電動汽車BMS測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

楊劉倩，詹昌輝

(合肥國軒高科動力能源股份公司工程研究院，安徽 合肥 230011)

0 引言

電動汽車行業(yè)的發(fā)展，對各電動汽車組成部分性能要求不斷提升［1］。因此，開發(fā)了BMS(Battery Management System，電池管理系統(tǒng))測試系統(tǒng)，對BMS信息的采集精度、數(shù)據(jù)傳輸速率、準確性進行測試分析。

在BMS系統(tǒng)開發(fā)過程中，BMS測試系統(tǒng)對BMS的流程控制及其故障響應(yīng)進行驗證;BMS生產(chǎn)過程中，BMS測試系統(tǒng)對BMS進行進一步測試［2］，保障系統(tǒng)功能完善;BMS售后階段，BMS測試系統(tǒng)可對BMS進行故障診斷和排查。

目前，電動汽車領(lǐng)域多采用CAN總線實現(xiàn)各控制單元之間的通信［3］。BMS測試系統(tǒng)亦通過 CAN通信實現(xiàn)與BMS的信息交互，即可實現(xiàn)對BMS系統(tǒng)的測試、狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析等功能。

1 CAN通信原理及通信協(xié)議

1．1 CAN通信介紹

CAN(Controller Area Network，控制局域網(wǎng)絡(luò))屬于現(xiàn)場總線的范疇，現(xiàn)場總線被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)［4］。CAN為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持，應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)備、船舶、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

CAN總線是德國Bosch公司從20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1 Mbps。當信號傳輸距離達10 km時，CAN仍可提供高達50 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率［5］。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理。

在CAN總線中有4種不同的幀類型［6］:

(1)數(shù)據(jù)幀(Data Frame):數(shù)據(jù)幀帶有應(yīng)用數(shù)據(jù)。

(2)遠程幀(Remote Frame):通過發(fā)送遠程幀可以向網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)據(jù)，啟動其他資源節(jié)點傳送它們各自的數(shù)據(jù)。遠程幀包含6個不同的位域:幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應(yīng)答域、幀結(jié)尾。仲裁域中的RTR位的隱極性表示為遠程幀。

(3)錯誤幀(Error Frame):能夠報告每個節(jié)點的出錯，由2個不同的域組成。第一個域是不同站提供的錯誤標志的疊加，第二個域是錯誤界定符。

(4)過載幀(Overload Frame):如果節(jié)點的接收尚未準備好就會傳送過載幀，由2個不同的域組成。第一個域是過載標志，第二個域是過載界定符。

1．2 電池管理系統(tǒng)的CAN通信協(xié)議

CAN協(xié)議是建立在OSI的7層開放互連參考模型基礎(chǔ)之上的。但CAN協(xié)議只定義了模型的最下面2層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，僅保證了節(jié)點間無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。CAN的應(yīng)用層協(xié)議必須由CAN用戶自行定義，或采用一些國際組織制訂的標準協(xié)議。

BMS所采用的CAN通信協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)定主要參考 CAN2．0B和 SAE J1939的相關(guān)規(guī)定。CAN擴展幀有29位標識符，可自行規(guī)定其含義，定義29位ID，如圖1所示。

圖1 擴展幀ID定義

(1)優(yōu)先級Priority為3位，可以有8個優(yōu)先級;保留位(Reserved)值一般固定為0;數(shù)據(jù)頁(Data Page)值現(xiàn)固定為0;8位的PDU Format為報文的代碼;8位的PDU Specific為目標地址或組擴展;8位的Source Address為發(fā)送此報文的源地址。

(2)接入網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點都有名稱和地址，名稱用于識別節(jié)點的功能和進行地址仲裁，地址用于節(jié)點的數(shù)據(jù)通信;每個節(jié)點至少有一種功能，可能會有多個節(jié)點具有相同的功能，也可能一個節(jié)點具有多個功能。

2 BMS測試系統(tǒng)的CAN通信結(jié)構(gòu)及原理

2．1 測試系統(tǒng)與BMS的連接結(jié)構(gòu)

BMS測試系統(tǒng)上位機與BMS的CAN通信硬件連接示意圖如圖2所示:BMS測試系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件以PC機為載體，在Windows XP操作系統(tǒng)下開發(fā)的應(yīng)用軟件生成的EXE文件運行在PC上［7］，形成一個上位機結(jié)構(gòu)，該上位機可進行CAN通信，上位機通過USB接口與CAN通信傳輸模塊連接，CAN通信傳輸模塊通過CAN_H、CAN_L連接電池管理系統(tǒng)的CAN通信接口。

