用于纯电动客车电池管理系统的通讯系统及其管理方法

专利名称：：用于纯电动客车电池管理系统的通讯系统及其管理方法
技术领域：
：本通讯协议适用于纯电动客车电池管理系统CAN总线通讯
技术领域：
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背景技术：
：石油危机和环境污染等问题的日益突出，使得电动汽车越来越引起社会的重视，成为了未来汽车的发展方向。电动汽车与传统内燃机汽车相比，在国外仍然处于产业化初期准备阶段，与之相关的高新技术及产品还依赖于配套供应商的支持，尚未形成新的工业体系。同时，在发达国家，传统汽车工业已形成的庞大生产规模和社会基础设施的投入，以及发展的强大惯性，在某种意义上可能构成了阻碍其发展新一代汽车的社会成本，使他们难以下决心实现根本性的战略转变，从而有可能为我国赢得宝贵的时间。汽车上的电控系统和传感器、执行器的不断增加使点对点的联结方式走到了尽头，为简化日益增加的汽车电控装置的线路连接、提高系统可靠性和故障诊断水平、利于各电控装置之间数据资源共享、并便于建成开放式的标准化模块化结构，汽车网络总线技术得到了很大的发展，在汽车上CAN总线和LIN总线结合应用将是一种主流模式，以及以D2B无线通信为基础的远程高频网络通信系统。尤其要说明的是总线技术的应用带来了整车电气系统设计的革新和优化。目前国际上在卡车及大客车上普遍采用SAEJ1939标准。由于电动车是一个新技术，许多电控部件的通信标准需要重新定义。中国专利申请，其公开号为CN1649345A、发明名称为"基于CAN总线的纯电动客车通讯方法"的申请公开了一种纯电动客车的CAN总线的通讯方式，这种方式基于单一CAN总线来实现纯电动客车的通讯，用单一CAN总线实现电机控制器、电子节气门控制器、驾驶室显示器、ABS控制器及动力电池管理系统的信息通讯，这种通讯协议的运用使纯电动客车在电器信号的通讯技术上有了突破性的发展，但其只公开了整车控制器、电池管理系统、电机控制器及变速器之间的通讯协议及通讯信息格式，并未公开纯电动客车电池管理系统内部的通讯协议、通讯格式信息、通讯信息管理方式及充电管理模式。而本发明在纯电动客车电池管理系统的内部通讯及充电管理技术方面进一步发展，属于电动汽车动力电池信息管理及充电控制领域，而非整车控制，是整车控制网络里的一个子网络。
发明内容正是出于上述的考虑，本发明提出了一种适用于纯电动汽车电池管理系统的CAN总线通讯技术。基于CAN2.0B和J1939的相关规定，提出了一种适用于纯电动客车的电池管理系统网络通信协议及接口标准。其中为整车控制器地址新分配了地址，电机控制器、电子节气门控制器、驾驶室显示器、ABS控制器和动力电池管理系统选用原SAEJ1939定义已经分配了的地址。根据本发明的一个方面，提供了一种用于纯电动客车电池管理系统的管理方法，该电池管理系统包括通过CAN总线相连接的电池管理系统中央控制模块，多个电池测控模块，整车控制器，车载监视系统，充电机，地面监视系统，该方法包括多个电池测控模块通过CAN总线将各单体电池的测控信息传输到电池管理系统中央控制模块；电池管理系统中央控制模块将接收到的测控信息进行处理，通过CAN总线将处理后的信息传输到整车控制器，车载监视系统，充电机，地面监视系统。其中，所述电池测控模块接收由传感器测得的电池数据，然后根据内部总线协议进行打包，并通过内部总线将其发送到电池管理系统中央控制模块。CAN总线包括CAN1总线和CAN2总线。—根据本发明的另一个方面，提供了一种甩于纯电动客车电池管理系统的通讯系统，该通讯系统包括多个电池测控模块，用于采集各单体电池的状态信息，并将采集的信息传输到电池管理系统中央控制模块；电池管理系统中央控制模块，用于接收并处理从多个电池测控模块发送的各单体电池的状态信息；整车控制器，用于根据车体各组成部分状态信息对整车进行控制；车载监视系统和地面监视系统，用于监视整车的状态；充电机，用于根据各单体电池状态信息对各单体电池进行充电；其中，通过CAN总线将电池管理系统中央控制模块、多个电池测控模块、整车控制器、车载监视系统、充电机、地面监视系统相连接，和电池管理系统中央控制模块通过CAN总线将处理后的信息传输到整车控制器、车载监视系统、充电机、地面监视系统。其中，所述电池测控模块接收由传感器测得的电池数据，然后根据内部总线协议进行打包，并通过内部总线将其发送到电池管理系统中央控制模块。CAN总线包括CAN1总线和CAN2总线。最好，还包括充电插头，所述充电插头，用于当电池不能在充电架上进行充电时，直接将由地面控制系统监控的充电机通过车上的充电插头与车上的电池管理系统连接，进行充电。