吳詩宇，史瑞祥（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

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

吳詩宇，史瑞祥
（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

隨著電動汽車的普及，非車載充電機(jī)的使用越來越廣泛。GB/T 27930-2011規(guī)范了電動汽車非車載充電機(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)測系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，為通信協(xié)議的監(jiān)測和通信系統(tǒng)的調(diào)試提供便利。

電動客車；非車載充電機(jī)；電池管理系統(tǒng)；通訊協(xié)議；監(jiān)測系統(tǒng)

隨著近年來電動汽車的普及，蓄電池充電越來越受到重視。蓄電池充電設(shè)備分為車載充電機(jī)和非車載充電機(jī)。車載充電機(jī)是利用地面交流電網(wǎng)對電池組進(jìn)行充電，完全按照蓄電池的種類進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對性較強(qiáng)，交流電網(wǎng)只需是一個(gè)提供固定電壓的電源。由于車載充電機(jī)本身安裝在整車上，會增加電動汽車的重量和成本［1-2］，常用于線路靈活、功率較小的小型汽車。而對于大型汽車，由于充電機(jī)功率、重量較大，適合使用非車載充電機(jī)。使用非車載充電機(jī)可以減小整車重量，但交通線路中必須要有非車載充電機(jī)，并且電池也要是非車載充電機(jī)可以滿足的類型［3-4］。非車載充電機(jī)適合于有固定線路的大型汽車，如客車。為了保證充電過程的安全、高效，需要非車載充電機(jī)（以下稱為充電機(jī)）和電池管理系統(tǒng)（以下稱為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)議簡述

我國推出了《電動汽車非車載傳導(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。具體簡述如下：

1）對于物理層，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)聽器波特率才能監(jiān)聽到通信數(shù)據(jù)。

2）對于數(shù)據(jù)鏈路層，協(xié)議使用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識符，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)先級越高，缺省為6；R和DP為0；PF為參數(shù)組編號（以下稱為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8個(gè)字節(jié)，使用傳輸協(xié)議功能，來建立和關(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“請求發(fā)送”幀，由此開始多幀傳輸，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。充電機(jī)根據(jù)BMS要求開始發(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，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）對于應(yīng)用層，協(xié)議采用周期發(fā)送和事件驅(qū)動的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)；各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)PGN來識別數(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)測系統(tǒng)的搭建及試驗(yàn)

2.1監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

由于CAN總線節(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)聽器不破壞充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)本身。配置監(jiān)聽器波特率為系統(tǒng)波特率時(shí)，能收到所有通信數(shù)據(jù)［6-7］。為便于檢測、調(diào)試、研究充電機(jī)與BMS的通信系統(tǒng)，需要搭建監(jiān)測系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)聽器和上位機(jī)及其軟件組成，軟件可以啟動并配置監(jiān)聽器，可以在線或離線辨識通信過程和通信數(shù)據(jù)。監(jiān)聽器安裝在通信線路上，監(jiān)聽器的CANH連接通信線路的CANH，監(jiān)聽器的CANL連接通信線路的CANL。由于監(jiān)聽器為CAN總線的中間節(jié)點(diǎn)，不接終端電阻。監(jiān)聽器通過USB串口電纜接到上位機(jī)。監(jiān)聽器把充電機(jī)與BMS通信過程的所有CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。監(jiān)測時(shí)，用上位機(jī)啟動監(jiān)聽器，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)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

使用C#編寫監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，軟件完成監(jiān)聽器的配置、數(shù)據(jù)的接收、在線辨識、離線辨識、保存數(shù)據(jù)及生成檢測報(bào)告等。主要代碼如下：

1）配置監(jiān)聽器主要代碼：

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)在線辨識部分代碼：

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)過程：安裝監(jiān)測系統(tǒng)，上位機(jī)程序配置并啟動監(jiān)聽器，操作充電機(jī)開始充電，上位機(jī)接收到通信數(shù)據(jù)和辨識結(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來人工解析［5］，解析結(jié)果如表2所示；報(bào)文在線辨識界面見圖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)測系統(tǒng)中的試驗(yàn)結(jié)果后處理軟件得到SPN辨識，結(jié)果更便捷、更直觀。另外，本監(jiān)測系統(tǒng)還可以把所有的辨識結(jié)果生成檢測報(bào)告，檢測報(bào)告可以以第三方的角度研究和分析BMS的充電策略和BMS充電過程中電壓、電流的變化，從而檢測報(bào)告可以作為充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)檢測的參考材料。

3　結(jié)束語

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

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

［2］李國洪，李志永，解紅巖.基于DSP的車載充電機(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.電動汽車非車載充電機(jī)技術(shù)分析與試驗(yàn)研究［J］.電測與儀表，2012，49（4）：14-17.

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

［5］GB/T 27930-2011，電動汽車非車載傳導(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CAN總線中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2005，（10）：30-31.

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

［10］雷洪鈞.CAN總線在城市客車上的應(yīng)用［J］.客車技術(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

吳詩宇（1986-），男，碩士；工程師；主要從事車輛電器檢測技術(shù)的研究工作。