圖2 BMS測試系統(tǒng)與BMS的CAN通信連接示意圖

2．2 測試系統(tǒng)與BMS的CAN通信實現(xiàn)原理

測試系統(tǒng)應(yīng)用程序在電腦上運行，電腦USB接口連接CAN通信數(shù)據(jù)傳輸模塊，調(diào)用CAN通信的接口函數(shù)實現(xiàn)與下位機BMS的CAN通信連接，連接通信成功后，該應(yīng)用程序可實現(xiàn)CAN報文的發(fā)送及接收功能。CAN通信通過電平變化體現(xiàn)傳輸內(nèi)容，CAN通信傳輸模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳遞給BMS測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件，軟件接收信息后根據(jù)CAN通信協(xié)議解讀、處理，用曲線圖、圖像、數(shù)字的形式將數(shù)據(jù)信息體現(xiàn)出來。

3 BMS測試系統(tǒng)的軟件流程及CAN通信實現(xiàn)

采用Borland公司開發(fā)的Delphi7作為BMS測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)工具，完成軟件界面設(shè)計與底層驅(qū)動的設(shè)計［8］，添加兼容CAN通信傳輸模塊的CAN接口函數(shù)庫，設(shè)計并開發(fā)具有CAN通信報文收發(fā)功能、解讀CAN通信協(xié)議并對通信數(shù)據(jù)進行處理分析功能的應(yīng)用軟件［9］。一方面，該應(yīng)用軟件將CAN報文信息轉(zhuǎn)化成直觀信息數(shù)據(jù)或圖表在軟件界面上顯示，為單片機系統(tǒng)調(diào)試、測試工作提供便捷的途徑。另一方面，BMS測試系統(tǒng)的上位機應(yīng)用軟件可發(fā)送請求幀報文，BMS接收到請求報文后回復所請求的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，實現(xiàn)信息交互。

3．1 通信流程的實現(xiàn)

首先設(shè)置好通信參數(shù)，根據(jù)下位機控制器CAN總線實際通信需要，將CAN總線通信速率設(shè)定為250 kbps。將通信連接請求通過CAN數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至BMS，通信連接成功后，向BMS發(fā)送相關(guān)測試信息請求報文或者直接接收來自BMS的廣播信息報文，然后BMS測試系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)AN報文接收緩存中的報文進行分析處理，將數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息顯示或存儲;對BMS系統(tǒng)信息進行實時監(jiān)測時，CAN通信是個循環(huán)過程，將循環(huán)發(fā)送請求或接收廣播報文，當監(jiān)測結(jié)束條件達到，退出該循環(huán)。最后完成BMS系統(tǒng)測試操作后關(guān)閉CAN通信連接［10］。詳細流程如圖3所示。

圖3 CAN通信實現(xiàn)流程

3．2 CAN通信主要流程及示例程序

3．2．1 設(shè)定CAN通信傳輸參數(shù)，建立CAN通信連接

CAN通信硬件連接如圖2所示，采用CAN通信數(shù)據(jù)傳輸模塊連接BMS測試系統(tǒng)和BMS，CAN通信協(xié)議采用SAE J1939，建立BMS測試系統(tǒng)工程，首先設(shè)計圖4所示窗體及底層驅(qū)動［11-12］，用來輸入?yún)?shù)，建立通信連接。定義CAN通信時所需用到的結(jié)構(gòu)體及函數(shù)體，在Delphi7建立的應(yīng)用軟件工程中調(diào)用該相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)串口通信。

圖4 BMS測試系統(tǒng)中CAN通信連接窗體

CAN通信數(shù)據(jù)模塊通信連接結(jié)構(gòu)體定義如下:

本文的CAN通信連接實現(xiàn)調(diào)用了CAN數(shù)據(jù)傳輸模塊的接口函數(shù)庫中函數(shù)FD_StartCAN，如:

function FD_StartCAN(DevType:dword;DevIndex:dword;CANindex:dword):dword;stdcall;

3．2．2 發(fā)送遠程幀請求信息報文

(1)在Delphi工程中定義一個幀結(jié)構(gòu)體，用來傳輸CAN信息幀，如:

(2)定義一個過程arrary，用來初始化即將要發(fā)送的幀結(jié)構(gòu)體，它的形參只有報文的ID，其他信息都賦給默認值。這樣，在需要通過讀取某一個報文信息時，只需傳遞相應(yīng)的ID，發(fā)送一個遠程幀，請求相應(yīng)的報文信息，如:

(3)調(diào)用函數(shù)FD_Transmit:

Function FD_Transmit(DevType:dword;DevIndex:dword;CANindex:dword;psend:pVCI_CAN_OBJ;len:integer):integer;stdcall;

DevType是設(shè)備類型，DevIndex是設(shè)備索引號，CANindex表示第幾路CAN，psend是要發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)組的首指針，len是要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)組的長度。

3．2．3 接收數(shù)據(jù)幀報文

調(diào)用函數(shù)FD_Receive接收單片機控制器發(fā)過來的信息報文:

function FD_Receive(DevType:dword;DevIndex:dword;CANindex:dword;preceive:pVCI_CAN_OBJ;len:integer;wait-time:integer):integer;stdcall;

DevType是設(shè)備類型，DevIndex是設(shè)備索引號，CANindex表示第幾路CAN，preceive是要接收的數(shù)據(jù)幀數(shù)組的首指針，len是要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)組的長度，waittime是等待時間。

另外，需定義一個動態(tài)數(shù)組list，將接收到的數(shù)據(jù)放到動態(tài)數(shù)組里。

3．2．4 對接收到報文信息分析處理

在實際工程中，上位機應(yīng)用軟件通過CAN數(shù)據(jù)模塊對接收的報文信息分析處理后顯示在界面上，或?qū)⑿畔⒋鏅n。

(1)接收的一條數(shù)據(jù)幀報文信息存入數(shù)組list中，每個數(shù)據(jù)幀可傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，list［0］用來存放報文的 ID，list［1］至 list［8］存放數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過判斷l(xiāng)ist［0］的內(nèi)容，對應(yīng)通信協(xié)議分辨出該報文用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代表信息內(nèi)容。

(2)對數(shù)組中數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，得到具體參數(shù)值或系統(tǒng)狀態(tài)。

(3)通過顯示控件在軟件界面上顯示出BMS的信息參數(shù)或狀態(tài)。

3．3 CAN通信數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)處理

(1)通信數(shù)據(jù)存儲和讀出。

利用控件OpenDialog和SaveDialog實現(xiàn)文件打開、保存功能，對應(yīng)用軟件底層驅(qū)動代碼編寫實現(xiàn)BMS測試系統(tǒng)讀取的通信信息的存儲和讀出［13］。保存信息操作代碼如下:

(2)實時繪制參數(shù)動態(tài)曲線圖［14］。

在窗體中加入控件chart及Timer，通過Timer控件設(shè)定定時間隔觸發(fā)，每間隔500 ms更新數(shù)據(jù)繪制到chart。以時間為橫軸，參數(shù)值為縱坐標。其中，坐標點繪制采用函數(shù)Addxy(X，Y)。

通過CAN通信，上位機與下位機單片機控制系統(tǒng)進行信息交互，得到下位機中系統(tǒng)參數(shù)后，立即對實時數(shù)據(jù)進行直觀顯示，并體現(xiàn)出數(shù)據(jù)變化趨勢，因此選用chart控件繪圖。

4 實驗結(jié)果與分析

BMS測試系統(tǒng)可監(jiān)控BMS各種數(shù)據(jù)信息，觀測BMS是否正常運行，如監(jiān)控電池組總電壓及電池組總電流數(shù)據(jù)信息。BMS測試系統(tǒng)以讀取的總電壓或總電流數(shù)值為縱坐標，間隔500 ms繪制一個坐標點。隨著監(jiān)控時間、電壓值及電流值的變化，曲線動態(tài)地變化，如圖5所示。

圖5 CAN通信實時數(shù)據(jù)曲線圖

監(jiān)控信息用來分析BMS運行狀態(tài)，為系統(tǒng)反饋提供依據(jù)。圖5(b)中電池組電流值為負，相應(yīng)圖5(a)中電池組電壓值處于增大趨勢，表示BMS處于充電控制狀態(tài)，BMS測試系統(tǒng)給出電池組充電狀態(tài)的指示。

5 結(jié)束語

本文描述用Delphi7開發(fā)設(shè)計BMS測試系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件，實現(xiàn)與電動汽車的BMS系統(tǒng)的CAN通信的功能，通過CAN通信完成對BMS的測試、監(jiān)控，并對參數(shù)及狀態(tài)做出分析、信息存儲等。這一功能的實現(xiàn)，為工控生產(chǎn)、售后服務(wù)提供一個跳過通信協(xié)議分析過程的智能測試、監(jiān)控的工具。另外，本BMS測試系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件界面友好，易操作，可移植，具有很好的實用性。

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