其中，所述充电机为地面上的对电池充电用的充电设备，分别与电池管理系统中央控制模块通过高速CAN总线联接，以及与地面监视系统通过监控CAN总线联接，地面监视系统通过充电机实时监视、控制被充电电池的充电状况。本发明的有益效果是，通过电动汽车上的CAN总线控制网络及地面充电系统的CAN总线网络，在电池管理系统中央控制模块的网关作用下，可方便地实现电动汽车的电池管理及电池的充电管理。在正常情况下的充电管理，亏电的电池通过快速更换装置从电动汽车转移到电池架上，电池的充电工作在充电架上完成；在非正常情况下，因为某种原因，电池不能在充电架上进行充电，只能在车上进行。采用该项技术借鉴SAEJ1939制定了纯电动客车电池管理系统通信协议规范以及主要关键部件的通信内容和格式，满足电动车电池系统的管理、故障诊断通信协议的要求。下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。其中图1表示电动汽车动力电池管理系统网络通讯拓扑结构；图2表示应急性整车充电模式的网络拓扑结构；图3表示快速更换模式下地面电池充电网络拓扑结构；图4表示在SAEJ1939协议中29位标识符的分配；图5是各ECU地址分配；图6是各ECU输入输出信号格式定义；图7是本发明的用于电池管理系统的通讯原理图。具体实施例方式设计完具有CAN接口硬件后，在软件程序设计中按照本协议规范进行通信程序设计。为了建立电动汽车整车的网络，实现电动汽车综合故障诊断功能，并为各个电控系统模块提供硬件试验平台，本发明在SAEJ1939的基础上提供了一种适用于纯电动客车的电池管理系统网络通讯协议和接口技术。为了实现本发明的目的，本发明人首先出于下列要求-1、通讯协议制定的原则(1)先进性，制定的协议要尽量与国际接轨，参照国际SAEJ1939，在其基础上进行改进，并有自己的特色。原因主要是考虑到国外成熟的协议是经过实践检验的，借用它可以少走弯路。(2)指导性，制定协议必须要考虑车辆的特性，指导整车和相关零部件相关控制技术的发展。(3)兼容性，制定的协议要适用于各种车型，多种结构形式。(4)扩展性，制定的协议要便于以后升级发展，扩展的协议要兼容前面制定的协议。2、网络中的ECU节点网络拓扑结构网络拓扑结构如图l、2、3所示，分别为运营模式下的网络拓扑结构，应急性整车充电模式的网络拓扑结构和快速更换模式下地面电池充电网络拓扑结构。CAN总线传输速率为250kbps。3、通讯协议规定电动汽车网络总线通讯协议主要参考SAEJ1939来制定，也就是在J1939的基础上制定出满足纯电动车辆控制需要的通讯协议。基于上述的要求，本发明提供了一种用于纯电动客车电池管理系统的管理方法，并实现了以下要求与效果1、物理层的规定物理层的规定主要参考CAN2.0B和J1939的相关规定。(1)控制器电源符合GB/T11858.3标准的规定，电源应由整车和充电接口两个电源供电。考虑到纯电动大客车的实际低压系统的实际电压，设计的ECU应满足电源电压1836V，20A电流；(2)蓄电池管理系统与整车控制器之间的接口采用标准CAN2.0B接口；(3)网络系统支持热拔插。电源具有反接保护和掉电检测功能；(4)位时间(bittime):即每一位占用的时间。在这个位时间中进行总线管理，包括ECU同步、网络传输延时补偿、采样点定位等。这个时间可以由CAN协议的集成电路来设定。网络上所有节点的位时间必须设置为相同值。整车网络推荐位时间为4pS，对应的传输速率为250kbit/s，网络长度为40m;(5)拓扑结构网络的接线拓扑应该是一个尽量紧凑的线形结构以避免电缆反射。ECU接入总线主干网的电缆要尽可能短。为使驻波最小化，节点不能在网络上等间距接入，接入线也不能等长，且接入线的最大长度应小于lm;(6)屏蔽终端屏蔽终端是一点接地；(7)通信电缆应尽量离开动力线(0.5m以上)、离开24V控制线(O.lm以上)。2、数据链路层的规定数据链路层的规定主要参考CAN2.0B和J1939的相关规定。(1)使用CAN扩展帧的29位标识符并进行了重新定义。图4为29标识符的分配。其中，优先级为3位，可以有8个优先级；R一般固定为O;DP现固定为O;8位的PF为报文的代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送此报文的源地址；(2)节点的编址规则如果J1939已有定义，则尽量使用J1939已定义的地址；具有多个功能的ECU，可以使用多个地址，也可以重新定义新的地址；新定义地址，应使用208231这段属于公路用车的预留地址；(3)采用广播和单播相接合方式进行数据传输，单播报文主要用于解决相同功能节点的控制问题，其它情况下尽量使用广播报文；(3)采用数据块编码和节点编码相接合的方式进行数据通信；(4)数据帧采用CRC校验；(5)总线错误严重时具有自动关闭功能。