平流层无人飞艇能源系统CAN总线拓扑研究_刘硕.pdf

2023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计收稿日期：2022-11-12作者简介：刘硕(1993)，男，河北省人，工程师，主要研究方向为临近空间无人飞行器能源系统。平流层无人飞艇能源系统CAN总线拓扑研究刘硕，李钏，刘文平，宋建青，王海政(中电科能源有限公司，天津 300384)摘要：针对平流层无人飞艇能源系统的CAN总线通讯架构，对常用的几种传统CAN总线连接拓扑进行可靠性分析、对比，得出这几种拓扑连接网络的优劣势，结合当前发展，提出一种双裕度CAN总线可靠性模型，并在此模型基础上，对平流层CAN总线单线式和级连式两种电缆拓扑结构进行对比分析，对于设计平流层无人飞艇能源系统 CAN总线通讯架构形式具有重要的指导意义。关键词：无人飞艇；能源系统；CAN总线；可靠性中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)06-0817-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.06.028Research on CAN bus topology of energy system for stratosphericunmanned airshipLIU Shuo,LI Chuan,LIU Wenping,SONG Jianqing,WANG Haizheng(CETC Energy Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:Aiming at the CAN bus communication architecture of the energy system for stratospheric unmannedairship,the reliability analysis and comparison of several commonly used traditional CAN bus connection topologieswere carried out,and the advantages and disadvantages of the topological connection networks were obtained.Thedouble-margin CAN bus reliability model were proposed,and on the basis of this model,the comparative analysis ofthe two cable topologies including single wire and cascading of the stratospheric CAN bus was carried out.Theresearch has important guiding significance for designing the CAN bus communication architecture of the energysystem for stratospheric unmanned airship.Key words:unmanned airship;energy system;CAN bus;reliability平流层无人飞行器作为未来空天战场的重要组成部分，由于其自身特殊的环境和位置优势，成为近年来的研究热点，平流层无人飞艇相比于超压球、无人机两种飞行器，由于其驻空时间长、载重量大等特点，近年来越来越受到研究学者的热爱和追捧。平流层无人飞艇一般飞行高度为大气层的平流层带，其风速一般达到 1020 m/s，飞艇需要具有大量的动力保持飞行状态，所以目前平流层无人飞艇能源系统采用太阳能与储能作为整个系统的动力来源，即夜晚采用储能电池为整个飞艇系统供电，白天采用高效太阳电池板为整个飞艇系统供电，同时为储能电池充电，最终达到飞艇能源系统能量平衡，实现飞艇的能量供应。平流层无人飞艇能源系统目前较为常见的为分布式系统架构，分布式能源系统拓扑的优势在于系统可靠性较高，但是系统架构较为复杂，对系统通信架构形式提出了较高要求，尤其当分布式能源系统中单机数量越来越多时，整个系统的通信方式显得尤为重要，总线技术成为新一代平流层能源系统的研究目标。1553B总线是目前在航空航天领域应用最为广泛的总线技术，它传输速率高、抗干扰能力强，但是成本过于高昂，无法在平流层无人飞艇能源系统动辄上百个单机中推广使用1-2。CAN总线是一种新型的串行总线，其成本低，可同时接入多个节点，在使用得当时抗干扰能力可比肩1553B总线，目前已成为平流层无人飞艇能源系统总线的首选3。1 CAN总线拓扑分析1.1 CAN总线特点在平流层飞艇通信技术发展中，CAN总线作为一种新兴的总线技术，最初是为了在汽车工业中解决诸多电子单元之间的数据交换而开发的一种串行通信协议，通信载体通常为双绞线或光纤，在短距离通信状态下，其传输速率最高可达到1 Mb/s，目前成熟应用于平流层分布式能源系统中。相较于传统串口总线通讯而言，CAN总线具有明显的优越性。1.1.1 各节点之间数据交互实时性强CAN总线各个节点可处于多种工作模式，各节点根据访问优先权以仲裁的方式向总线发送数据，同时，CAN 总线自身协议以通讯数据进行编码，取代了站地址编码，这就使得网络中不同的节点可以同时接收到相同的数据4，提高了网络各节点数据交互的实时性，同时容易形成冗余备份结构，增强了通讯网络的可靠性。8172023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计1.1.2 开发周期短CAN总线存在一套完整的内部通讯协议，并且可由CAN芯片及其对应接口芯片实现，这样使得系统的开发难度大大降低，开发周期大大缩短，这些特点是 RS-485 总线不具备的5。