非車(chē)載充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

吳詩(shī)宇，史瑞祥（重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

非車(chē)載充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

吳詩(shī)宇，史瑞祥
（重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，非車(chē)載充電機(jī)的使用越來(lái)越廣泛。GB/T 27930-2011規(guī)范了電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議。本文就通信協(xié)議進(jìn)行研究，并搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，為通信協(xié)議的監(jiān)測(cè)和通信系統(tǒng)的調(diào)試提供便利。

電動(dòng)客車(chē)；非車(chē)載充電機(jī)；電池管理系統(tǒng)；通訊協(xié)議；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的普及，蓄電池充電越來(lái)越受到重視。蓄電池充電設(shè)備分為車(chē)載充電機(jī)和非車(chē)載充電機(jī)。車(chē)載充電機(jī)是利用地面交流電網(wǎng)對(duì)電池組進(jìn)行充電，完全按照蓄電池的種類(lèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)性較強(qiáng)，交流電網(wǎng)只需是一個(gè)提供固定電壓的電源。由于車(chē)載充電機(jī)本身安裝在整車(chē)上，會(huì)增加電動(dòng)汽車(chē)的重量和成本［1-2］，常用于線(xiàn)路靈活、功率較小的小型汽車(chē)。而對(duì)于大型汽車(chē)，由于充電機(jī)功率、重量較大，適合使用非車(chē)載充電機(jī)。使用非車(chē)載充電機(jī)可以減小整車(chē)重量，但交通線(xiàn)路中必須要有非車(chē)載充電機(jī)，并且電池也要是非車(chē)載充電機(jī)可以滿(mǎn)足的類(lèi)型［3-4］。非車(chē)載充電機(jī)適合于有固定線(xiàn)路的大型汽車(chē)，如客車(chē)。為了保證充電過(guò)程的安全、高效，需要非車(chē)載充電機(jī)（以下稱(chēng)為充電機(jī)）和電池管理系統(tǒng)（以下稱(chēng)為BMS）之間進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交互，即需要通信協(xié)議。

1　通信協(xié)議簡(jiǎn)述

我國(guó)推出了《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》GB/T 27930-2011［5］來(lái)規(guī)范充電機(jī)與BMS的通信。該協(xié)議是基于SAE J1939物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層上的［6-7］，并在SAE J1939上做了適合于充電機(jī)和BMS的規(guī)定。具體簡(jiǎn)述如下：

1）對(duì)于物理層，協(xié)議基于SAEJ1939。另外，充電機(jī)與BMS通信速率可采用50 kbit/s、125 kbit/s、250 kbit/s。需按系統(tǒng)要求配置監(jiān)聽(tīng)器波特率才能監(jiān)聽(tīng)到通信數(shù)據(jù)。

2）對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層，協(xié)議使用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符，每個(gè)位的定義符合SAE J1939。每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）［8］，如圖1所示。其中P為優(yōu)先位，從0到7，數(shù)據(jù)越小，優(yōu)先級(jí)越高，缺省為6；R和DP為0；PF為參數(shù)組編號(hào)（以下稱(chēng)為PGN）中間有效位；PS為目標(biāo)地址；SA為源地址。當(dāng)數(shù)據(jù)域小于8個(gè)字節(jié)，使用一個(gè)PDU；當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)8個(gè)字節(jié)，使用傳輸協(xié)議功能，來(lái)建立和關(guān)閉多包的通信。

3）傳輸協(xié)議功能用于數(shù)據(jù)超過(guò)8字節(jié)的多幀傳輸。發(fā)送者按此機(jī)制拆分發(fā)送，接收者按此機(jī)制接收重組，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)未發(fā)生錯(cuò)誤的多幀傳輸機(jī)制如圖2所示。圖2中，TP.CM_RTS為充電機(jī)發(fā)送的“請(qǐng)求發(fā)送”幀，由此開(kāi)始多幀傳輸，數(shù)據(jù)域包含了全部字節(jié)數(shù)、全部數(shù)據(jù)包數(shù)（TP.DP包數(shù)）。BMS發(fā)送“準(zhǔn)備好接收”幀TP.CM_ CTS，數(shù)據(jù)域包含下次可發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)、下一個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)包編號(hào)。充電機(jī)根據(jù)BMS要求開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包TP.DP，數(shù)據(jù)域第一個(gè)字節(jié)代表了包號(hào)，一個(gè)數(shù)據(jù)包最多包含7個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。TP.EndofMsgACK代表著多幀傳輸?shù)慕Y(jié)束［9］。

