而它們之間的信息通信依然使用的是CAN總線系統(tǒng)，即所謂的新能源CAN。文中以吉利EV450為例，分析新能源汽車高壓部件之間的CAN總線故障問題。

CAN （Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)），由于其高性能、高可靠性及獨特的設(shè)計，越來越受到人們的重視。CAN總線是車內(nèi)電子裝置中的一個獨立系統(tǒng)，就本質(zhì)而言，CAN總線就是數(shù)據(jù)傳輸線路，用于在控制單元之間進行信息交換。

圖1展示了吉利EV450的CAN總線線路原理圖，從圖中可以看出吉利EV450有P-CAN和V-CAN兩套CAN總線系統(tǒng)，而兩者之間通過整車控制器VCU進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并相互通信。其傳輸速率達500kbit/s，屬高速CAN。P-CAN局域網(wǎng)中包含有：動力電池管理系統(tǒng)BMS、車載充電機OBC、直流轉(zhuǎn)換器DCDC、驅(qū)動電機控制器MCU等模塊。通過測量發(fā)現(xiàn)P-CAN局域網(wǎng)中的終端電阻在動力電池管理系統(tǒng)BMS和驅(qū)動電機控制器MCU中。如果P-CAN總線或控制單元出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致VCU無法接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息，致使整車高壓控制、車輛驅(qū)動控制不受管控，各控制單元之間無法獲知當(dāng)前車輛狀態(tài)信息，進而關(guān)閉內(nèi)部的執(zhí)行功能，造成整車高壓上電失敗、車輛無法運行等故障。

CAN總線上的每個節(jié)點（控制單元） 能獨立完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換和測控任務(wù)。如圖2所示，每個節(jié)點中包括有收發(fā)器、控制器和MCU。其中收發(fā)器直接和總線相連，具備發(fā)送和接收信息的功能，主要進行物理電平和邏輯電平的轉(zhuǎn)換。發(fā)送時，將上層傳遞下來的二進制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸?shù)娇偩€上；接收時，將總線電壓信號轉(zhuǎn)變成二進制數(shù)據(jù)流傳到上層。

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸實質(zhì)是通過總線上的電平變化傳輸?shù)?。高速CAN總線中，差分信號高電平用CAN-High表示，電壓3.5V；低電平信號用CAN-Low表示，電壓為1.5V；差分電壓為2V，此時，總線為顯性位。差分信號的高電平信號和低電平信號均為2.5V時，差分電壓為0V，總線為隱性位。圖3為CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換信號示意圖。

在CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，CAN控制單元中的芯片、電阻、二極管等電子元器件以及CAN總線線路，任何地方出現(xiàn)故障都將導(dǎo)致CAN總線上的電平變化，顯性電平和隱性電平都會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致總線上的信息無法傳輸。而總線電平的變化與CAN收發(fā)器內(nèi)部電路有著重要的關(guān)聯(lián)，圖4展示了CAN收發(fā)器內(nèi)部的示意電路圖。

CAN總線系統(tǒng)具有自診斷功能，用診斷儀可以讀出與CAN總線相關(guān)的故障，對于高速CAN故障，往往會記錄通信失敗或失效等故障信息。根據(jù)故障記錄，可快速、準(zhǔn)確地排除故障。CAN總線正常工作的前提條件是車輛在任何工況均不應(yīng)有CAN總線故障記錄，所以每次確認故障排查完后，必須重新啟動車輛，更新故障顯示的內(nèi)容。

CAN總線常見的故障主要有CAN-H和CAN-L的線路斷路、短路、虛接等故障。CAN總線出現(xiàn)故障時，需要用示波器測量CAN-H和CAN-L的信號波形，通過波形的變化分析故障所在部位及故障原因。

文中通過教學(xué)設(shè)故平臺，分別對BMS模塊的CAN-H和CAN-L兩根線路進行斷路、短路、虛接、互短、對搭鐵短路等多種故障設(shè)置，從圖5中可看出，BMS模塊中PCAN的CAN-H、CAN-L對應(yīng)的針腳分別是3和4。用示波器同時測量BMS的3、4號針腳的信號波形圖，進而分析CAN總線故障機理。圖6為正常狀態(tài)BMS中P-CAN總線的信號波形圖。

3.1 斷路故障

CAN-H斷路時，從圖7中可以看出，CAN-H和CAN-L的隱性信號電壓仍然是2.5V，CAN-H的顯性電壓有所增大，CAN-L的顯性電壓有所降低。這是因為在隱形狀態(tài)時，并未影響CAN 收發(fā)器中原有電路的電壓分壓大小，兩端的輸出電壓一樣。圖8中，CAN-L斷路時，CAN-H和CAN-L信號波形變化幅度較大，這是因為有反射波的影響，造成電壓放大失真。

3.2 短路故障

CAN-H對搭鐵短路時，故障波形如圖9所示。CAN-H導(dǎo)線的電壓為0V，CAN-L導(dǎo)線的電壓略大于0V，這是因為有終端電阻的存在，將CAN-L的電壓有所拉高。CAN-L對搭鐵短路時，故障波形如圖10所示。CAN-L導(dǎo)線的電壓為0V，CAN-H導(dǎo)線的隱形電壓略大于0V，而顯性電壓大于3.5V，這也是由于終端電阻的存在造成的電壓分布不同。分析此類波形時，主要看總線波形圖中，是否有一根信號線的隱形和顯性電平都接近0V，只有當(dāng)CAN-H對搭鐵短路時，其信號電平才接近0V，否則就是CAN-L對搭鐵短路。

當(dāng)CAN-H和CAN-L互短時的波形如圖11所示，CAN-H和CAN-L的信號電壓不管隱形電平還是顯性電平，都接近2.5V。

除上述短路故障外，還有CAN-H和CAN-L對電源正極短路的故障，其波形分析較為簡單，哪條線與電源短路，哪條線的電壓就會被拉高到電源電壓近12V，而另外一條線的電壓則低于電源電壓，這是由于模塊中有終端電阻的存在進行了分壓。

3.3 虛接

CAN-H線虛接后，如圖12所示，由于有電阻的加入，使得線路中的電流減小，CAN收發(fā)器元電路中的分壓減小，虛接電阻前端測試出的信號電壓增大。此時，CAN-L的信號波形隨著CAN-H波形的變化趨勢而發(fā)展。CAN-L虛接后，如圖13所示，CAN-H信號顯性電壓有所提高，CAN-L顯性電壓向反方向變化，有較為明顯的變化。虛接故障的設(shè)置是在電路中串接了一個1kΩ的電阻。接入的電阻值越大，顯示的電壓值變化越大。分析此類波形時，要注意看信號電壓是否有向反向電平變化的趨勢，如有，則線路中存在虛接。

通過對吉利EV450網(wǎng)絡(luò)總線的了解，對P-CAN總線中的BMS模塊進行了多種線路故障設(shè)置，并從信號波形圖中分析故障原因，總結(jié)變化規(guī)律，為新能源汽車的維修提供一定的參考。

針對上面所列的各種線路故障，在排查的過程中，可以將CAN總線中的節(jié)點依次拔除，同時注意觀察示波器中的波形變化。當(dāng)故障線組被拔下后，信號波形恢復(fù)到了正常波形。