Что такое CAN-шина в автомобиле (устройство и схема подключения)

Автомобили давно уже стали не просто компьютерами на колёсах, а скорее компьютерными сетями. Передача механических, гидравлических или пневматических усилий между узлами и механизмами со временем превратилась в обмен электрическими сигналами, а сейчас и в информационное взаимодействие.

Наряду с массовым внедрением дешёвых электронных комплектующих, потребовалось разработать достаточно сложное и надёжное сетевое физическое и программное обеспечение.

Зачем нужна в машине CAN-шина

По мере усложнения автомобильной электроники, производители столкнулись с некоторыми проблемами, которые всё больше проявлялись с ростом рыночной конкурентоспособности новых моделей.

Далее наращивать объём оборудования простым добавлением управляющих и исполнительных устройств стало невозможно:

Решение должно было быть радикальным, и этот качественный скачок в развитии автомобильной электроники произошёл.

Электросхемы машин стали делать по принципам, заложенным в основах вычислительной техники и к тому времени уже достаточно устоявшимся и понятным.

Автомобиль стал представлять собой сеть из микрокомпьютеров, каждый из которых обслуживал свою систему или отдельный узел.

Например, двигатель, коробку передач, узлы трансмиссии, блок климата и даже отдельные фонари наружного освещения или стеклоподъёмники. Уже не надо было тянуть к каждому устройству медные провода в огромном количестве через весь автомобиль.

Причём до появления единой информационной шины некоторые узлы были обвешаны сразу несколькими однотипными датчиками, электронными блоками и жгутами проводки.

По теме: Как работает автопилот в современных автомобилях

CAN-шина обходится единственной витой парой, то есть скрученными между собой двумя тонкими проводками, которые обходят все устройства, имея ответвления на каждое из них.

По схеме получается, что все блоки соединены параллельно через данную шину. Последовательный способ передачи информации делает это возможным, отдельных проводов данных, адресов, синхронизации и назначения приоритета не требуется.

Более того, системе не нужен единый обрабатывающий и управляющий сервер, все ресурсы распределены по микроконтроллерам.

Схема и место расположения КАН-интерфейса

Сеть имеет выход наружу через диагностический OBD разъём, где на этот счёт стандартом чётко определена пара контактов.

Точнее, две пары, из дальнейшего рассмотрения станет понятно, что через диагностику можно подключаться к двум CAN-шинам различного вида и назначения.

Обеспечивающий совместную работу шлюз в разных автомобилях может быть выполнен в виде отдельного блока, входить в состав контроллера управления двигателем, но чаще – приборной панели.

Принцип работы

Работа CAN-шины определяется физическим и логическим протоколами, которые достаточно чётко стандартизованы, хотя и имеют целый ряд исполнений.

Физически это витая пара, каждый из проводов которой является сигнальным. Работают они в противофазе, один поэтому называется CAN-High, второй – CAN-Low.

Сделано так с целью обеспечить максимальную помехоустойчивость при большой скорости передачи данных. Сигнал с пары снимается по дифференциальному принципу, то есть парой встречно включённых компараторов.

На концах витой пары имеется волновое согласование двумя терминальными резисторами по 120 Ом. Хотя встречаются и другие номиналы, но редко.

Активным уровнем считается низкий, он же логический ноль. Это общий принцип в работе устройств с открытым коллектором, разве что тут не применяется инвертирование уровней. Отсюда и логический принцип работы – инициируется линия любым устройством, открывшим свой выходной транзистор и сформировавшим первый нулевой бит.

Далее идёт идентификация приоритетного устройства, которое должно передать свою информацию первым в случае конфликта во времени. Протокол стандартный, каждый бит посылки расписан в даташитах ISO.

Это интересно: Почему появляется вибрация в салоне автомобиля

Все устройства одновременно передают и считывают информацию чётко соблюдая протокол, зашитый в памяти их контроллеров. Ненужные или ошибочные данные определяются и игнорируются.

Виды CAN-шин

Обычно используют две шины – высокоскоростную и низкоскоростную (не желая использовать этот компрометирующий термин, некоторые производители говорят о среднескоростных устройствах).

Первая применена для связи наиболее важных устройств, агрегатов двигателя, трансмиссии, тормозов, подвесок, систем безопасности. Вторая обслуживает второстепенные функции комфорта и сервиса.

Это не значит, что системы автономны. Они связаны между собой через шлюз, обычно находящийся в приборной панели. Низкоскоростная линия также имеет свои контакты в диагностическом разъёме, записанные в стандарт.

