您的论文得到两院院士关注 文章编号 :1008-0570(2012)09-0205-03 嵌 入 式 与 SOC 总线在电动汽车 CAN BMS 系统与充电桩之间通信的应用 The Application of CAN bus for communications between the Electric vehicle’s BMS man- age system and charge picket (北京安通尼电子技术有限公司) 刘建敏 高云飞 LIU Jian- min GAO Yun-fei 统 一 配 送 为 基 本 商 业 模 式 加 快 电 动 汽 车 充 换 电 站 的 布 局 和 建 设 , 与 充 电 桩 或 其 他 充 电 设 备 的 无 缝 连 接 正 是 实 现 充 电 智 能 化 的 必 要 条 件 管 理 系 统 与 充 电 桩 之 间 的 通 信 设 计 方 案 实 现 管 理 系 统 与 充 电 桩 的 通 讯 BMS 并 经 过 与 充 电 桩 的 反 复 测 试 管 理 系 统 与 充 电 桩 的 通 信 。 国 家 电 网 将 按 照 换 电 为 不 论 是 插 充 方 式 还 是 集 中 充 电 , 文 章 。 通 讯 的 介 绍 了 , CAN 。 。 电 动 汽 车 是 我 国 新 能 源 战 略 重 点 之 一 国 家 电 网 公 司 为 此 积 极 展 开 电 动 汽 车充 电 站 的 建 设 , 、 、 集 中 充 电 : 插 充 为 辅 摘要 主 电 动 汽 车 的 普 及 都 离 不 开 充 电 智 能 化 提 出 了 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 关键词 中图分类号 电池管理系统 电动汽车 BMS : ; , : TN911.72 , 而 , BMS (BMS); 充电桩 ; , 利 用 实 现 了 充电智能化 , CANBUS BMS ; CAN 文献标识码 通讯 : B Abstract: Electric vehicle is one of our China strategy focus, the State Grid Corporation launched this active constrction of electric giving the concentration of charge, the uniform distribution vehicle charging station. State Grid will follow the main plug charging, as the basic business model for electric vehicle charging station to speed up the layout and construction. Way or whether it is in- sertet fully concentrated charge, without charging intelligent ,the popularity of electric vehicles will not be implemented, and BMS and charging pile,or other charging device to achieve seamless connectivity is a necessary condition for charging intelligent. In this paper, a design scheme of communication between BMS and charging pile is proposed. BMS using CANBUS achieve the communication with the charging pile . Introduced CAN communications hardware and software design. After repeated testing, the communication between BMS and charging pile was implemented. Key words: Electric vehicle; BMS; charging pile; put-in device; charging intelligent; CANBUS 技 术 创 新 引言 电动汽车是未来新能源汽车的主要发展方向, 而充电体系 的建立是其发展的前提和基础。 制约电动汽车发展及普及的最关键问题之一是动力电池 的性能和应用水平。优化电池智能化充电方法的目标是要实现 无损电池的充电,监控电池的放电状态,避免过放电现象,从而达 到延长电池的使用寿命和节能的目的。充电智能化的实现就必 须通过动力电池的电池管理系统与充电机或充电桩的无缝连 接来实现。 