電動汽車電池管理系統(tǒng)模擬設(shè)備的研制

湯向華+劉輝+杲先鋒+錢俊偉+汪興興

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.32.025

摘 要：基于嵌入式技術(shù)，研制了電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）模擬設(shè)備，由插件模塊、CAN收發(fā)模塊和中央處理模塊等組成。該BMS模擬設(shè)備融合了收集到的不同廠家充電樁的通信握手流程和國標(biāo)通信流程，實現(xiàn)了與不同廠家的充電樁按照廠家標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)交互；實現(xiàn)了與不同廠家的充電樁按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)交互；實現(xiàn)了模擬各不相同發(fā)送周期的車上CAN數(shù)據(jù)與發(fā)送；可根據(jù)固化在程序中的各廠家電池充電時的變化曲線，充電時可以智能識別電池參數(shù)變化是否符合曲線標(biāo)準(zhǔn)，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況能夠做到實時報警。該BMS模擬設(shè)備具有小型化和攜帶方便的特點。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 模擬設(shè)備 電動汽車 新能源汽車

中圖分類號：TK 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0025-03

隨著全球經(jīng)濟發(fā)展以及城市環(huán)保等問題的日益突出，汽車業(yè)由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車向新能源汽車轉(zhuǎn)型， 新能源汽車已被世界各國所看重，我國政府先后組織“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”和“新能源汽車推廣應(yīng)用工程”等國家重大工程，有效地促進了我國新能源汽車的發(fā)展，電動汽車以零排放和噪聲低等優(yōu)點已成為新能源汽車最主要的發(fā)展方向之一[1，2]。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）[3-5]作為發(fā)展電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，倍受人們的關(guān)注，是電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

按照充電標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930—2011《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》的要求[6]，電動汽車在充電過程中，要求充電樁與BMS交互通信，并實時監(jiān)控電池的溫度、電壓等。當(dāng)前，由于充電標(biāo)準(zhǔn)制訂晚、標(biāo)準(zhǔn)普及不到位等原因，各個汽車廠家的BMS也千差萬別，不符合“GB/T 27930—2011”要求的BMS普遍存在。這給充電樁企業(yè)研發(fā)和推廣充電樁帶來了現(xiàn)實困難。充電樁企業(yè)力求研發(fā)的充電樁能適配所有的電動汽車，但是采用電動汽車實車作為檢測裝置，將面臨測試使用不方便、測試內(nèi)容不全面、無法模擬真實故障、輔助電源系統(tǒng)無法驗證、車輛動力電池充放電耗時耗力、頻繁充放電導(dǎo)致電池壽命縮短等問題，而且當(dāng)充電樁故障時可能會導(dǎo)致測試車輛損壞，這就亟需開發(fā)一種能模擬電動汽車BMS通信的設(shè)備。

1 BMS模擬設(shè)備總體設(shè)計

目前，市面上BMS模擬裝置主要應(yīng)用于直流充電樁產(chǎn)品的在線調(diào)試、下線檢測、老化試驗以及功能驗證，能夠部分模擬充電過程，但是體積龐大，運用及攜帶都極其不方便，并且設(shè)備只能做到專一對應(yīng)，無法智能識別不同廠家充電樁， 該文擬采用嵌入式技術(shù)，研發(fā)一套BMS模擬設(shè)備，該設(shè)備的數(shù)據(jù)來源主要是收集的主流廠家的BMS總線數(shù)據(jù)，系統(tǒng)按照GB/T 27930—2011的要求將數(shù)據(jù)、通信流程、控制機制固化在設(shè)備中，通電后可以自動地將實時BMS的報文向CAN總線上發(fā)送，報文主要包括電池的溫度信息、電池的總電壓信息、電池的單體電壓信息、電池的絕緣電阻信息、電池的SOC信息等。當(dāng)接入外接設(shè)備后，可以自動實現(xiàn)與充電樁的握手、控制充電。

