《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于事件觸發(fā)的充電機(jī)與BMS通信設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
陳如尹,賴松林
福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州350108
摘要: 為簡化充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)BMS的通信流程,并能夠?qū)MS傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識和分類,通過對國家充電標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(GB/T 27930-2011)的研究和解析,提出了一種基于事件觸發(fā)的充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)對新國標(biāo)充電協(xié)議所規(guī)定的通信流程按事件觸發(fā)順序進(jìn)行邏輯功能函數(shù)封裝,運(yùn)用等待固定觸發(fā)的數(shù)據(jù)接收方式取代了傳統(tǒng)的中斷接收方式。研究結(jié)果表明,該通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對BMS數(shù)據(jù)的接收、識別、解析、分類、傳輸和答復(fù)等功能,優(yōu)化了通信流程,為充電機(jī)和BMS的通信設(shè)計(jì)提供簡便的使用參考。
中圖分類號: TN919.71
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.016
中文引用格式: 陳如尹,賴松林. 基于事件觸發(fā)的充電機(jī)與BMS通信設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(5):67-69,73.
英文引用格式: Chen Ruyin,Lai Songlin. Design of communication between charger and BMS based on event trigger[J].Application of Electronic Technique,2017,43(5):67-69,73.
Design of communication between charger and BMS based on event trigger
Chen Ruyin,Lai Songlin
College of Physics and Information Engineering,F(xiàn)uzhou University,F(xiàn)uzhou 350108,China
Abstract: For simplifying the communication between charger and Battery Management System(BMS), identifying and classifying the data that comes from the BMS correctly, a communication system between charger and BMS based on even trigger have been proposed in this report after studying and analyzing the national standard communication protocols(GB/T 27930-11). The system encapsulates logistic functions for communication flow that defined by the new national standard communication protocol based on the sequence of event trigger and applies the way of waiting fixed trigger data for receiving instead of the traditional interrupt mode. The research shows that this communication system can realize functions such as receiving, identifying, analyzing, classifying, transmitting and responding the BMS data. It optimizes the communication process and provides a convenient reference for the design of communication between charger and BMS.
Key words : electric vehicle;charger;BMS;event trigger

0 引言

    隨著石油資源的日漸枯竭、環(huán)境污染的不斷惡化、溫室效應(yīng)的不斷加劇,電動汽車(Electric Vehicle,EV)已經(jīng)成為了國際社會高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題。伴隨著電動汽車技術(shù)的日漸成熟,與之配套的充電設(shè)施也隨之發(fā)展和普及。近年來,已經(jīng)投產(chǎn)了一定量的充電站和充電樁,主要包含快充、慢充、更換電池等功能。

    電動汽車的充電過程主要是充電機(jī)與電池實(shí)現(xiàn)物理對接后,通過電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)與充電機(jī)進(jìn)行通信,傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息。充電機(jī)對BMS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析和辨識后,調(diào)整充電的策略,完成電池的充電過程。因此,充電機(jī)與BMS之間的正常通信是保證整個充電系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。

    本文提出一種基于事件觸發(fā)邏輯的充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)BMS通信模塊設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)基于國家標(biāo)準(zhǔn)充電協(xié)議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》(以下簡稱新國標(biāo))所規(guī)定的充電機(jī)與BMS的通信流程。將該流程以其實(shí)現(xiàn)的功能為依據(jù)劃分為多個事件,運(yùn)用CAN總線建立一套可實(shí)現(xiàn)與BMS進(jìn)行數(shù)據(jù)的請求、接收、解析和應(yīng)答的通信系統(tǒng),起到搭建BMS與充電機(jī)之間通信橋梁的作用。

1 基于CAN總線的充電機(jī)與BMS通信流程解析

    新國標(biāo)規(guī)定,BMS與充電機(jī)通信的過程可分為為握手階段、參數(shù)配置階段、充電階段和充電結(jié)束階段。

1.1 握手階段主要通信流程

    握手階段是充電機(jī)與BMS上電后,主動發(fā)送握手請求報文CRM,可視為握手觸發(fā)事件。BMS發(fā)送電池身份編碼信息BRM給充電機(jī),用于其辨識電池組。

