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，研制了電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）模擬設備，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通信流程，實現(xiàn)了與不同廠家的充電樁按照廠家標準進行數(shù)據(jù)交互；實現(xiàn)了與不同廠家的充電樁按照國家標準進行數(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準，對不符合標準的情況能夠做到實時報警。該BMS模擬設備具有小型化和攜帶方便的特點。

關鍵詞：電池管理系統(tǒng) 模擬設備 電動汽車 新能源汽車

中圖分類號：TK 文獻標識碼：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)的內燃機車向新能源汽車轉型， 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用工程”和“新能源汽車推廣應用工程”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)展電動汽車的關鍵技術之一，倍受人們的關注，是電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關鍵。

按照充電標準GB/T 27930—2011《電動汽車非車載傳導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。當前，由于充電標準制訂晚、標準普及不到位等原因，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、頻繁充放電導致電池壽命縮短等問題，而且當充電樁故障時可能會導致測試車輛損壞，這就亟需開發(fā)一種能模擬電動汽車BMS通信的設備。

1 BMS模擬設備總體設計

目前，市面上BMS模擬裝置主要應用于直流充電樁產(chǎn)品的在線調試、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，并且設備只能做到專一對應，無法智能識別不同廠家充電樁， 該文擬采用嵌入式技術，研發(fā)一套BMS模擬設備，該設備的數(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。當接入外接設備后，可以自動實現(xiàn)與充電樁的握手、控制充電。

BMS模擬設備系統(tǒng)框圖如圖1所示。BMS模擬設備主要包括：插件2、CAN收發(fā)模塊3和中央處理模塊共43個模塊。該模擬設備通過接插件2與充電樁1相連接，既可以按照廠家標準與充電樁1握手、控制充電，也可以按照充電標準“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)應該是上升趨勢，設備可以根據(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等關鍵數(shù)據(jù)的變化曲線，設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?。

（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，從所有的服務中選擇出至少一個服務，并獲取至少一個服務的預提取參數(shù)信息；判斷單元，獲取服務調用請求，確定服務調用請求所屬的服務，并判斷服務是否和至少一個服務相匹配；提取單元，在判斷結果為是時，解析服務調用請求，以獲得解析結果，并根據(jù)預提取參數(shù)信息從解析結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模擬設備制作及應用效果分析

2.1 硬件設計與實現(xiàn)

BMS模擬設備結構原理圖如圖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，進行數(shù)據(jù)傳輸。局域互聯(lián)網(wǎng)絡（LIN）標準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，是對控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）等其他汽車多路網(wǎng)絡的一種補充，適用于對網(wǎng)絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用。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，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)。開關用來選擇CAN通信和LIN通信模式。圖3給出了BMS模擬設備的關鍵電路板照片。

此外，采用U2carbus數(shù)據(jù)轉換器作為數(shù)據(jù)轉換設備。U2carbus用于通過計算機USB接口擴展汽車總線接口來調試汽車類通信總線，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，和其他設備通信時可不連接電池電源線；配套的數(shù)據(jù)調試軟件Uart2any用于監(jiān)視和調試設備通信。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總線設備通信監(jiān)測及維護；Lin總線設備通信監(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 應用效果分析

BMS模擬設備工作流程如圖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準，對不符合標準的情況能夠做到實時報警。

應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模擬設備，能按照預定的周期接收相對應的報文數(shù)據(jù)，且性能穩(wěn)定。

綜上分析，該BMS模擬設備實現(xiàn)了充電樁與設備的模擬通信、數(shù)據(jù)交換流程以及握手機制等，具體包括以下特點：（1）該設備采用嵌入式開發(fā)技術，設備體積小、攜帶方便、兼容性強；（2）該設備基于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）能夠實現(xiàn)與不同廠家的充電樁的按照廠家標準進行數(shù)據(jù)交互；（4）能夠實現(xiàn)與不同廠家的充電樁的按照國家標準進行數(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 結語

該文基于嵌入式技術研制的BMS模擬設備具有小型化和攜帶方便的特點。該BMS模擬設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準，對不符合標準的情況能夠做到實時報警。

參考文獻

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