Сделано так, чтобы системы низшего уровня важности не мешали максимально быстрому обмену приоритетных устройств. А большое быстродействие, например, регулировке сидений ни к чему.

На низшем уровне могут работать ещё более простые шины, однопроводные и низкоскоростные. Они подключаются к общей CAN через свой контроллер.

Например, в двери могут стоять стеклоподъёмники, блок кнопок управления, различные датчики, всё это нет необходимости выводить на общую шину. Но и плодить множество проводов тоже. Используются простейшие контроллеры и однопроводная сеть.

Как подключиться и сделать диагностику автомобиля

Сканеры могут внедряться в протокол шины и анализировать её состояние, а также проходящую информацию. Можно использовать виртуальные устройства, эмулирующие отдельные блоки, а также создавать и передавать тестовые команды отдельным участникам сети.

Для связи используются специальные адаптеры USB-CAN, более сложные устройства и программное обеспечение.

До появления профессиональных CAN-анализаторов и тестеров пользовались скоростным запоминающим осциллографом и логическим анализатором.

Эти приборы тоже способны сохранять и предоставлять для изучения отдельные фреймы CAN, но в работе неудобны, требуют больших затрат времени.

Неисправности

Отказы шины обычно сводятся к нескольким типовым случаям:

Базой всей сетевой периферии является современная микроэлектроника и большие интегральные контроллеры серийного производства, поэтому надёжность оборудования в целом достаточно высока. Но поиски проблемного блока иногда бывают долгими из-за параллельного их подключения и размещения по всему автомобилю.

Плюсы и минусы встроенных шин

Сейчас уже трудно представить себе автомобиль с достойным набором современных опций без информационной шины, а конкурентоспособность требует ещё и высокого быстродействия.

CAN-шина всё это обеспечивает:

Но со временем усугубляются и недостатки. Так, усложнение автомобилей привело к тому, что быстродействия даже самых последних версий уже не хватает.

Поэтому в настоящее время эту самую распространённую автомобильную шину уже можно считать устаревшей, новые проекты обладают значительно более высоким быстродействием.

Устройство современного электромобиля

На форуме не мало статей об электромобилях: их достоинствах, недостатках, будущем и прошлом. Однако, если среднестатистическому автолюбителю задать в лоб вопрос — а как устроен современный электрокар и какие компоненты входят в состав конструкции, то гражданин вряд ли сможет дать внятные объяснения. Электродвижок, аккумуляторная батарея, аппаратура там всякая, да и всё на этом. Ах, да, ещё и экология — чистый он, потому как питается от розетки.

А вот такой вопрос к примеру: есть ли на борту электрокара коробка передач? Сомнительно, что человек никогда не ездивший на электрическом автомобиле сможет дать чёткий правильный ответ. Итак, в теме я хочу в подробностях рассказать об устройстве современного электрокара, дабы пользователи у которых нет его в распоряжении, имели хотя бы поверхностное представление, как устроено это четырёхколёсное, экологически чистое достижение технического прогресса.

Содержание:

• Что такое электромобиль?
• Внутреннее устройство электромобиля.
• Особенности кузова электрического автомобиля.
• «Сердце» электрокара — что оно из себя представляет?
• Нужна ли трансмиссия электромобилю?
• Дополнительные узлы.
• Аккумуляторная батарея электрокара и способы её подзарядки.
• Что входит в задачи контроллера?
• Как в электромобиле работает печка?
• Общий принцип работы электрокаров.
• Перспективы электромобилей.

Что такое электромобиль?

Внешний вид, кузов и салон электромобиля, а также грузоподъёмность, ничем не отличаются от традиционных средств передвижения оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Но в то же время, именно то место, где покоится ДВС у обычной машины, у электрокара преобразовано в значительной степени. Электрический силовой агрегат оказался настолько совершенен, что у инженеров появилась великолепная возможность упростить конструкцию до предела, отказавшись от большого количества традиционных узлов и агрегатов. Что и говорить, затрат на обслуживание и ремонт транспортного средства у обладателей электрокаров существенно поубавилось. Кроме того, такие автомобили стали предельно надёжными в эксплуатации, да и разница в ценах на бензин и электричество — просто вселенская!

Внутреннее устройство электромобиля

Как уже было сказано выше, электрокар по сравнению с ДВС-никами устроен намного проще и имеет минимальное количество движущихся элементов. Так, для запуска электрического мотора не требуется стартер, а на трансмиссию уже не возложены такие серьёзные обязанности как у авто с ДВС. Причина этого в общем-то проста: электродвигатель предлагает высокий показатель тяги начиная с самого момента запуска.