4）對(duì)于應(yīng)用層，協(xié)議采用周期發(fā)送和事件驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)；各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)PGN來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)包的內(nèi)容；應(yīng)用層應(yīng)采用參數(shù)和參數(shù)組定義的形式；如果需發(fā)送多個(gè)PGN數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，應(yīng)用層應(yīng)同時(shí)收到該定義的多個(gè)PGN報(bào)文，才判斷此功能發(fā)送成功。

5）對(duì)于充電總體流程，包括四個(gè)階段：充電握手、充電參數(shù)配置、充電階段和充電結(jié)束階段。如在5 s內(nèi)沒(méi)有收到正確報(bào)文，即判定為超時(shí)，然后進(jìn)入錯(cuò)誤處理狀態(tài)，即重新物理連接或者重新握手［9-10］。

2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建及試驗(yàn)

2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建

由于CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報(bào)文，比如站地址，由接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文本身特征判斷是否接收這幀信息，故在中間增加監(jiān)聽(tīng)器不破壞充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)本身。配置監(jiān)聽(tīng)器波特率為系統(tǒng)波特率時(shí)，能收到所有通信數(shù)據(jù)［6-7］。為便于檢測(cè)、調(diào)試、研究充電機(jī)與BMS的通信系統(tǒng)，需要搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)聽(tīng)器和上位機(jī)及其軟件組成，軟件可以啟動(dòng)并配置監(jiān)聽(tīng)器，可以在線(xiàn)或離線(xiàn)辨識(shí)通信過(guò)程和通信數(shù)據(jù)。監(jiān)聽(tīng)器安裝在通信線(xiàn)路上，監(jiān)聽(tīng)器的CANH連接通信線(xiàn)路的CANH，監(jiān)聽(tīng)器的CANL連接通信線(xiàn)路的CANL。由于監(jiān)聽(tīng)器為CAN總線(xiàn)的中間節(jié)點(diǎn)，不接終端電阻。監(jiān)聽(tīng)器通過(guò)USB串口電纜接到上位機(jī)。監(jiān)聽(tīng)器把充電機(jī)與BMS通信過(guò)程的所有CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。監(jiān)測(cè)時(shí)，用上位機(jī)啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)器，配置其波特率為充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)的波特率，監(jiān)聽(tīng)器就能接收所有通信數(shù)據(jù)，上位機(jī)也就能接收到這些數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

使用C#編寫(xiě)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，軟件完成監(jiān)聽(tīng)器的配置、數(shù)據(jù)的接收、在線(xiàn)辨識(shí)、離線(xiàn)辨識(shí)、保存數(shù)據(jù)及生成檢測(cè)報(bào)告等。主要代碼如下：

1）配置監(jiān)聽(tīng)器主要代碼：

baud=GCanBrTab［comboBox_e_u_baud.Selected Index］；

VCI_SetReference（m_devtype，m_devind，m_canind，0，（byte*）&baud）；//配置波特率。

2）接收數(shù)據(jù)主要代碼：

VCI_CAN_OBJobj=（VCI_CAN_OBJ）Marshal.PtrTo-Structure（（IntPtr）（（UInt32）pt+i*Marshal.SizeO（f typeof（VCI_CAN_OBJ））），typeo（f VCI_CAN_OBJ））。

3）數(shù)據(jù)在線(xiàn)辨識(shí)部分代碼：

Res.Data［0］=System.Convert.ToInt32（obj.Data［0］）；Res.Data［1］=System.Convert.ToInt32（obj.Data［1］）；voltage=（Res.Data［1］*256+Res.Data［0］）*0.1；//充電機(jī)充電狀態(tài)電壓輸出值。