本文主要介绍了电池管理系统 BMS 中的通信设计,这是实 现充电智能化的必要条件。 电动汽车动力电池管理系统介绍 1 电动汽车动力电池管理系统以下简称 BMS (Battery Man－ agement System)。BMS 的功能简要介绍如下: BMS 对电池分组管理,每组电池配备一个监测模块,每个监 测模块最多监测 15 节电池单体,监测电池单体的端电压、温度, 带时标存储记录,为计算电池内阻,剩余电量等做准备;充电、放 电电流测量,带时标存储记录功能,通过内部通信总线广播发给 各个监测模块; 管理模块与监测模块之间采用隔离 CAN 通信接口;通过通 信编程配置可以适用于磷酸铁锂、锰酸锂和钴酸锂等系列锂离 子电池; 刘建敏 : 工程师 BMS 对外采用两个带隔离 CAN 通信接口,一个用于与整车 管理系统通信,一个用于与充电设备通信。参考《动力锂电池总 成接口和通讯协议》(讨论稿)。 BMS 系统具备的完善的保护功能: 单体电池过压保护、单体电池欠压保护、总电压过压保护、 总电压欠压保护、过流保护、过温保护等 电动汽车通讯介绍 2 2.1 CAN 总线应用 CAN 总线是目前世界上最流行的汽车控制与测试间的一 种串行数据通信协议,具有实时性强、抗干扰能力强、结构简单、 应用方便、价格低廉等特点,通信速率可达 1 Mbps,使得 CAN 总 线在电动汽车应用上成为趋势。 2.2 电动汽车 CAN 总线结构示意图 图 1 电动汽车 CAN 总线结构示意图 图 1 是一个典型的电动汽车 CAN 总线结构示意图,包括整 车动力部分的主电动机控制器、电池组管理系统、电动汽车屏 幕显示系统、刹车及加速信号等多个设备, 这些设备之间通过 CAN 进行数据通讯和命令传输。 每个节点设备都能够在脱离 CAN 总线的情况下独立完成自身系统的运行,从而满足车辆运 《PLC 技术应用 200 例》 邮局订阅号 ：82-946 120 元 年 / - 205 - 

技 术 创 新 嵌 入 式 与 SOC 行安全性的需要。 2.3 动力电池总成系统接口要求 根据《动力锂电池总成通用要求》(讨论稿)中规定动力锂电 池总成的接口有: CAN1 接口:动力锂电池总成系统总线接口。用于连接动力 锂电池模块、动力锂电池总成(BECU)、显示器、绝缘电阻监测设 备、动力锂电池监测系统等。 1)CAN2 接口:充电和放电设备控制电路接口。用于与充电 设备和用电设备连接。 2)CAN3 接口:用户设备通讯接口。用于连接用户设备的通 讯接口。 在图 1 中所示的结构中的 CAN 总线对于 BMS 系统来讲就 是 CAN3 接口,BMS 系统还必须设计 CAN2 接口,以与外部充电 和放电设备控制系统通讯。 系统与充电桩的通讯设计实现 3 BMS 3.1 硬件实现 在利用电动汽车充电电站的充电桩给电动汽车充电时,必 然是 BMS 电池管理系统与充电桩通讯。根据前文描述, 利用 CAN 总线完成通讯也是必然的选择。我们采用采用高性能、低 功耗的 ARM 微处理器 STM32 作为主处理器,利用 STM32 良好 的快速处理能力提高数据处理速度,从而提高通讯的实时性;利 用 STM32 内嵌的 CAN 总线模块作为 CAN 的控制器,减少硬件 电路的复杂性,从而提高通讯的可靠性。 STM32 内部具备 bxCAN 总线模块。bxCAN 是基本扩展 CAN(Basic Extended CAN)的缩写。它支 CAN2.0A 和 CAN2.0B。 它的设计目标是:以最小的 CPU 负荷来高效处理大量接收的报 文。它也支持报文发送的优先级要求,优先级特性可软件配置。 除具有 CAN 总线的基本功能外,还有一些特有功能,如:三 个发送邮箱;发送报文的优先级特性可软件配置;记录发送 SOF 时刻的时间戳; 三级深度的 2 个接收 FIFO;14 个位宽可变的过 滤器组-由整个 CAN 共享;FIFO 溢出处理方式可配置;记录接收 SOF 时刻的时间戳;自动回复远程请求功能;可编程的 CAN 总 线唤醒功能;自测试模式功能等。 CAN 控制器发送的信息帧有两种,一种是发送数据帧,一种 是发送远程帧。发送数据帧时, 在数据写到发送邮箱的数据区 后,如果相应的发送请求位使能,则数据帧被发送到 CAN 总线 上。 数据帧的数据区可以通过软件设置成 1~8 个字节。 数据 帧的格式如图 2。 图 2 CAN 总线数据帧 3.2 接口电路的设计 利用电动汽车充电站的充电桩给电动汽车充电, 必然会有 BMS 电池管理系统与充电桩通讯。根据前文描述,利用 CAN 总 线完成通讯也是必然的选择。 我们采用采用高性能、低功耗的 ARM 微处理器 STM32 作 为主处理器,利用 STM32 良好的快速处理能力提高数据处理速 度,从而提高通讯的实时性;利用 STM32 内嵌的 bxCAN 总线模 块作为 CAN 的控制器,减少硬件电路的复杂性,从而提高通讯 的可靠性。