    電池身份編碼信息報文BRM包含BMS通信協(xié)議版本號和電池類型等信息,最長可達(dá)41 B。BMS可啟用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TC.PM來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

    TC.PM協(xié)議可視為一連串固定事件的集成,BMS首先發(fā)送連接管理請求(TP.CM_RTS),該幀是用于向充電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的請求。充電機(jī)收到連接管理請求后,回復(fù)TP.CM_CTS報文給BMS,表示已經(jīng)做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

    BMS以多幀形式發(fā)送電池身份編碼信息BRM,其中每一幀的首字節(jié)均為幀編號,后6字節(jié)為具體的數(shù)據(jù)信息。

    在接收完電池身份編碼信息BRM后,充電機(jī)發(fā)送TP.CM_EM報文給BMS,表示數(shù)據(jù)包已被成功接收。傳輸協(xié)議TC.PM的數(shù)據(jù)交換流程如圖1所示。

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1.2 參數(shù)配置階段主要通信流程

    當(dāng)BMS收到充電機(jī)發(fā)送的辨識成功報文后,進(jìn)入到參數(shù)配置階段。

    蓄電池充電參數(shù)BCP包括最高允許充電電壓、最高允許充電電流和電池額定容量等信息數(shù)據(jù)??赏ㄟ^TP.CM數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行BCP數(shù)據(jù)的傳輸。

    充電機(jī)接收到BCP報文后,開始發(fā)送時間同步信息報文CTS和充電機(jī)最大輸出能力報文CML。BMS根據(jù)其內(nèi)容完成時間的同步和確認(rèn)充電機(jī)的輸出能力,并判斷自身狀態(tài)反饋是否能夠開始充電。充電機(jī)收到BMS的反饋后,同樣反饋充電機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)。

1.3 充電階段主要通信流程

    充電階段BMS和充電機(jī)各以不同周期實(shí)時發(fā)送充電相關(guān)數(shù)據(jù)。

    BMS執(zhí)行發(fā)送電池充電需求、充電狀態(tài)和電池狀態(tài)等信息的事件,主要可用于充電機(jī)了解電池的充電狀況,根據(jù)需求來調(diào)整充電策略。

    CCS報文事件為充電機(jī)發(fā)送的自身實(shí)時充電狀態(tài)。該報文用于讓BMS監(jiān)視充電機(jī)當(dāng)前輸出的充電電流、電壓等信息。

    當(dāng)BMS或充電機(jī)判斷不能再繼續(xù)充電時,會觸發(fā)終止充電事件,發(fā)送結(jié)束充電報文BST或CST,并結(jié)束充電階段。

1.4 充電結(jié)束階段主要通信流程    

    當(dāng)BMS觸發(fā)終止充電事件后,主動發(fā)送統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報文BSD給充電機(jī)。同理,當(dāng)充電機(jī)檢測到終止充電命令后,也會發(fā)送統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報文CSD給BMS。由此充電階段全部完成,充電機(jī)和BMS通信結(jié)束,等待充電機(jī)和BMS下一次握手啟動。

2 基于事件觸發(fā)的充電機(jī)與BMS通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)運(yùn)用增強(qiáng)型STM32F103ZET6作為充電機(jī)端的通信模塊的開發(fā)平臺,運(yùn)用CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的請求、接收、辨識和應(yīng)答等功能。

    STM32內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線模塊,支持CAN2.0A和CAN2.0B。因此,需將CAN的通信端口轉(zhuǎn)換并外接出來,便可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)用CAN發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?;赟TM32的通信系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

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    主芯片STM32主要實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和處理。PA11和PA12為CAN通信的IO口,通過與TJA1040高速CAN轉(zhuǎn)換器芯片連接引出CAN_H和CAN_L到外接端口P1上, P1端口用于實(shí)現(xiàn)與BMS的CAN端口對接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。為保證通信的穩(wěn)定性,并聯(lián)120 Ω的R1電阻。 