2.2試驗(yàn)及其結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程：安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，上位機(jī)程序配置并啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)器，操作充電機(jī)開(kāi)始充電，上位機(jī)接收到通信數(shù)據(jù)和辨識(shí)結(jié)果。試驗(yàn)使用的BMS為334 V，60 Ah的鈦酸鋰電池組管理系統(tǒng)。試驗(yàn)的充電通信流程如圖4所示；監(jiān)聽(tīng)器接收到的部分?jǐn)?shù)據(jù)（使用傳輸協(xié)議）如表1所示；把接收到的TP.DP數(shù)據(jù)用GB/T 27930-2011來(lái)人工解析［5］，解析結(jié)果如表2所示；報(bào)文在線(xiàn)辨識(shí)界面見(jiàn)圖5。

表1　接收到的部分?jǐn)?shù)據(jù)

表2　接收到的數(shù)據(jù)解析結(jié)果

從圖5可以看出，由本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的試驗(yàn)結(jié)果后處理軟件得到SPN辨識(shí)，結(jié)果更便捷、更直觀(guān)。另外，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以把所有的辨識(shí)結(jié)果生成檢測(cè)報(bào)告，檢測(cè)報(bào)告可以以第三方的角度研究和分析BMS的充電策略和BMS充電過(guò)程中電壓、電流的變化，從而檢測(cè)報(bào)告可以作為充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)檢測(cè)的參考材料。

3　結(jié)束語(yǔ)

使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以接收到非車(chē)載充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)，可以完成在線(xiàn)辨識(shí)、離線(xiàn)辨識(shí)、保存數(shù)據(jù)及生成檢測(cè)報(bào)告等功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用為通信協(xié)議的檢測(cè)、研究和通信系統(tǒng)的調(diào)試提供了便利。

［1］陳一平.車(chē)載智能快速充電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［2］李國(guó)洪，李志永，解紅巖.基于DSP的車(chē)載充電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電源技術(shù)，2014，38（1）：116-119.

［3］丁心志，畢志周，曹敏，等.電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)技術(shù)分析與試驗(yàn)研究［J］.電測(cè)與儀表，2012，49（4）：14-17.

［4］陳良亮，張蓓蓓，周斌，等.電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)充電模塊的研制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（7）：81-85.

［5］GB/T 27930-2011，電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［6］孟曉楠.SAE J1939協(xié)議分析和Smart J1939系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［7］SAE J1939StandardsCollection.Recommended Practice fora SerialControl and Communication Vehicle Network［S］.Society of Automotive Engineer，2006.

［8］高松，高燕.淺談J1939協(xié)議在客車(chē)CAN總線(xiàn)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2005，（10）：30-31.

［9］董剛.國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議充電過(guò)程詳解［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2014，36（1）：59-61.

［10］雷洪鈞.CAN總線(xiàn)在城市客車(chē)上的應(yīng)用［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2009，31（1）：48-51.

修改稿日期：2015-02-10

Research on M onitoring System of Communication ProtocolsBetween Off-board Conductive Charger and Battery M anagem ent System

Wu Shiyu，ShiRuixiang
（Chongqing Vehicle Test&Research Institute，NationalCoach Quality Supervision&Testing Center，Chongqing401122，China）

With the popularity ofelectric vehicles，the off-board conductive charger isusedmore andmorewidely. GB/T 27930-2011 standardizes communication protocols between off-board conductive charger and batterymanagementsystem for electric vehicles.The authorsstudy the communication protocols，and build themonitoring system to carryout the test，in order toprovide the convenience for monitoring the communication protocolsand debugging the communication system.

electric bus；off-board conductive charger；battery management system；communication protocols；monitoringsystem

U 463.63+3

A

1006-3331（2015）04-0060-03

吳詩(shī)宇（1986-），男，碩士；工程師；主要從事車(chē)輛電器檢測(cè)技術(shù)的研究工作。