新能源汽车高压部件CAN总线故障诊断分析

【摘要】新能源汽车的高压部件是新能源汽车区别传统汽车的主要部件，在新能源汽车运行过程中起着重要作用，而高压部件之间的通信是基于CAN 总线系统。以吉利EV450 为例，分析新能源高压部件之间CAN 总线的故障，为新能源汽车的维修提供一定的参考。

随着环境污染和能源危机问题的日益突出，新能源汽车已成为当今汽车工业发展的重要方向。在政策的引导下，中国新能源汽车的保有量也达到了新的高度，学习对新能源汽车的维修也迫在眉睫。新能源汽车与传统汽车相比有了较大的变化，特别是高压部件的加入，主要有动力电池、车载充电机、直流转换器、驱动电机等，这些部件是传统车上所没有的，而它们之间的信息通信依然使用的是CAN总线系统，即所谓的新能源CAN。文中以吉利EV450为例，分析新能源汽车高压部件之间的CAN总线故障问题。

CAN （Controller Area Network，控制器局域网络），由于其高性能、高可靠性及独特的设计，越来越受到人们的重视。CAN总线是车内电子装置中的一个独立系统，就本质而言，CAN总线就是数据传输线路，用于在控制单元之间进行信息交换。

图1展示了吉利EV450的CAN总线线路原理图，从图中可以看出吉利EV450有P-CAN和V-CAN两套CAN总线系统，而两者之间通过整车控制器VCU进行数据转换并相互通信。其传输速率达500kbit/s，属高速CAN。P-CAN局域网中包含有：动力电池管理系统BMS、车载充电机OBC、直流转换器DCDC、驱动电机控制器MCU等模块。通过测量发现P-CAN局域网中的终端电阻在动力电池管理系统BMS和驱动电机控制器MCU中。如果P-CAN总线或控制单元出现故障，将导致VCU无法接收和发送数据信息，致使整车高压控制、车辆驱动控制不受管控，各控制单元之间无法获知当前车辆状态信息，进而关闭内部的执行功能，造成整车高压上电失败、车辆无法运行等故障。

CAN总线上的每个节点（控制单元） 能独立完成网络数据的交换和测控任务。如图2所示，每个节点中包括有收发器、控制器和MCU。其中收发器直接和总线相连，具备发送和接收信息的功能，主要进行物理电平和逻辑电平的转换。发送时，将上层传递下来的二进制数据流转换成电压信号传输到总线上；接收时，将总线电压信号转变成二进制数据流传到上层。

CAN总线的数据传输实质是通过总线上的电平变化传输的。高速CAN总线中，差分信号高电平用CAN-High表示，电压3.5V；低电平信号用CAN-Low表示，电压为1.5V；差分电压为2V，此时，总线为显性位。差分信号的高电平信号和低电平信号均为2.5V时，差分电压为0V，总线为隐性位。图3为CAN收发器转换信号示意图。

在CAN网络系统中，CAN控制单元中的芯片、电阻、二极管等电子元器件以及CAN总线线路，任何地方出现故障都将导致CAN总线上的电平变化，显性电平和隐性电平都会发生变化，最终导致总线上的信息无法传输。而总线电平的变化与CAN收发器内部电路有着重要的关联，图4展示了CAN收发器内部的示意电路图。

CAN总线系统具有自诊断功能，用诊断仪可以读出与CAN总线相关的故障，对于高速CAN故障，往往会记录通信失败或失效等故障信息。根据故障记录，可快速、准确地排除故障。CAN总线正常工作的前提条件是车辆在任何工况均不应有CAN总线故障记录，所以每次确认故障排查完后，必须重新启动车辆，更新故障显示的内容。

CAN总线常见的故障主要有CAN-H和CAN-L的线路断路、短路、虚接等故障。CAN总线出现故障时，需要用示波器测量CAN-H和CAN-L的信号波形，通过波形的变化分析故障所在部位及故障原因。

文中通过教学设故平台，分别对BMS模块的CAN-H和CAN-L两根线路进行断路、短路、虚接、互短、对搭铁短路等多种故障设置，从图5中可看出，BMS模块中PCAN的CAN-H、CAN-L对应的针脚分别是3和4。用示波器同时测量BMS的3、4号针脚的信号波形图，进而分析CAN总线故障机理。图6为正常状态BMS中P-CAN总线的信号波形图。

3.1 断路故障

CAN-H断路时，从图7中可以看出，CAN-H和CAN-L的隐性信号电压仍然是2.5V，CAN-H的显性电压有所增大，CAN-L的显性电压有所降低。这是因为在隐形状态时，并未影响CAN 收发器中原有电路的电压分压大小，两端的输出电压一样。图8中，CAN-L断路时，CAN-H和CAN-L信号波形变化幅度较大，这是因为有反射波的影响，造成电压放大失真。

3.2 短路故障

CAN-H对搭铁短路时，故障波形如图9所示。CAN-H导线的电压为0V，CAN-L导线的电压略大于0V，这是因为有终端电阻的存在，将CAN-L的电压有所拉高。CAN-L对搭铁短路时，故障波形如图10所示。CAN-L导线的电压为0V，CAN-H导线的隐形电压略大于0V，而显性电压大于3.5V，这也是由于终端电阻的存在造成的电压分布不同。分析此类波形时，主要看总线波形图中，是否有一根信号线的隐形和显性电平都接近0V，只有当CAN-H对搭铁短路时，其信号电平才接近0V，否则就是CAN-L对搭铁短路。

当CAN-H和CAN-L互短时的波形如图11所示，CAN-H和CAN-L的信号电压不管隐形电平还是显性电平，都接近2.5V。

除上述短路故障外，还有CAN-H和CAN-L对电源正极短路的故障，其波形分析较为简单，哪条线与电源短路，哪条线的电压就会被拉高到电源电压近12V，而另外一条线的电压则低于电源电压，这是由于模块中有终端电阻的存在进行了分压。

3.3 虚接

CAN-H线虚接后，如图12所示，由于有电阻的加入，使得线路中的电流减小，CAN收发器元电路中的分压减小，虚接电阻前端测试出的信号电压增大。此时，CAN-L的信号波形随着CAN-H波形的变化趋势而发展。CAN-L虚接后，如图13所示，CAN-H信号显性电压有所提高，CAN-L显性电压向反方向变化，有较为明显的变化。虚接故障的设置是在电路中串接了一个1kΩ的电阻。接入的电阻值越大，显示的电压值变化越大。分析此类波形时，要注意看信号电压是否有向反向电平变化的趋势，如有，则线路中存在虚接。

通过对吉利EV450网络总线的了解，对P-CAN总线中的BMS模块进行了多种线路故障设置，并从信号波形图中分析故障原因，总结变化规律，为新能源汽车的维修提供一定的参考。

针对上面所列的各种线路故障，在排查的过程中，可以将CAN总线中的节点依次拔除，同时注意观察示波器中的波形变化。当故障线组被拔下后，信号波形恢复到了正常波形。