STM32 本身不具有 CAN 收发器,需要外接 CAN 收 发器 82C250,中间使用光电隔离器 6N137。 《微计算机信息》2012 年第 28 卷第 9 期 图 3 CAN 总线接口电路 3.3 通讯部分软件设计 3.3.1 通讯规范 数据链路层应遵循的原则 总线通讯速率为:250Kbps, 根据现场实际情况, 可能改成 125K。以 250K 为主,125K 备用 数据链路层的规定主要参考 CAN2.0B 的相关规定。 使用 CAN 扩展帧的 29 位标识符并进行了重新定义, 表 1 为 29 位标识符的分配表: 表 1 29 位标识符的分配表 其中,1 位优先级 为报文优先级(0:高优先级;1 普通报文); 2 位保留 4 位目标地址 命令范围(0-15) (1-14 表示设备地址,15 表示广播地址;0 保留;1: 后台监控 为保留位,填 0 系统;2:充电桩;3:BMS;4:CCS) 4 位源地址 命令范围(0-15) (1-14 表示设备地址,15 表示广播地址;0 保留;1: 后台监控 系统;2:充电桩;3:BMS;4:CCS) 8 位功能码 命令范围(0-255) 10 位报文的信息码;命令范围(0-1023) 功能码,指报文内容属于何种功能类型,各功能码的定义本 文不再赘述。 报文信息码,指报文数据区的信息类型,各信息的类型定义 本文不再赘述 报文按帧为单位发送和接收,每帧报文含 8 字节有效数据, 未用的字节填 0,根据功能码与信息码,分别定义每种帧的数据 区内容。 BMS 向充电桩发送的信息内容 BMS 根据本车充电管理策略提供当前最高允许充电电压 和当前最高允许充电电流,推荐充电策略:1.预充电,2.恒流充电, 3.恒压充电。在这三步充电过程中,如果电池有异常或故障或电 池充电满 BMS 应立即发出停止充电命令。BMS 不发充电命令, 只发停止命令和握手命令,平时发握手命令,需要停止时发停止 命令, 等充电机处于停止状态后, 由停止命令改发送握手命令 (BMS 根据电池状态可自动停止,也可手动停止充电)。 充电桩向 BMS 发送的信息内容 充电桩发送参数:最高允许充电电压,最高允许充电电流,充 电控制方式等参数;发送充电机的启听停命令。其中充电控制方 式有:BMS 控制充电、电量控制充电、时间控制充电、金额控制 方式。当在 BMS 控制充电的方式工作时,充电电压和充电电流 按照 BMS 要求值进行充电(忽略充电桩或后台设定充电电压值 和充电电流值), 充电过程中根据 BMS 要求的电流值进行调整 - 206 - 120 元 / 年 邮局订阅号 ：82-946 《现场总线技术应用 200 例》 

您的论文得到两院院士关注 输出电流。正常由 BMS 控制停止;当 BMS 未能停止时,由充电机 根据充电机极限值或充电机保护值进行停止, 充电机可设最高 充电电压和最高充电电流进行保护 (充电机设定值不能高于充 电机最大额定输出电压和额定输出电流)。 3.3.3 系统软件设计 本系统采用 STM32 系列的 C 语言进行软件编程,按照模块 化设计思想进行编写,包括主程序、CAN 初始化程序、CAN 发送 数据程序、CAN 接收数据程序、A /D 转换及定时中断程序等。 CAN 初始化程序用来实现 CAN 工作时的参数设置, 主要包括 工作方式的设置、时钟输出寄存器的设置、接受屏蔽寄存器和 接收代码寄存器的设置、总线定时器的设置、输出控制寄存器 的设置、中断允许寄存器的设置和总线波特率的设置。 接收 CAN 总线的信息采用 CAN 接收中断处理。程序为接 收信息开设了若干个接收缓冲区, 接收的每帧信息都相应存放 在一个接收缓冲区里。程序在处理接收信息的时候,要对若干个 接收缓冲区做“优先”,解析出相应的命令码,根据接收的命令码 判断先处理的信息。优先级别最高的信息为“变位”信息。装置 中的变位信息有开入量的变化和装置的充放电动作信息、电池 过压、欠压、过充、过放等保护动作信息以及装置的告警信息。 每一个接收缓冲区都有一个特定字节, 用来指示该接收缓冲区 是否“有效”。规定该字节值为 AAH,表示有效即接收来的信息 还没被处理;55H 表示无效即新接收的信息可以存放在该缓冲 区。接收的信息在上电初始化时, 初始化所有的接收缓冲区为 “无效”,CAN 中断接收的信息存放后,将该缓冲区置为“有效”, 该信息被处理后,将该缓冲区置为“无效”,以便存放新的接收信 息。系统主程序流程设计如图 4 所示,主要包括初始化和主循 环部分。 图 4 主程序流程图 结论 4 根据 《动力锂电池总成通用要求》(讨论稿) 中的要求,BMS 动力电池管理系统都使用 CAN 总线做为通讯总线。文章介绍 了 BMS 动力电池管理系统与电动汽车充电站的充电桩的 CAN 通讯设计的实现。该设计在石家庄位同电动汽车充电站与充电 桩通讯联调实验成功,实现了通过电动汽车的 BMS 系统与充电 桩协调配合完成对磷酸铁锂动力电池的充电。 