Побудова комунікаційної системи електромобіля на базі мікроконтролерів RenesasS7G2

Abstract

У бакалаврській кваліфікаційній роботі вирішено комплексне науково-практичне завдання — розроблено, змодельовано та реалізовано комунікаційну мережу електромобіля. Результатом стало створення функціонального лабораторно-дослідницького стенду на базі мікроконтролера Renesas S7G2, призначеного для вивчення процесів взаємодії між електронними системами сучасного транспортного засобу. Актуальність дослідження зумовлена стрімким розвитком ринку електромобілів, ускладненням їхньої архітектури та, як наслідок, зростанням вимог до надійності, швидкодії та безпеки бортових комунікаційних мереж. Метою роботи є розробка комунікаційної мережі електромобіля із застосуванням мікроконтролера Renesas S7G2 та її реалізація на лабораторно-дослідницькому стенді. Об’єкт дослідження — процеси взаємодії компонентів електромобіля, предмет — комунікаційна мережа на основі Renesas S7G2, що використовується у складі навчального стенду. У процесі виконання роботи проведено глибокий аналіз архітектури електромобіля та його ключових підсистем: тягової батареї, системи керування батареєю (BMS), електроприводу, терморегуляції та стабілізації. Детально розглянуто вимоги до їхньої взаємодії та обміну даними. Проведено порівняльний аналіз основних автомобільних протоколів передачі даних — CAN, Automotive Ethernet, I2C. На основі цього обґрунтовано вибір CAN-шини як основного засобу зв’язку завдяки її надійності, стійкості до завад, механізмам пріоритезації повідомлень і вбудованим засобам виявлення помилок. Центральним елементом системи виступає мікроконтролер Renesas S7G2, вибір якого обумовлено високою продуктивністю (ядро ARM Cortex-M4, частота до 240 МГц), значними обсягами пам’яті (до 4 МБ Flash, 640 КБ SRAM) та широким набором комунікаційних інтерфейсів, зокрема CAN/CAN FD, Ethernet, I2C. Практична частина роботи включала створення фізичного стенду та моделювання у MATLAB/Simulink. Зібрано лабораторний стенд на двох платах Renesas S7G2, що обмінюються даними через CAN-шину. Розроблено програмне забезпечення мовою C з використанням HAL-бібліотек: реалізовано повний цикл передачі даних — ініціалізацію CAN-модуля, формування й періодичну відправку повідомлень, а також обробку отриманих даних через зворотні виклики. Це дало змогу змоделювати роботу двох ECU в умовах лабораторії. У MATLAB проаналізовано кілька проектів: – за допомогою CAN Explorer продемонстровано прийом, декодування та візуалізацію CAN-даних; – створено модель системи попередження про зіткнення (FCW) з інтеграцією CAN FD і TCP/IP, де експериментально підтверджено зниження часу обробки алгоритму з 41,46 мс до 0,87 мс; – розроблено графічний інтерфейс для тестування круїз-контролю в середовищі Simulink з реалізацією концепції Model-in-the-Loop (MIL). Окрему увагу приділено питанням охорони праці: перевірено відповідність умов у лабораторії чинним нормам, обґрунтовано доцільність модернізації освітлення. За результатами економічного аналізу встановлено загальну вартість створення лабораторного стенду — 96 933,92 грн, що підтверджує фінансову обґрунтованість проекту. Створений стенд є ефективним, безпечним і економічно виправданим інструментом для навчання та підготовки фахівців у галузі автомобільної електроніки та вбудованих систем. Об’єкт дослідження – процеси взаємодії компонентів електромобіля. Предмет дослідження – комунікаційна мережа електромобіля на базі мікроконтролера Renesas S7G2 для лабораторно-дослідницького стенду. Мета роботи – розробка комунікаційної мережі для електромобіля з використанням мікроконтролера Renesas S7G2 та її реалізація на лабораторно-дослідницькому стенді.

The introduction substantiates the relevance of developing an electric vehicle communication network in the context of growing transport electrification, the need for effective interaction between electronic systems, and the introduction of autonomous functions. Current challenges in the areas of safety, performance, and flexibility of control systems are taken into account. The first chapter analyses the key subsystems of an electric vehicle: traction battery, electric drive, control system, charging system, thermal regulation and stabilisation. Their role, operating principles and interaction requirements within an integrated system are described. The second chapter analyses the data exchange protocol between subsystems. The choice of CAN bus as the main means of communication is justified by its reliability, flexibility and the availability of error detection mechanisms. The structure of CAN, the principles of arbitration, error detection and protection are described in detail. The third chapter presents the characteristics of the Renesas S7G2 microcontroller, in particular its functional capabilities, peripheral interfaces, and advantages in the context of building a communication network for an electric vehicle. The fourth chapter implements a project to build a communication network based on Renesas S7G2 on a laboratory research stand. A program has been created to ensure data exchange, system interaction has been tested, and functionality has been verified under simulated conditions. The fifth and sixth chapters discuss occupational safety issues and provide an economic justification for the implementation of the system. The conclusions summarise the main results and directions for further development. The object of research is the interaction processes of electric vehicle components. The subject of the study is the communication network of an electric vehicle based on the Renesas S7G2 microcontroller for a laboratory research stand. The aim of the work is to develop a communication network for an electric vehicle using the Renesas S7G2 microcontroller and its implementation on a laboratory research stand.