Совершенство электромоторов даёт их обладателям ещё несколько преимуществ:

• нет требуется система охлаждения;
• не нужна и выхлопная система, а значит не будет шума и вредных выбросов в атмосферу.

Каждый уважающий себя автогигант и не только, выделяет на разработку электромобилей огромные средства, прекрасно понимая, что за ними будущее и от этого никуда не деться. Так почему бы не начать всё как можно раньше?

Основные компоненты у большинства электромобилей такие:

• электрический силовой агрегат (может быть один, а может и несколько);
• аккумуляторная батарея;
• упрощённая трансмиссия (ступенчатая либо бесступенчатая);
• тяговый инвертор;
• интегрированное зарядное устройство;
• электронный контроллер управления компонентами системы.

Особенности кузова электрического автомобиля

Как должен выглядеть современный электромобиль? Очень интересный вопрос, на который кстати, имеется множество ответов. Дизайнеры, как правило, стараются выделить «электрички» из общего потока однотипных транспортных средств оснащённых ДВС, придавая своим творениям футуристический, смелый и даже диковинный образ. Этим стилисты хотят подчеркнуть то обстоятельство, что их разработка тесно связана с будущим. Но в то же время, имеет место и масса электрокаров, которые внешне можно легко спутать с традиционными машинами, к которым все привыкли с детства. Кроме того, производитель, дабы снизить затраты на производство своей продукции, часто идёт более рациональным путём: кузов не требующий глобальных переделок, просто берётся от «старшего брата» с двигателем внутреннего сгорания, поэтому внешне, обе модификации практически идентичны.

При создании электромобиля с нуля, особое внимание уделяется аэродинамическим свойствам его кузова и делается это по той причине, что автомобиль с низким сопротивлением воздушным массам, как и в случае с обыкновенными авто, будет затрачивать меньше энергии. Однако в случае с электрической машиной, это намного важнее, так как современные электрокары не могут на данный момент похвастать внушительным пробегом на одном заряде. Есть конечно и исключения, но их не много и всё равно они грандиозно проигрывают автомобилям с ДВС.

Вот пример: всенародно любимый Форд Фокус работающий на бензине, сподобился проехать на полном баке 1789 километров, в то время как элитный электрокар Tesla Model S, может протянуть на полном заряде всего 500 километров. А знаете, сколько пройдёт электрическая вариация Ford Focus Electric? 185 километров, всего-навсего! Как думаете, для кого показатель аэродинамического сопротивление окажется критичней? Думается, после таких технических характеристик, всем, итак, понятно, почему разработчики борются за каждый лишний километр пробега электромобиля любыми способами.

«Сердце» электрокара — что оно из себя представляет?

К электрическому силовому агрегату устанавливаемому на электромобили, инженеры предъявляют особые требования, причём они достаточно жёсткие. Не первом месте у разработчиков стоит мощность мотора, варьирующаяся от нескольких десятков, до нескольких сотен кВт. Производители ставят на свои электрифицированные средства передвижения разные типы электродвигателей, отличающиеся устройством, принципом запитки и управления. Это могут быть электродвигатели постоянного и переменного тока, асинхронные и синхронные, коллекторные и бесщёточные.

Но, какой бы электрический мотор не установили конструкторы на своё детище, его характеристики, надёжность и простота эксплуатации весомо перебивают возможности ДВС.

Преимуществ тут целый набор:

1. Если брать по коэффициенту полезного действия, то тут у электромотора бесспорное превосходство над двигателем внутреннего сгорания: КПД электрического агрегата — 90-95%, КПД традиционных ДВС — 22-60%.

2. Максимальный крутящий момент доступен практически с первых секунд запуска электрического силового агрегата и кроме того, он держится на максимуме при любых оборотах.

3. Электродвигатели, которые устанавливаются на среднестатистический электромобиль, не нуждаются в принудительном охлаждении.

4. Электромотор может функционировать как генератор (в режиме рекуперации).

5. Электрический двигатель практически не нуждается в обслуживании.

Нужна ли электромобилю трансмиссия?

Это очень интересный вопрос, на котором был сделан акцент ещё в начале статьи, ведь несведущие юзеры действительно не знают, есть ли на электрокарах коробка передач, вернее они думают, что по традиции точно есть. Так вот, коробка передач в электрической машине в привычном понимании практически не используется, её место занимает простенький редуктор с одной ступенью. Он преобразует высокие обороты электромотора в более низкие, которые требуются для передачи на ведущие колёса транспортного средства.