3、应用层的规定应用层的规定主要参考J1939的相关规定。(1)应用层定义了协议数据单元PDU的两种格式PDU1和PDU2;(2)采用PGN对数据块(参数组)进行编号，广播方式下，ECU根据PGN来识别数据块的内容；(3)采用周期发送和事件驱动的方式来发送数据；(4)定义新的参数组时，尽量将相同功能的参数、相同或相近刷新率的参数和属于同一个子系统内的参数放在同一个参数组中；同时，新的参数组既要充分利用8个字节的数据宽度，尽量将相关的参数放在同一个组内，又要考虑扩展性，预留一部分字节或位，以便将来进行修改；(5)修改J1939已定义的参数组时，不要对已定义的字节或位的定义进行修改；新增加的参数要与参数组中原有的参数相关，不要为了节省PGN的数量而将不相关的参数加入到已定义的PGN中；对于功能相近的ECU,可以在已定义的PGN中利用未定义部分来增加识别位，判断出ECU的功能，充分利用原来已定义的参数。4、ECU源地址分配图5是纯电动汽车可能用到的ECU节点名称和分配的地址。'其中整车控制器地址为新分配的地址，而电机控制器、电子节气门控制器、驾驶室显示器、ABS控制器和动力电池管理系统为原SAEJ1939定义并已经分配了地址。5、数据格式定义图6是纯电动客车各个ECU输入输出信号格式定义。6、各ECU参数组定义电池管理系统CAN1:BMSC1—0参数组定义(本字节紧跟DLC后输出)，参见表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>电池管理系统CAN1:BMSC1一1参数组定义，参见表2。'表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—DISPLAY—V20xl80128F3参数组定义，参见表4。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—DISPLAY—V250xl81928F3参数组定义，参见表5。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—DISPLAY—Tl0xl80028F4参数组定义，参见表6。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—DISPLAY—T20xl80128F4参数组定义，参见表7。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—Broadcastl0xl8F100F4参数组定义，参见表8。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2_Broadcast20xl8F101F4参数组定义，参见表9。表9<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—CHARGE—10xl805E5F4参数组定义，参见表ll。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—CHARGE—20xl806E5F4参数组定义，参见表12。表12<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—CHARGE—40xl809E5F4参数组定义，参见表13。表13<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>电池管理系统CAN2:BMSC2—CHARGE—60xl828F4E5参数组定义，参见表15。表15<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>7、充电机和电动汽车互连后的状态转换充电装置和电动汽车互连后的状态转换见图78、接口定义接口连接方式协议规定两种连接方式第一种采用《电动车辆传导充电系统一般要求》GB/T18487.1-2001中8.2.1通用插孔(12孑L)或8.2.2基本插孔(8孑L)推荐的标准。但该标准的个别插孔应做调整，参见表16。表16<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>第二种(不推荐采用):在不能满足国标时,可采用双插孔，但仅作为在没有符合国家标准推荐的标准插座前，采用的临时替代措施。