CAN与CAN FD在新能源汽车中的应用及电磁兼容分析

CAN与CAN FD在新能源汽车中的应用及电磁兼容分析

随着新能源汽车的快速发展，车内通信网络的重要性日益凸显。CAN（控制器区域网络）和CAN FD（可变速率的CAN）作为汽车通信领域的关键技术，各自具有独特的优势和局限性。本文将深入探讨这两种协议的技术特点、应用场景以及在实际应用中可能遇到的问题，帮助读者全面了解它们在新能源汽车中的应用现状。

新能源汽车通信网络背景

随着新能源汽车的快速发展，车辆的智能化、自动化程度不断提高，这使得车内电子控制单元（ECU）之间的通信变得愈发关键。通信网络如同新能源汽车的“神经系统”，负责传递各种控制指令和数据信息，确保车辆各个系统的协同工作。

新能源汽车中，电池管理系统（BMS）需要与电机控制器（MCU）、整车控制器（VCU）等进行实时通信，以实现对电池状态的精确监控和对电机的高效控制，从而保障车辆的续航里程和动力性能。

CAN与CAN FD简介

CAN即控制器区域网络（Controller Area Network），是国际上应用广泛的现场总线之一，最初由德国博世公司（Bosch）为汽车电子控制系统开发。从发布至今，CAN凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力强等特点，逐渐成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。在早期的汽车中，CAN总线主要用于连接一些基本的电子控制模块，如发动机控制单元、变速器控制单元等，实现这些模块之间的数据交互和协同工作。

CAN FD（CAN with Flexible Data - Rate）意为可变速率的CAN，是CAN总线的增强版本。它在2011年开始协议开发，2015年被纳入ISO11898 - 1标准。CAN FD在保留CAN基本特性的基础上，对数据传输速率和数据帧格式进行了优化和扩展。随着汽车智能化和网联化的发展，对车内通信网络的要求越来越高，CAN FD应运而生，以满足高级驾驶辅助系统（ADAS）、车联网（V2X）等新兴应用对高速、大数据量传输的需求。

CAN协议优势

1. 实时性强：非破坏性仲裁技术。当多个节点同时向总线发送数据时，优先级高的节点优先发送，确保高优先级控制帧能够及时传输，具有很强的实时性。
2. 高可靠性：多主节点。CAN具备强大的错误检测和恢复机制，包括CRC校验、帧校验、响应校验等。在数据传输过程中，一旦检测到错误，节点会自动重发数据，保证通信的可靠性。网络中的每个节点都可以主动发送和接收数据，具有很高的灵活性。

CAN FD协议优势

1. 大帧负载：单帧数据负载从CAN的8字节扩展到64字节，这意味着在传递相同数据量的情况下，CAN FD所需的帧数量大幅减少，从而降低了总线负载，提高了通信效率。
2. 更高数据速率：CAN FD的速率可变，仲裁比特率最高可达1Mbps（与CAN相同），数据比特率最高可达8Mbps，与标准CAN完全兼容，在同一网络中可以同时存在标准CAN节点和CAN FD节点。

CAN协议不足

1. 数据速率限制：最大数据速率被限制在1Mbps，在面对一些对数据传输速率要求极高的应用场景时，如高清摄像头图像数据传输、自动驾驶中的大量传感器数据实时处理等，传输速率可能无法满足需求，导致数据传输延迟，影响系统性能。
2. 帧负载受限：每帧数据有效载荷最多只有8字节，当需要传输大数据量时，就需要频繁地进行帧传输。在新能源汽车的多媒体系统中，若要传输一首高品质的音乐文件，由于CAN帧负载受限，需要分割成大量的小帧进行传输，这不仅增加了传输时间，还可能导致数据传输过程中的丢包和错误。

CAN FD 协议不足

1. 复杂性：需要更新硬件支持，传输速率越高，对物理层的要求也就越高。例如，为了实现高速数据传输，需要采用更高速的收发器、更优质的传输线缆以及更复杂的信号处理电路，这增加了硬件设计和实现的难度与成本。
2. 网络负载管理复杂：在高数据速率下，总线负载管理和错误处理更为复杂。由于数据传输速度快，一旦出现错误，可能会导致大量数据丢失或错误，需要更复杂

应用场景

1. 新能源汽车的底盘和动力系统中
2. 工业自动化领域
3. 高级驾驶辅助系统（ADAS）
4. 人工智能
5. 在制动系统中
6. 车联网（V2X）
7. 电机控制器
8. 高带宽和高数据量的通信需求

选择建议

在选择CAN还是CAN FD时，需要综合考虑具体的应用需求和系统约束：

• 对于一些对成本敏感、数据传输要求不高的传统汽车电子系统，CAN仍然是一个经济实用的选择
• 对于新兴的、对数据传输速率和数据量要求苛刻的智能汽车应用，CAN FD则更能满足其发展需求
• 可以根据不同的功能模块和通信需求，在同一车辆中同时采用CAN和CAN FD，构建一个高效、灵活的通信网络

CAN接口常见硬件问题

1. 总线短路：CAN_H 和 CAN_L 两条线之间出现不正常连接，导致信号失真或丢失。可能是线路磨损、绝缘损坏等使线路相互接触或外部物体挤压、穿刺线路造成
2. 终端电阻问题：CAN 总线两端需安装 120 欧姆终端电阻以保证信号完整性，电阻损坏、未安装或安装不当
3. 连接器故障：连接器接触不良、腐蚀或损坏，会致使信号传输不稳定或中断。长期使用后的磨损、振动导致的松动、潮湿环境引起的腐蚀等都是常见原因
4. 接地问题：接地不良会引入电磁干扰，影响信号传输质量，使数据出现错误或丢失
5. 电源问题：电源不稳定、电压不足或电压波动过大，影响 CAN 总线设备的正常工作

CAN接口常见通信与协议问题

1. 信号衰减：总线长度过长超出标准（通常 40 米），或线路质量不佳、有过多分支，会使信号衰减，导致数据传输错误或不稳定
2. 数据冲突：总线上节点过多，多个节点同时发送数据时易产生冲突，导致数据传输失败或错误
3. 通信波特率不同：不同节点使用不同的通信波特率，会导致无法通信或数据传输错误
4. 协议错误：节点发送的数据不符合 CAN 协议规范，如帧格式错误、数据长度错误等，会使数据包被丢弃或错误解释

CAN接口常见环境相关问题

1. 电磁干扰：外部电磁场，如附近的电机、变压器、无线电设备等产生的干扰，可能导致信号传输不稳定、数据错误或丢失
2. 温度影响：过高或过低的温度会使电子元件性能下降、参数发生变化，导致设备工作不稳定，影响 CAN 总线通信
3. 湿度和振动：湿度过高可能导致设备腐蚀、短路；振动可能使连接器松动、线路断裂，进而引发通信故障

共模电感 CMZ4532-501T 或 CMZ4532-501TA