Очень эффективным решением является мотор-колесо, когда весь электродвижок дислоцируется непосредственно в ступице колеса. Поэтому, сами понимаете, потребность в трансмиссии здесь просто отпадает сама собой. Однако у такой компоновки имеет место и недостаток: по причине увеличения неподрессоренной массы на колёсах, даёт о себе знать ухудшение управляемости авто. Подробнее о мотор-колёсах для электромобиля писалось в этой теме, так что, данная разработка без сомнений имеет перспективы, но, к сожалению, развивается всё это мероприятие довольно медленно.

Конечно, бывают случаи, когда коробка передач всё-таки присутствует на электрифицированном автомобиле, но здесь речь идёт о «домашних» переделках: типа ВАЗовская классика и иже с ней с электродвигателем под капотом. Естественно, это не электромобиль с чистого листа, а всего лишь переделанный ДВС-ник. Подробнее от таких технических манёврах можно узнать из этой статьи.

Дополнительные узлы

Электронная составляющая современных электрокаров развита по полной программе, ведь на ней лежит большая ответственность. Она должна обеспечивать слаженную работу всех датчиков и систем, эффективно отслеживать заряд аккумуляторной батареи, дабы электрокар просто не остановился в самый неподходящий момент прямо посредине дороги, да много чего ещё делает умная и сложная электроника.

Основное, что здесь отличает электрокар от обычной машины — зарядное устройство, предназначенное для того, чтобы была возможность заряжать «электричку» от бытовой розетки. Естественно, как и у обычных авто, на борту электрических имеются осветительные приборы и как правило, максимально энергоэффективные, сами понимаете, для электрокара экономия электроэнергии, одна из первостепенных задач, ведь каждый километр пробега на вес золота. Комфорт в салоне обеспечивает такое же оборудование, как и в стандартных машинах: электропакет, кондиционер, электрический усилитель рулевого управления, аудиосистема и т. д.

Также на электрической машине может быть установлено такое интересное приспособление, как имитатор звука работы двигателя внутреннего сгорания. Изобретение скажем так действительно полезное, ведь электромобили настолько тихие при движении, особенно на низких скоростях, что пешеход может их легко не заметить, создав тем самым аварийную ситуацию.

Аккумуляторная батарея электрокара и способы её подзарядки

На современных электромобилях широко используются высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы, которые предлагают своим обладателям срок службы до десятка лет. В то же время, у этих изделий имеются и существенные недостатки: тяговая Li-ion батарея является самым капризным и дорогостоящим компонентом любого электрокара.

Однако литий-ионные АКБ не единственная разновидность электронакопителей наилучшим образом подходящих для электрокара: в настоящее время ведутся работы по внедрению литий-полимерных аккумуляторов и суперконденсаторов. Многие лидеры мирового автопрома грозятся в ближайшее время поставить такую продукцию на поток и тогда, электрокары ещё больше приблизятся к техническому совершенству.

В зависимости от ёмкости батареи установленной на машине, на её полную подзарядку может потребоваться 8-12 часов, но процесс можно ускорить в значительной степени, правда с ущербом для накопителя. Есть специальные зарядные комплексы, позволяющие «заправить» агрегат на 80% всего за 30 минут. В некоторых странах можно воспользоваться специальными «обменными пунктами», на которых севший аккумулятор можно легко поменять на заряженный такого же типа.

Разработчики идут на разные ухищрения, чтобы увеличить пробег машины на одном заряде и одним из таких фокусов, является использование солнечных панелей, позволяющих хоть и немного, но подзаряжать электромобиль во время движения.

Что входит в задачи контроллера?

Электроника преобразовывает постоянное высокое напряжение, отдаваемое электробатареей, в требуемое в определённый момент. На контроллер возложены обязанности по энергосбережению, обеспечению комфорта при движении, также данный элемент следит за безопасностью водителя и пассажиров.

Конкретно, устройство предлагает такие функции:

• управление высокими токами и напряжением;
• регулировка тяги и динамики;
• обеспечение оптимального расхода электроэнергии;
• мониторинг состояния аккумуляторной батареи;
• управление рекуперацией торможения;
• зарядка обыкновенного аккумулятора на 12 V (обычная батарейка также присутствует на борту электромобиля).

Как в электромобиле работает печка?