本文作者创新点: 利用了 ARM 系列的 STM32F103 芯片的 bxCAN 总线模块实现了动力电池管理系统 BMS 与电动汽车充 电站充电桩的通信,充分利用 CAN 的扩展标识符设计识别信息 的优先级, 运用了 bxCAN 总线模块的以最小的 CPU 负荷来高 《PLC 技术应用 200 例》 效处理大量接收的报文的特点。 作者对本文版权全权负责,无抄袭。 嵌 入 式 与 SOC 参考文献 [1]动力锂电池总成接口和通讯协议(讨论稿)。 [2]邬明宽.CAN 总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大 学出版社,2002。 [3]刘振亚.智能电网技术主编。 [4]陈胤,张磊.基于 CAN 总线电动汽车充电站通信网络及接口设 计.兰州石化职业技术学院学报 2008(12)。 [5]郑敏信,齐铂金.基于双 CAN 总线电动汽车电池管理系统.汽 车工程 2008(9)。 [6]范瑞霞,李位星.针对 CAN 总线传输距离问题的两种解决方 案.微计算机信息 2006,8-1:P161-162。 作者简介 :刘建敏(1973-),男,工程师, 主要研究方向:电力系统继电 保护; 高云飞(1974-),男,工程师, 主要研究方向:电力系统自动化。 Biography:LIU Jian- min(1973- ),Engineer,Research:Power sys- tem protection. Beijing,Beijing Autony Electric Technology co., ltd 北京 北京安通尼电子技术有限公司 刘建敏 高云飞 (100085 ) (BeiJing Autony Electroic Technology CO.,LTD, Beijing 100085, China) LIU Jian- min GAO Yun-fei 通讯地址 北京 北京安通尼电子技术有限公司 刘建敏 (收稿日期:2011.09.28)(修稿日期:2011.12.28) ) :(100085 (上接第 235 页) 参考文献 [1] 在线手册[EB/OL]. http://thinkphp.cn/Manual. [2] 郑业鲁,黄木梁,陈琴苓,等.科研项目管理信息系统研发[J].科 技管理研究, 2005,(05):44-48. [3] 陈文霞,钱玉英等.基于 Struts 框架的权限控制模块的设计 [J].微计算机信息.2010,6-3:233-234. [4] 林闯,封富君,李俊山.新型网络环境下的访问控制技术[J].软 件学报,2007,18 (4):955-966. [5] Sandhu R,Bhamidipati V,Munawer Q.The ARBAC97 model for role -based administration of roles.ACM Trans.on Information and System Security (TISSEC),1999,2(1):105-135. [6] Sandhu R,Munawer Q.The ARBAC99 model for administration of roles.In:Proc.of the 15th Annual Computer Security Applications Conf.Washington:IEEE Computer Society,1999.229 -238. http:// www.list.gmu.edu/confrnc/acsac/acsac99(org).pdf [7] 杨秋伟,洪帆,杨木详.基于角色访问控制管理模型的安全性 分析[J].软件学报, 2006, 17(8):1804-1810. 作者简介 :许宏云(1981-),女,汉族,河南商城人,助理研究员,硕士 研究生,研究方向:网络信息安全、农业信息化;李 煜(1969-),女, 汉族,河南省武陟人,副教授,博士生,研究方向:电子商务、智能优 化、信息安全。 Biography: XU Hong -yun (1981 - ),Female,Han,Shangcheng, HenanProvince, Assistant Researcher, Master,Research area: Net- work and Information Security,Agricultural Information. 河 南 省 郑 州 农 业 科 学 院 农 业 经 济 与 信 息 研 究 中 心 ) (450002 许宏云 开封 河南大学管理科学与工程研究所 李 煜 (475004 通讯地址 学院农业经济与信息研究中心 :（450002 河南省 郑州市 花园路 许宏云 ） ) 号河南省农业科 116 (收稿日期:2011.09.28)(修稿日期:2011.12.28) 邮局订阅号 ：82-946 120 元 年 / - 207 - 技 术 创 新