電動汽車退役電池包整包梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)-CAN通訊協(xié)議

高紅立，林 武，高 峰，蔣麗麗，琚 赟

（安徽瑞賽克再生資源技術(shù)股份有限公司，安徽蕪湖241006）

1 引言

目前中國新能源汽車的保有量已達170多萬輛，未來如何處理從新能源汽車退役的動力電池將成為影響新能源汽車健康發(fā)展的主要問題?，F(xiàn)在國家大力發(fā)展新能源汽車，每年都有大批的新能源汽車投入市場，未來將有大量的電池退役，退役動力電池的回收和處理已是迫在眉睫。退役電池梯次利用有好多種方式，如電池包整包利用、模組利用、電芯利用等，其中電池包整包利用是梯次利用方式中最經(jīng)濟、性價比最高的一種利用方式。應(yīng)用的關(guān)鍵是利用原電池包的BMS系統(tǒng)，直接讀取原電池包的BMS數(shù)據(jù)。能否正確讀取原電池包BMS數(shù)據(jù)是梯次利用的關(guān)鍵。因原電池包用于汽車上，所采用的是適用于汽車的CAN總線和汽車專用協(xié)議，因此對于退役電池包的梯次利用，需要充分了解CAN通信協(xié)議。

CAN的全稱是控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network），它是由德國BOSCH公司為解決汽車中眾多控制與儀表之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。以CAN為底層協(xié)議設(shè)計的J1939協(xié)議已經(jīng)成為汽車行業(yè)的標準總線協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)，新能源汽車也延續(xù)了這一技術(shù)，并且通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，現(xiàn)在是新能源汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用的一種現(xiàn)場總線。

2 CAN通信協(xié)議

2.1 CAN 物理層

CAN總線物理層的形式主要分為閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)和開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)兩種，閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)適合于高速通訊，開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)適合于遠距離通訊。CAN閉環(huán)通訊網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11898標準的高速、短距離網(wǎng)絡(luò)，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120歐”的電阻。如圖1所示。CAN開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)是遵循ISO11519-2標準的低速、遠距離網(wǎng)絡(luò)，它的最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)有一個“2.2千歐”的電阻。新能源電動汽車的退役電池包中所使用的CAN總線網(wǎng)絡(luò)就是閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)模式。

圖1 閉環(huán)總線

2.2 通訊節(jié)點

CAN通訊只有由CAN_High和CAN_Low共同構(gòu)成的一組差分信號線，通訊信息以差分信號的形式進行傳輸。CAN總線上可以掛載多個通訊節(jié)點，節(jié)點之間的信號經(jīng)過總線傳輸，實現(xiàn)節(jié)點間通訊。由于CAN通訊協(xié)議不對節(jié)點進行地址編碼，而是對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行編碼，所以網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)理論上不受限制，只要總線的負載足夠即可。當(dāng)CAN節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，由收發(fā)器把邏輯電平信號轉(zhuǎn)化成差分信號，通過差分線CAN_High和CAN_Low線輸出到CAN總線網(wǎng)絡(luò)。而通過收發(fā)器接收總線上的數(shù)據(jù)到控制器時，則是相反的過程，收發(fā)器把總線上收到的CAN_High及CAN_Low信號轉(zhuǎn)化成邏輯電平信號，并輸出到控制器中。

國標GB/T 2793-2015中明確規(guī)定，直流充電機與新能源汽車電池包BMS的通信應(yīng)使用獨立于動力總成控制系統(tǒng)之外的CAN接口，即在新能源汽車上根據(jù)功能不同設(shè)置了三組CAN總線，互不聯(lián)通，各自獨立，這三組總線可以根據(jù)需要定義不同的通訊協(xié)議和通訊速率，這三組總線分別是:

CAN1:整車控制器與其它車載設(shè)備、傳感器、儀表之間通訊（500kbit/s）；

CAN2:BMS控制器與BMS采集模塊之間通訊（250kbit/s）；

CAN3:BMS控制器與直流充電機通訊（250kbit/s）；

2.3 CAN節(jié)點間的幀類型

在CAN2.0B中規(guī)定，有兩種不同的幀格式:含有11位標識符的幀為標準幀；含有29位標識符的幀為擴展幀。為了更有效地控制通訊，CAN一共規(guī)定了5種類型的幀。這五種類型的幀在新能源電動汽車BMS通信中都有用到，具體如下。

（1）數(shù)據(jù)幀:將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，供其它節(jié)點接收。

（2）遠程幀:又叫做遙控幀，節(jié)點發(fā)出遠程幀，向具有同一標識符的節(jié)點請求數(shù)據(jù)。

（3）錯誤幀:當(dāng)任何節(jié)點檢測到總線錯誤時都將發(fā)出錯誤幀。

（4）過載幀:用于通知遠端節(jié)點，該節(jié)點尚未做好接收準備。

（5）幀間隔:用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開。

2.4 報文的ID和優(yōu)先級

在CAN協(xié)議中，ID起著重要的作用，它不僅標識著數(shù)據(jù)的地址，還決定著數(shù)據(jù)幀發(fā)送的優(yōu)先級，也決定著其它節(jié)點是否會接收這個數(shù)據(jù)幀。CAN協(xié)議不對掛載在它之上的節(jié)點分配優(yōu)先級和地址，對總線的占有權(quán)是由信息的重要性決定的，即對于重要的信息，可給它打包上一個優(yōu)先級高的ID，使它能夠及時地發(fā)送出去。該優(yōu)先級ID的分配在數(shù)據(jù)幀的仲裁段。若兩個節(jié)點同時競爭CAN總線的占有權(quán)，當(dāng)它們發(fā)送報文時，若某一數(shù)據(jù)幀首先在仲裁段出現(xiàn)隱性電平，則該數(shù)據(jù)幀會失去對總線的占有權(quán)，進入接收狀態(tài)。另一數(shù)據(jù)幀則不受影響。