Зимой с электромобилем дела обстоят не так, как с его оппонентами оборудованными двигателями внутреннего сгорания, но в любом случае, у печки электрокара принцип работы прост: её спирали нагреваются за счёт электроэнергии аккумулятора. Несмотря на то, что в последнее время в сети всё чаще встречается информация об инновационных разработках касающихся подачи тепла и его источников, принцип обогрева внутреннего пространства электрокара, остаётся вполне традиционным.

Акцент на энергосбережении вынуждает разработчиков делать обогрев салона максимально эффективным: температура внутреннего пространства доходит до комнатного показателя или даже выше, всего за несколько минут. Особое внимание уделено подогреву рулевого обода и посадочных мест, не отбирающего много энергии у АКБ.

Но, как ни крути, а печка электрокара может забрать у накопителя весьма солидную долю заряда, что естественным образом повлияет на сокращение пробега на одном заряде. Если взять за пример такой популярный электрический автомобиль как Ниссан Лиф, то, как показывает опыт эксплуатации большого количества обладателей этой машины, в летнее время на одном заряде можно вытянуть 150 километров, однако если за бортом температура хотя бы -2 градуса, от 150-километрового пробега не остаётся и следа — можно рассчитывать максимум на 90-110 км. Но и это ещё не всё: когда столбик термометра опускается до температуры -15, то преодолеваемая дистанция становится просто смехотворной — 40-80 километров, это во зависимости от поддерживаемой температуры и стиля езды.

Из всего выше сказанного можно сделать вполне логический вывод: зима — самое худшее время года для езды на электрокаре и если в нём нет такой острой необходимости, то зимой лучше отдать предпочтение общественному транспорту.

Общий принцип работы электрокаров

В общем, подавляющее количество современных электромобилей имеют довольно простое устройство, а отличия между ними наблюдаются лишь в отдельных моментах организации функционирования оборудования.

Для того, чтобы электрокар мог ездить, в его распоряжении должно быть не так уж и много:

• электрический силовой агрегат;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер.

От электронакопителя ток подаётся на контроллер, коммутируется в тот, который нужен в конкретный момент и далее направляется к электродвигателю. Регулировка количеством поставляемой на мотор энергии осуществляется посредством педели газа — при воздействии на неё, будет формироваться соответствующий сигнал. Сопоставляя эти данные с данными других систем и датчиков, контроллер регулирует мощность поставляемую на силовой агрегат.

Перспективы электромобилей

Конечно, у электрокаров имеется большое количество неоспоримых преимуществ над ДВС-никами и если бы не критическая зависимость от источников питания и завязанный на это запас хода (естественно, куда более скромный по сравнению с бензиновыми и дизельными оппонентами), то вполне вероятно, ДВС не занимали бы лидирующие позиции в автопроме целое столетие. Электрическую тягу на транспортных средствах начали использовать ещё за 50 лет до того, как придумали двигатели работающие на горючем и кстати, первые рекорды скорости были установлены именно электромобилями.

Что касается России, то электромобили у нас всё ещё воспринимаются рядовыми гражданами в штыки: стоят они для добропорядочного человека непомерно дорого, да и «заправлять» по большому счёту их просто негде, кроме как у себя дома, томясь многочасовым ожиданием. Но в то же время, российские производители уже взяли прицел на мировой тренд, предложив общественности такие разработки как «Ока электро», «Лада Ellada» и «Лада Веста EV».

Могут ли они предложить своим владельцам что-то наподобие американской Теслы или хотя бы Ниссан Лиф на худой конец? Навряд ли! Отечественные разработки являются скорее суррогатами, нежели альтернативами зарубежных электромобилей. Причём предпочтение отечественному производителю, мало кто отдаёт — все берут прорекламированную продукцию, а не изделие от АвтоВАЗа, которые и с двигателями внутреннего сгорания, явно не конкуренты оппонентам из зарубежья. Кроме того, в отечественных разработках используются импортные детали, без которых на данный момент просто не возможно обойтись российскому автопрому, решившему поддержать «электромобильный» ход.

Заключение

Однозначно, электромобиль перед классическим исполнением транспортных средств остаётся в выигрыше практически во всём. Очевидно, будущее как раз именно за ним, ну а пробелы с высокой себестоимостью и несовершенством аккумуляторных батарей, со временем неизбежно сойдут на нет, нужно только подождать и всё будет как нужно, как было в случае с тем же ДВС.

Источник https://topnewsrussia.ru/chto-takoe-can-shina-v-avtomobile-ystroistvo-i-shema-podklucheniia/

Источник https://natoke.ru/articles/224-ustroistvo-sovremennogo-elektromobilja.html

Источник

Источник