2.2 軟件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)的功能為依據(jù)將通信流程劃分為多個通信事件,并將這些事件按觸發(fā)或響應(yīng)的順序封裝成功能函數(shù)。這種方式可以主動規(guī)范充電機(jī)的動作,避開冗余數(shù)據(jù)的接收,方便充電機(jī)上層軟件的選擇調(diào)用。CAN總線的初始化過程中,應(yīng)將標(biāo)識符屏蔽寄存器的值置高,表示要ID完全匹配才能進(jìn)行數(shù)據(jù)位的傳輸。

    數(shù)據(jù)的辨識主要通過對通信協(xié)議中的PGN來判定,PGN是美國汽車工程學(xué)會SAE J1939協(xié)議中用來識別CAN報文中數(shù)據(jù)場的參數(shù)組,共24 bit。而在新國標(biāo)中,傳輸?shù)拿恳唤M參數(shù)都有其固有的PGN值,從000100H~001D00H,通過對PGN值的檢測,可以用于辨識參數(shù)組。

2.2.1 充電機(jī)請求握手函數(shù)

    充電機(jī)請求握手函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)握手階段中針對BMS相關(guān)動作事件的觸發(fā)響應(yīng),當(dāng)充電機(jī)尚未識別BMS時,主動發(fā)送握手請求CRM。隨后通過設(shè)立標(biāo)志位進(jìn)入循環(huán)等待,等待BMS發(fā)送的連接管理請求TP.CM_RTS的到來。當(dāng)接收到連接管理請求后,充電機(jī)觸發(fā)重置標(biāo)志位動作,跳出等待循環(huán),并答復(fù)CTS已經(jīng)做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

    BMS發(fā)送多字節(jié)的電池身份編碼信息BRM,充電機(jī)則同樣觸發(fā)循環(huán)等待數(shù)據(jù)的到來,并通過對幀編號的判定來確定每個數(shù)據(jù)所代表的意義。本文中為了方便上層控制端對電池身份編碼信息的識別和調(diào)用,將該報文的數(shù)據(jù)通過一個結(jié)構(gòu)體進(jìn)行儲存,結(jié)構(gòu)體中每個變量的定義與協(xié)議中定義一致。在完全接收BRM后,再度重置循環(huán)標(biāo)志位,跳出循環(huán),并將辨識結(jié)果反饋給BMS。

    CRM的發(fā)送周期為250 ms,發(fā)送周期的邏輯主要是通過數(shù)據(jù)接收過程中的循環(huán)計(jì)數(shù)來配合實(shí)現(xiàn)的,在進(jìn)入循環(huán)之前設(shè)定一個帶有初值的變量i,每次執(zhí)行循環(huán)判斷時將i的值減小,當(dāng)i遞減到0時,觸發(fā)CRM發(fā)送函數(shù),同時重置i。因此,只要確定i的初值,使其遞減到0的時間為250 ms,即可實(shí)現(xiàn)CRM每250 ms發(fā)送一次。同時一旦充電機(jī)跳出循環(huán)等待進(jìn)入新的通信階段,CRM的循環(huán)發(fā)送也會終止。等待接收和循環(huán)定時發(fā)送數(shù)據(jù)功能的流程圖如圖3所示。

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    充電機(jī)握手請求函數(shù)可以根據(jù)上層軟件的調(diào)用改變其發(fā)送的充電機(jī)辨識報文CRM,同時輸出一個保存有電池身份編碼信息的結(jié)構(gòu)體。

2.2.2 充電機(jī)參數(shù)配置函數(shù)1

    充電機(jī)參數(shù)配置函數(shù)1主要是在BMS和充電機(jī)進(jìn)入?yún)?shù)配置過程中時,充電機(jī)針對BMS發(fā)出的數(shù)據(jù)請求進(jìn)行回應(yīng),并接收13字節(jié)的蓄電池充電參數(shù)BCP。

    該函數(shù)無輸入變量,輸出為一個保存有BCP的結(jié)構(gòu)體。其接收BCP數(shù)據(jù)和將其保存到結(jié)構(gòu)體中的方式與接收BRM基本一致。  