優(yōu)先級由兩個因素決定:

幀類型:新能源汽車上用到的ID有標準幀ID（11位）和擴展幀ID（29位），標準幀的ID優(yōu)先級比擴展幀ID的優(yōu)先級要高，當(dāng)總線上同時傳輸標準幀和擴展幀時，標準幀優(yōu)先被發(fā)送和接收。同為標準幀或者擴展幀一起發(fā)送時，在兩個ID的同一位首先出現(xiàn)高電平的ID從發(fā)送轉(zhuǎn)為接收或者閑置狀態(tài)，另外一個數(shù)據(jù)幀繼續(xù)發(fā)送。

ID值:在CAN協(xié)議中，ID值越小優(yōu)先級越高，根據(jù)這個特性可以在通訊協(xié)議中依據(jù)信息的緊急性由高到低依次賦予報文的ID值。

3 退役動力電池包梯次利用

退役動力電池有多種用途，既可應(yīng)用到儲能電站中，用電低谷期利用市電對儲能電站中的電池充電，在用電高峰期，儲能電站向市電網(wǎng)絡(luò)中供電，緩解用電壓力，還可以用于36V/48V電動車電源，移動充電寶等，這樣可以充分發(fā)揮動力電池包的剩余價值。退役動力電池包應(yīng)用方向如圖2所示。其中儲能電站是不拆解電池包應(yīng)用的最經(jīng)濟的一種利用方式。

圖2 動力電池的梯次利用方向

3.1 退役動力電池包的梯次利用方向

退役動力電池包的梯次利用就是把新能源電動汽車退役的動力電池包不用拆解而整包重新利用。許多退役的電池包被直接拆解后重組再利用，但是直接拆解后再重組利用需要額外增加人力成本，不是最經(jīng)濟的利用方式。退役動力電池包的梯次利用則是把退役之后的動力電池包經(jīng)檢測后挑選出性能較好的，不拆包直接應(yīng)用到儲能電站中，為風(fēng)光發(fā)電設(shè)備配套，組成大容量儲能系統(tǒng)。

圖3 儲能電站系統(tǒng)示意圖

3.2 動力電池包梯次利用中的難點

對退役的動力電池的梯次利用有多種方法，其中拆解、篩選、重組是常用的一種方案，但篩選不僅工作量大，而且需要重新配置BMS，技術(shù)要求高，給本來具有價格競爭優(yōu)勢的“梯次電池”無形中增加了大量的成本，制約了梯次利用的發(fā)展。

電池包的整包不拆解應(yīng)用，簡單方便、重構(gòu)成本低、但電池包用于汽車上，所采用的是適用于汽車的CAN總線和汽車專用協(xié)議，而儲能行業(yè)與電力行業(yè)所采用MODBUS-RTU或IEC-103/104等專用協(xié)議，若要不拆解電池包直接用于儲能系統(tǒng)，就必須解決通訊不兼容的問題。

表1 讀取到的退役動力電池包的數(shù)據(jù)

表2 電池包通訊報文解勸析示例表

3.4 動力電池包梯次利用的儲能實踐

退役的新能源動力電池包整包利用，其原BMS通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換是必須要解決的，首先要分析汽車CAN總線協(xié)議。

使用開發(fā)板讀取到的退役動力電池包的數(shù)據(jù)信息，如表1所示。

3.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)讀取到的整車CAN的信息，可解析出電池包的SOC，SOH，電池包兩端電壓，平均溫度等數(shù)據(jù)的值，把這些數(shù)據(jù)和利用上位機讀取到的數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致，整車CAN信息解析出的結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

退役動力電池整包利用，CAN通信網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵技術(shù)，利用CAN可直接利用原電動汽車的BMS資源。其中CAN通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，這關(guān)系到整車的安全和報文傳輸過程中的穩(wěn)定性、實時性，快速性和準確性。電池包內(nèi)部通訊協(xié)議為CAN協(xié)議，為了更好的實現(xiàn)退役動力電池的梯次利用，必須充分了解CAN通信協(xié)議。

電動汽車的大力發(fā)展肯定會帶來更多的廢棄動力電池，檢測并篩選出可以用于儲能項目的電池模組可以減少資源的浪費并且儲存的電能可以對電網(wǎng)進行“削峰填谷”，緩解用電壓力。儲能項目還可以為工廠，醫(yī)院，學(xué)校等場所提供緊急備用電源，以備不時之需，電動汽車的發(fā)展必將使儲能項目擁有更大的用武之地。