9、推荐连接器采用符合GB/T11858.3-2002的8.4条的规定的连接器。建议采用连接器接点的安排应符合GB/T11858.3-2002的表59的规定(摘录如下)。GB/T11858.3-2002表59连接器接点的安排，参见表17。表17<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>插座副B(CZ-B)电动汽车与充电机之间的接口。该接口除符合12.2、12.3条规定外，还应符合GB/T18487.1-2001的规定。连接器由充电连接器和DeviceNet连接器组成。DeviceNet连接器应符合12.3的规定。充电连接器接点安排见表18。表18<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>10、控制导引电路控制导引电路应符合GB/T18487.1-2001的规定。连接应符合12.1的规定。控制导引电路完成以下安全控制功能确认充电机与电动车的充电插座已被正确连线。不间断保护性导体接地牢固性检査；系统的通电；系统的断电。错线保护错线保护应符合GB/T11858.3的8.7条的规定，在下列条件下设备应能承受错误接线而不损坏——充电正负连线错接——总线电源U+和U-接反；——屏蔽线连接到其他导线上；——CAN+和CAN-连接到不超过-25VDC25VDC的电压线上。——测试方法见GB/T11858.3的9.2.4条。本发明是一个充电管理控制系统的总线网络通讯协议，主要和电池管理相关，与现有技术不同，属于电动汽车动力电池信息管理及充电控制领域，而非整车控制，是整车控制网络里的一个子网络。其中充电管理分两种情况第一种，正常情况下的充电管理(如图3所示)，正常情况下，亏电的电池通过快速更换装置从电动汽车转移到电池架上，电池的充电工作在充电架上完成；第二种，非正常情况下，因为某种原因，电池不能在充电架上进行充电，只能在车上进行，此时的网络结构如图2所示。图1为电动汽车动力电池管理系统网络通讯拓扑结构示意图。通过CAN总线将电池管理系统中央控制模块、电池测控模块1、电池测控模块2、电池测控模块3、电池测控模块4、电池测控模块5、电池测控模块6、电池测控模块7、电池测控模块8、电池测控模块9、电池测控模块10、车载监视系统组建成一个网络来对电动汽车动力电池进行管理，实现信息共享。各个测控模块与控制器之间按照CAN通讯协议里所规定的方式进行通信。其中10个电池测控模块分别负责对所连接的电池单元的电压和电流等信号进行测量和控制。电池管理系统中央控制模块作为网关将电池管理系统和整车CAN网络相联，实现电池管理系统和整车网络之间的信息交互。车载监控系统可以实现人机交互，对整个电池管理系统进行监控。图2所示为应急性整车充电模式的网络拓扑结构。此时电池不能在充电架上进行充电，只能在车上进行充电。不需要将亏电的电池通过快速更换装置从电动汽车转移到电池架上，而是直接将由地面控制系统监控的充电机通过车上的充电插头与车上的电池管理系统连接，进行充电。其中充电机为地面上的对电池充电用的充电设备，分别与电池管理系统中央控制模块通过高速CAN总线联接，及与地面监视系统通过监控CAN总线联接，地面监视系统通过充电机实时监视、控制被充电电池的充电状况。图3所示为快速更换模式下地面电池充电网络拓扑结构。正常情况下，将亏电的电池通过快速更换装置从电动汽车转移到电池架(充电平台)上，将其通过充电接头与充电机连接，电池的充电工作在充电架上完成。图4为表示在SAEJ1939协议中29位标识符的分配。其中PRIORITY代表优先权，用于优化报文经总线传输的等待时间。R是保留位，由SAE保留，将来使用。DP表示数据页，用于区别参数组，参数组号首先填满第零页，然后再向第一页分配，目前均设置为0。PF表示协议数据单元格式，是一个8位场，它定义了两种协议数据格式格式1和格式2，也用于决定向数据场分配参数组号。PS是协议数据单元特性，是一个8位场，根据协议数据单元格式定义，本场可能是目标地址或组扩展。如果协议数据单元格式场的值低于240，那么协议数据单元特性场是目标地址。如果协议数据单元格式场的值在240和255之间，那么协议数据单元特性场包括一个组扩展值。SA代表源地址，长度是8位。网络中的一个设备应该有一个给定的源地址。图5是各ECU地址分配。其中电机控制器、驾驶信息显示、蓄电池管理系统和变速器ETC都已经由SAEJ1939分配好了地址。整车控制器、电动助力转向系统、CAN网关、充电机控制系统和调控系统是利用了SAEJ1939为用户预留的地址进行新的定义。在J1939网络上运行的ECU都应该有一个可用的首选地址，这样才能保证各个ECU能够在整车网络上正常通信。