CAN 总线收发器的输出接口与物理总线直接相连，CAN_H 端的状态是高电平或悬浮态，对应 CAN_L端的状态是低电平或悬浮态，当在总线上出现同时发送显性和隐形位时，其结果是总线数值为显性，如图 1所示，VCAN_H和 VCAN_L为总线的两个接口电压值，两个电压之间进行差分形成总线CAN信号。这样就会使得整个总线网络中在多个节点发送数据时，不会呈现一个总线短路态，而总线短路态在仅有电气协议的 RS-485总线中是时常发生的现象，同时在 CAN 总线网络中即便发生严重错误，节点具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响6。1.2 CAN总线连接拓扑分析CAN总线拓扑有很多类型可供使用，如星形、环形、单线形等，在典型平流层能源系统通讯框架设计中，星形、单线形连接应用较为广泛。星形连接拓扑架构常应用于小型平流层飞艇、高空球、系留艇系统拓扑中，如图 2 所示，能源系统中各单机数量较少，仅由电源控制器、储能锂电池、太阳电池阵构成，这种系统较为简单，设计总线通讯架构时可采用星形连接拓扑架构。如图3所示，星形拓扑架构的优点在于总线的设计简单，电缆架构容易实现，但此种架构需注意终端电阻的设计，采用多终端的方式实现，在三个分支中配置对应的终端电阻，且阻值为180，保持总线中总体阻抗为60，满足CAN总线中特征阻抗值的要求。此种总线设计架构中，实际阻抗为所有终端电阻并联，即星形连接分支越多，每个分支的终端电阻值越大，这会导致线路的阻抗值与每个分支中CAN收发器的输出驱动能力不匹配，造成整个CAN总线不稳定，一般考虑到平流层环境的复杂性及能源系统在飞艇中的重要性，在使用CAN总线星形连接拓扑架构时，分支数量需不超过4个，这也就从根本上否定了其在大型平流层无人飞艇应用的可能。单线形连接拓扑架构常应用于大型平流层无人飞艇系统拓扑中，如图 4所示，为了实现飞艇的负载需求，同时满足整个飞艇能量平衡，需配置的太阳电池阵、储能锂电池组的规模和量级也在不断增加，这就必须采用分布式能源系统的架构设计，提高整个系统的可靠性，提高可靠性的同时也对整个系统的通讯架构产生了要求，可采用CAN总线单线形连接拓扑架构，如图5所示。这种单线形连接形式在总线的两端都连接一个终端电阻，通常电阻阻值为120，两个电阻并联保持整个总线的阻抗值为 60，这种连接形式中每个节点之间相互独立，每个节点好比于单元楼的“住户”，每户都从电网中取电，互相之间互不影响，星形连接拓扑架构虽然容易实现，结构简单，但由于大型平流层无人飞艇中单机节点太多，CAN总线的数据传输的实时性和有效性不能得到可靠保证，因此，通常采用单线形连接拓扑结构。1.3 CAN总线拓扑可靠性分析由图 5可以看出，平流层无人飞艇能源系统所有的设备均以类似电网取电的方式连接在 CAN 总线上，所以 CAN总线的可靠性直接决定了整个飞艇能源系统的可靠性，下面对整个CAN总线进行建模分析。平流层无人飞艇能源系统 CAN 总线可靠性模型如图 6所示。可见，整个模型为串联系统，可由式(1)表示：(1)整个系统的可靠性 P由各个单机的可靠性保证，每个单机发生故障直接影响整个系统的可靠性。通常，在失效性、可靠性分析中，常用指数分布描述整个系统各单机的失效图1CAN总线差分电压示意图图2小型平流层无人飞行器典型拓扑图3CAN总线星形连接拓扑图4大型平流层无人飞艇典型拓扑图5CAN总线单线形连接拓扑图6传统平流层飞艇CAN总线可靠性模型()()()()()P tA tB tE tF t=8182023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计性7。密度函数为：(2)其分布函数为：(3)式中：代表各单机的失效率，为一常数。通常可靠性函数表述为：(4)将可靠性函数代入整个系统的可靠性模型，可得出：(5)式中：m代表第m个电子单机的失效率。由此可见，整个系统可靠性由各个单机的可靠性串联组成，系统中一个单机故障就会造成整个系统故障，如果能提升系统中各个单机的可靠性，便可以提升整个系统的可靠性，将图6中系统的可靠性模型进行优化，将其设计为并联结构，提高每个单机的冗余度。如图 7所示，整个系统的CAN总线可靠性模型可以看作不同的单机串并联组成，可靠性模型如式(1)所示，双裕度单机的可靠性模型可表示为：(6)将可靠性函数式(4)代入，可得双裕度单机的可靠性模型：(7)整个系统的可靠性模型为：(8)式中：Q(t)代表系统中双裕度电子单机的可靠性；B(t)代表系统中CAN总线的可靠性。相应地，将每个单机的可靠性函数代入式(8)中，可得出：(9)即：(10)由式(10)与(5)对比可知，双裕度单机单 CAN总线系统可靠性显著提高，由式(10)中可看出，1et的值域为(0,1)，如果在整个系统可靠性模型中继续增加双裕度单机的数量，就可以继续提高系统的可靠性，但与此带来的问题就是系统的规模、体积和质量等会变得越来越大，这显然与平流层无人飞行器轻量化的设计理念是相悖的。对式(10)分析可看出，整个模型尾项参数失效率 b严重影响系统的可靠性，如果能够降低CAN总线对系统可靠性的影响，整个系统可靠性将会显著提高，如此可在牺牲无人飞行器部分质量的前提下，将飞行器CAN总线改为双总线备份冗余设计，即系统的CAN总线模型改为双裕度冗余模型，整个系统优化后的总线模型如图8所示。则整个系统的可靠度模型为：(11)在单总线双裕度模型基础上，提高 CAN 总线的备份设计，整个系统 CAN 总线模型由 CAN_1、CAN_2 两条 CAN 总线组成，各单机的CAN总线模块分别由两个完全一致且互相独立的 CAN收发器构成，分别与 CAN_1、CAN_2总线连接，在运行时各单机例如 MPPT、DC/DC、BMS 等同时通过两条CAN总线发送遥测数据，能源管理器发送命令后通过两个独立的CAN总线模块向各个单机发送控制指令。2 CAN总线电缆设计比较与分析分析得出双裕度CAN总线模型为可靠度最高的，但是在实际应用时，如何实现双CAN总线的电缆设计成了关注的焦点，根据传统领域 CAN总线单线拓扑设计原则，设计了两种方法，即级连式和单线式。级连式CAN总线拓扑电缆设计如图9所示，各个单机之间互相连接，系统规模越大，使用的电缆数量越多，二者为线性正相关，终端电阻一