BMS模擬設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖1所示。BMS模擬設(shè)備主要包括：插件2、CAN收發(fā)模塊3和中央處理模塊共43個模塊。該模擬設(shè)備通過接插件2與充電樁1相連接，既可以按照廠家標(biāo)準(zhǔn)與充電樁1握手、控制充電，也可以按照充電標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 27930-2011”的要求，與充電樁1握手、控制充電。該模擬裝置能夠自動地將實時溫度、電壓、電流、SOC、握手等信息通過CAN收發(fā)模塊3與充電樁1交互通信。

該BMS模擬設(shè)備中溫度模擬模塊5、電壓模擬模塊6、電流模擬模塊7、SOC模擬模塊8、握手信息收發(fā)模塊9、報警模塊10和顯示模塊11分別與中央處理模塊4相連接。其中電壓模擬模塊6包括總電壓模擬模塊61和單體電壓模擬模塊62。通信過程中出現(xiàn)的異常情況通過報警模塊10發(fā)出警報并在顯示模塊11顯示，從而實現(xiàn)對不同充電樁1的自動握手識別和充電控制，使生產(chǎn)出的充電樁1能適配所有的電動汽車。

中央處理模塊4通過CAN收發(fā)模塊3與接插件2相連接。中央處理模塊4主要實現(xiàn)的功能包括趨勢分析、異常檢測、報文解析和報文發(fā)送。

（1）趨勢分析：充電樁充電后，正常情況下各個參數(shù)應(yīng)該是上升趨勢，設(shè)備可以根據(jù)充電樁發(fā)出的數(shù)據(jù)計算出各參數(shù)數(shù)據(jù)并傳回充電樁。

（2）異常檢測：通過大量的數(shù)據(jù)收集，分析并掌握了充電時的電壓電流和SOC等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化曲線，設(shè)備搭載的程序可以在充電時實時檢測這些數(shù)值的變化，檢測是否發(fā)生異?；虺龇秶?/p>

（3）報文解析：可分為選擇單元、判斷單元、提取單元、處理單元。選擇單元根據(jù)接收到的選擇指令，從所有的服務(wù)中選擇出至少一個服務(wù)，并獲取至少一個服務(wù)的預(yù)提取參數(shù)信息；判斷單元，獲取服務(wù)調(diào)用請求，確定服務(wù)調(diào)用請求所屬的服務(wù)，并判斷服務(wù)是否和至少一個服務(wù)相匹配；提取單元，在判斷結(jié)果為是時，解析服務(wù)調(diào)用請求，以獲得解析結(jié)果，并根據(jù)預(yù)提取參數(shù)信息從解析結(jié)果中提取出所需的報文信息；處理單元，用于根據(jù)接收到的處理命令，對提取出的報文信息進行相應(yīng)的處理操作。

（4）報文發(fā)送：把提取出的報文信息通過CAN收發(fā)模塊發(fā)送給充電樁。

2 BMS模擬設(shè)備制作及應(yīng)用效果分析

2.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

BMS模擬設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，采用三端穩(wěn)壓器將車用12 V直流電源轉(zhuǎn)換為5 V，給集成處理芯片和CAN、LIN收發(fā)器供電。集成處理芯片采用C8051F500-IQ，C8051F500-IQ具有1Mbit/S的高速BeCan2.0B接口，可以通過CAN收發(fā)器連接到車輛上的CAN網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)傳輸。局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）標(biāo)準(zhǔn)是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，是對控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）等其他汽車多路網(wǎng)絡(luò)的一種補充，適用于對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應(yīng)用。LIN總線是基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設(shè)備的模式，是UART中的一種特殊情況。C8051F500-IQ的USART具有單主控制器模式的LIN通信功能，可以通過LIN收發(fā)器連到車輛上的LIN網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)傳輸。燒錄程序采用單線接口模式SWIM，方便簡單。指示燈分別表示電源的通斷及CAN的通信狀態(tài)。開關(guān)用來選擇CAN通信和LIN通信模式。圖3給出了BMS模擬設(shè)備的關(guān)鍵電路板照片。