2.2.3 充電機(jī)參數(shù)配置函數(shù)2

    充電機(jī)在配置函數(shù)1中接收BMS發(fā)送的蓄電池充電參數(shù)BCP,通過參數(shù)配置函數(shù)2來主動發(fā)送時間同步報文CTS和充電機(jī)最大輸出能力報文CML給BMS,之后進(jìn)入循環(huán)等待,等待BMS發(fā)送的電池充電準(zhǔn)備就緒,報文BRO來觸發(fā)充電動作,循環(huán)等待方式與握手函數(shù)中一致。

2.2.4 充電機(jī)充電函數(shù)

    充電階段是整個充電通信過程中的持續(xù)時間最長、通信數(shù)據(jù)量最大的一個階段。

    相比之前模塊中按流程順序觸發(fā)數(shù)據(jù)接收,充電函數(shù)采用的接收邏輯是統(tǒng)一接收,再通過對不同PGN的判斷,進(jìn)行數(shù)據(jù)的辨識。簡而言之,充電機(jī)接收BMS發(fā)來的所有數(shù)據(jù)(不再是按照順序只接收固定類型的數(shù)據(jù)),然后通過內(nèi)部分析判斷,對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。

    由于數(shù)據(jù)的類型和發(fā)送周期具有不確定性,所以在該階段對數(shù)據(jù)的接收不采用之前的循環(huán)等待按順序接收固定類型數(shù)據(jù)的邏輯。在接收之前,首先重新配置CAN總線的標(biāo)識符設(shè)置,將屏蔽寄存器置0,表示可以接收一切ID發(fā)來的數(shù)據(jù)。然后以平等的條件判斷來初步確定每次接收到的數(shù)據(jù)類型,并針對不同的種類的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入辨識,將正確的數(shù)據(jù)儲存到預(yù)先定義好的各類結(jié)構(gòu)體中,以供充電機(jī)其他模塊的調(diào)用。

    充電機(jī)在接收數(shù)據(jù)的同時,還以50 ms為周期發(fā)送充電機(jī)實(shí)時充電狀態(tài)報文CCS,CCS報文的發(fā)送周期的設(shè)計(jì)邏輯與CRM報文的設(shè)計(jì)邏輯類似。充電機(jī)充電函數(shù)程序流程圖如圖4所示。

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2.2.5 充電機(jī)結(jié)束充電函數(shù)

    本設(shè)計(jì)中結(jié)束充電報文CST的發(fā)送采用外部中斷(EXTI)發(fā)送,在充電階段的任意時刻,一旦充電機(jī)認(rèn)為滿足終止充電的條件時,便觸發(fā)外部中斷事件,發(fā)送結(jié)束充電報文CST給BMS,報告終止充電的原因,隨后發(fā)送統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報文CSD。充電機(jī)結(jié)束充電函數(shù)并不是一個單純的外部函數(shù),而是一個集成了外部中斷的功能模塊。

3 結(jié)束語

    本文以充電機(jī)與BMS的新國標(biāo)通信協(xié)議為基礎(chǔ),提出一種基于事件觸發(fā)邏輯的充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)BMS數(shù)據(jù)交換和處理的通信系統(tǒng)。

    該系統(tǒng)通過新國標(biāo)協(xié)議的事件觸發(fā)時序,將數(shù)據(jù)傳輸流程和識別邏輯劃分為事件單元并封裝成外部功能函數(shù),運(yùn)用單片機(jī)STM32作為開發(fā)平臺,可以在一定程度上簡化上層軟件的操作,并容易實(shí)現(xiàn)可視化相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù),方便充電機(jī)其他模塊的調(diào)用。

    在實(shí)際充電應(yīng)用中,本系統(tǒng)經(jīng)過測試,能夠按要求實(shí)現(xiàn)對BMS發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和辨識處理,并做出正確的答復(fù)。后續(xù)進(jìn)一步深入開發(fā),可以擴(kuò)展成充電機(jī)與BMS的通信中繼站或通信節(jié)點(diǎn),進(jìn)一步優(yōu)化充電機(jī)與BMS的通信流程。

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作者信息:

陳如尹,賴松林

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州350108)

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