之所以对整车控制器等进行新的地址定义，是因为之前在SAEJ1939中没有对其进行定义。图6是各ECU输入输出信号格式定义。包括信号类型、比例因子、范围、偏移量和信号的长度。通过这个表格，可以将各个ECU输入输出信号的物理值转换成可以在总线上传输的数字量。图7是本发明的用于电池管理系统的通讯原理图。信息传输流程如图7所示，电池测控模块接收由传感器测得的电池数据，然后根据内部总线协议进行打包，并通过内部总线将其发送到电池管理系统中央控制模块，电池管理系统中央控制模块将接收到的各个测控模块传送的数据进行相应得处理后再通过CAN1、CAN2发送到整车网络中。具体地说，电池测控模块110为电动汽车十箱电池的数据采集模块，主要采集单体电池电压，10个模块采集的数据通过总线发送到电池管理系统中央控制模块，然后电池管理系统中央控制模块再通过CAN1将数据发送到整车控制器，通过CAN2发送到车载监视系统，在给电池充电时充电机和地面监视系统也被接入CAN网络，因此充电时，电池的信息又通过CAN2传送到充电机和地面监视系统。本发明通过上面的实施例进行举例说明，但是，本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离分发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此分发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由附录权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。权利要求1、一种用于纯电动客车电池管理系统的管理方法，该电池管理系统包括通过CAN总线相连接的电池管理系统中央控制模块、多个电池测控模块、整车控制器、车载监视系统、充电机、地面监视系统，该方法包括多个电池测控模块通过CAN总线将各单体电池的测控信息传输到电池管理系统中央控制模块；电池管理系统中央控制模块将接收到的测控信息进行处理，通过CAN总线将处理后的信息传输到整车控制器，车载监视系统，充电机，地面监视系统。2、如权利要求1所述的管理方法，其中，所述电池测控模块接收由传感器测得的电池数据，然后根据内部总线协议进行打包，并通过内部总线将其发送到电池管理系统中央控制模块。3、如权利要求1所述的管理方法，其中，所述CAN总线包括CAN1总线和CAN2总线。4、一种用于纯电动客车电池管理系统的通讯系统，该通讯系统包括多个电池测控模块，用于采集各单体电池的状态信息，并将采集的信息传输到电池管理系统中央控制模块；电池管理系统中央控制模块，用于接收并处理从多个电池测控模块发送的各单体电池的状态信息;整车控制器，用于根据车体各组成部分的状态信息对整车进行控制；车载监视系统和地面监视系统，用于监视整车的状态；充电机，用于根据各单体电池的状态信息对各单体电池进行充电；其中，通过CAN总线将电池管理系统中央控制模块、多个电池测控模块、整车控制器、车载监视系统、充电机、地面监视系统相连接，和电池管理系统中央控制模块通过CAN总线将处理后的信息传输到整车控制器、车载监视系统、充电机、地面监视系统。5、如权利要求4所述的通讯系统，其中，所述电池测控模块接收由传感器测得的电池数据，然后根据内部总线协议进行打包，并通过内部总线将其发送到电池管理系统中央控制模块。6、如权利要求4所述的通讯系统，其中，所述CAN总线包括CAN1总线和CAN2总线。7、如权利要求4所述的通讯系统，其中，还包括充电插头，所述充电插头，用于当电池不能在充电架上进行充电时，直接将由地面控制系统监控的充电机通过车上的充电插头与车上的电池管理系统连接，进行充电。8、如权利要求7所述的通讯系统，其中，所述充电机为地面上的对电池充电用的充电设备，分别与电池管理系统中央控制模块通过高速CAN总线联接，以及与地面监视系统通过监控CAN总线联接，地面监视系统通过充电机实时监视、控制被充电电池的充电状况。全文摘要本发明涉及一种用于纯电动客车电池管理系统的通讯系统，该通讯系统包括多个电池测控模块、电池管理系统中央控制模块、整车控制器、车载监视系统和地面监视系统、充电机。采用本发明借鉴SAEJ1939制定了纯电动客车电池管理系统通信协议规范以及主要关键部件的通信内容和格式，满足电动车电池系统的管理、故障诊断通信协议的要求。文档编号H04L29/08GK101417637SQ20081008502公开日2009年4月29日申请日期2008年3月14日优先权日2008年3月14日发明者南金瑞,辉周,孙逢春,岩崔,恒李,程林,王大方申请人:北京理工大学