此外，采用U2carbus數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備。U2carbus用于通過計算機USB接口擴展汽車總線接口來調(diào)試汽車類通信總線，U2carbus擴展2個can總線接口和2個Lin總線接口；USB接口符合USB2.0規(guī)范，即插即用；U2carbus自帶12 V電池電源發(fā)生器用于單線can總線和Lin總線接口芯片供電，和其他設(shè)備通信時可不連接電池電源線；配套的數(shù)據(jù)調(diào)試軟件Uart2any用于監(jiān)視和調(diào)試設(shè)備通信。U2carbus適用于如下場合：對車輛總線通信的診斷、監(jiān)測及故障分析；車輛用總線產(chǎn)品的研發(fā)；Can總線設(shè)備通信監(jiān)測及維護；Lin總線設(shè)備通信監(jiān)測及維護；其他can、Lin總線適用場合的測試、數(shù)據(jù)分析。U2carbus的can總線特性符合CAN 2.0A和2.0B，支持單總線can和雙總線can；U2carbus的Lin總線特性符合Lin規(guī)范V1.x和V2.0，支持主、從模式，睡眠模式，所有的總線接口具備完善的保護措施。

2.2 應(yīng)用效果分析

BMS模擬設(shè)備工作流程如圖4所示，主要包括開始、與充電樁握手、識別充電樁廠家、發(fā)送握手反饋信息、接收充電樁數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)是否符合電池變化曲線及具體執(zhí)行流程——發(fā)送數(shù)據(jù)，或改變本地電池數(shù)據(jù)，并向充電樁發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。該BMS模擬設(shè)備融合了收集到的不同廠家充電樁的通信握手流程和國標(biāo)通信流程，做到了可以根據(jù)不同廠家充電樁智能識別及握手，并且根據(jù)長期的數(shù)據(jù)收集、研究、分析之后得出了各廠家電池充電時的變化曲線并固化到程序中，充電時可以智能識別電池參數(shù)變化是否符合曲線標(biāo)準(zhǔn)，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況能夠做到實時報警。

應(yīng)用過程中分別采用額定數(shù)據(jù)和廠家模擬BMS數(shù)據(jù)進行了試驗，測試了不同發(fā)送ID、不同波特率（500K和250K）在300 ms的額定發(fā)送周期下具體執(zhí)行情況，通過測試數(shù)據(jù)可知，該BMS模擬設(shè)備，能按照預(yù)定的周期接收相對應(yīng)的報文數(shù)據(jù)，且性能穩(wěn)定。

綜上分析，該BMS模擬設(shè)備實現(xiàn)了充電樁與設(shè)備的模擬通信、數(shù)據(jù)交換流程以及握手機制等，具體包括以下特點：（1）該設(shè)備采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，設(shè)備體積小、攜帶方便、兼容性強；（2）該設(shè)備基于CAN總線模擬各不相同發(fā)送周期的車上數(shù)據(jù)，并進行發(fā)送；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)與不同廠家的充電樁的按照廠家標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)交互；（4）能夠?qū)崿F(xiàn)與不同廠家的充電樁的按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)交互；（5）工作過程中出現(xiàn)異常情況能夠發(fā)出報警報文。

3 結(jié)語

該文基于嵌入式技術(shù)研制的BMS模擬設(shè)備具有小型化和攜帶方便的特點。該BMS模擬設(shè)備融合了收集到的不同廠家充電樁的通信握手流程和國標(biāo)通信流程，做到了可以根據(jù)不同廠家充電樁智能識別及握手，并且根據(jù)長期的數(shù)據(jù)收集、研究、分析之后得出的各廠家電池充電時的變化曲線并固化到程序中，充電時可以智能識別電池參數(shù)變化是否符合曲線標(biāo)準(zhǔn)，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況能夠做到實時報警。

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