非车载充电机与电池管理系统通信协议监测系统的研究

吴诗宇，史瑞祥（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

非车载充电机与电池管理系统通信协议监测系统的研究

吴诗宇，史瑞祥
（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

随着电动汽车的普及，非车载充电机的使用越来越广泛。GB/T 27930-2011规范了电动汽车非车载充电机与电池管理系统通信协议。本文就通信协议进行研究，并搭建监测系统进行试验，为通信协议的监测和通信系统的调试提供便利。

电动客车；非车载充电机；电池管理系统；通讯协议；监测系统

随着近年来电动汽车的普及，蓄电池充电越来越受到重视。蓄电池充电设备分为车载充电机和非车载充电机。车载充电机是利用地面交流电网对电池组进行充电，完全按照蓄电池的种类进行设计，针对性较强，交流电网只需是一个提供固定电压的电源。由于车载充电机本身安装在整车上，会增加电动汽车的重量和成本［1-2］，常用于线路灵活、功率较小的小型汽车。而对于大型汽车，由于充电机功率、重量较大，适合使用非车载充电机。使用非车载充电机可以减小整车重量，但交通线路中必须要有非车载充电机，并且电池也要是非车载充电机可以满足的类型［3-4］。非车载充电机适合于有固定线路的大型汽车，如客车。为了保证充电过程的安全、高效，需要非车载充电机（以下称为充电机）和电池管理系统（以下称为BMS）之间进行正常的数据交互，即需要通信协议。

1　通信协议简述

我国推出了《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》GB/T 27930-2011［5］来规范充电机与BMS的通信。该协议是基于SAE J1939物理层、数据链路层和应用层上的［6-7］，并在SAE J1939上做了适合于充电机和BMS的规定。具体简述如下：

1）对于物理层，协议基于SAEJ1939。另外，充电机与BMS通信速率可采用50 kbit/s、125 kbit/s、250 kbit/s。需按系统要求配置监听器波特率才能监听到通信数据。

2）对于数据链路层，协议使用CAN扩展帧的29位标识符，每个位的定义符合SAE J1939。每个数据帧包含一个单一的协议数据单元（PDU）［8］，如图1所示。其中P为优先位，从0到7，数据越小，优先级越高，缺省为6；R和DP为0；PF为参数组编号（以下称为PGN）中间有效位；PS为目标地址；SA为源地址。当数据域小于8个字节，使用一个PDU；当数据超过8个字节，使用传输协议功能，来建立和关闭多包的通信。

3）传输协议功能用于数据超过8字节的多帧传输。发送者按此机制拆分发送，接收者按此机制接收重组，点对点未发生错误的多帧传输机制如图2所示。图2中，TP.CM_RTS为充电机发送的“请求发送”帧，由此开始多帧传输，数据域包含了全部字节数、全部数据包数（TP.DP包数）。BMS发送“准备好接收”帧TP.CM_ CTS，数据域包含下次可发送的数据包数、下一个要发送的数据包编号。充电机根据BMS要求开始发送数据包TP.DP，数据域第一个字节代表了包号，一个数据包最多包含7个字节的数据。TP.EndofMsgACK代表着多帧传输的结束［9］。

4）对于应用层，协议采用周期发送和事件驱动的方式来发送数据；各个节点根据PGN来识别数据包的内容；应用层应采用参数和参数组定义的形式；如果需发送多个PGN数据来实现一个功能，应用层应同时收到该定义的多个PGN报文，才判断此功能发送成功。

5）对于充电总体流程，包括四个阶段：充电握手、充电参数配置、充电阶段和充电结束阶段。如在5 s内没有收到正确报文，即判定为超时，然后进入错误处理状态，即重新物理连接或者重新握手［9-10］。

2　监测系统的搭建及试验

2.1监测系统的搭建

由于CAN总线节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息，故在中间增加监听器不破坏充电机与BMS通信系统本身。配置监听器波特率为系统波特率时，能收到所有通信数据［6-7］。为便于检测、调试、研究充电机与BMS的通信系统，需要搭建监测系统。

监测系统由监听器和上位机及其软件组成，软件可以启动并配置监听器，可以在线或离线辨识通信过程和通信数据。监听器安装在通信线路上，监听器的CANH连接通信线路的CANH，监听器的CANL连接通信线路的CANL。由于监听器为CAN总线的中间节点，不接终端电阻。监听器通过USB串口电缆接到上位机。监听器把充电机与BMS通信过程的所有CAN总线数据转换为串行数据送至上位机。监测时，用上位机启动监听器，配置其波特率为充电机与BMS通信系统的波特率，监听器就能接收所有通信数据，上位机也就能接收到这些数据。监测系统的硬件结构如图3所示。

使用C#编写监测系统的上位机软件，软件完成监听器的配置、数据的接收、在线辨识、离线辨识、保存数据及生成检测报告等。主要代码如下：

1）配置监听器主要代码：

baud=GCanBrTab［comboBox_e_u_baud.Selected Index］；

VCI_SetReference（m_devtype，m_devind，m_canind，0，（byte*）&baud）；//配置波特率。

2）接收数据主要代码：

VCI_CAN_OBJobj=（VCI_CAN_OBJ）Marshal.PtrTo-Structure（（IntPtr）（（UInt32）pt+i*Marshal.SizeO（f typeof（VCI_CAN_OBJ））），typeo（f VCI_CAN_OBJ））。

3）数据在线辨识部分代码：

Res.Data［0］=System.Convert.ToInt32（obj.Data［0］）；Res.Data［1］=System.Convert.ToInt32（obj.Data［1］）；voltage=（Res.Data［1］*256+Res.Data［0］）*0.1；//充电机充电状态电压输出值。

2.2试验及其结果

试验过程：安装监测系统，上位机程序配置并启动监听器，操作充电机开始充电，上位机接收到通信数据和辨识结果。试验使用的BMS为334 V，60 Ah的钛酸锂电池组管理系统。试验的充电通信流程如图4所示；监听器接收到的部分数据（使用传输协议）如表1所示；把接收到的TP.DP数据用GB/T 27930-2011来人工解析［5］，解析结果如表2所示；报文在线辨识界面见图5。

表1　接收到的部分数据

表2　接收到的数据解析结果

从图5可以看出，由本监测系统中的试验结果后处理软件得到SPN辨识，结果更便捷、更直观。另外，本监测系统还可以把所有的辨识结果生成检测报告，检测报告可以以第三方的角度研究和分析BMS的充电策略和BMS充电过程中电压、电流的变化，从而检测报告可以作为充电机与BMS通信系统检测的参考材料。

3　结束语

使用监测系统可以接收到非车载充电机与电池管理系统的通信数据，可以完成在线辨识、离线辨识、保存数据及生成检测报告等功能。监测系统的开发和利用为通信协议的检测、研究和通信系统的调试提供了便利。

［1］陈一平.车载智能快速充电机的设计与研究［D］.天津：天津大学，2008.

［2］李国洪，李志永，解红岩.基于DSP的车载充电机的设计与实现［J］.电源技术，2014，38（1）：116-119.

［3］丁心志，毕志周，曹敏，等.电动汽车非车载充电机技术分析与试验研究［J］.电测与仪表，2012，49（4）：14-17.

［4］陈良亮，张蓓蓓，周斌，等.电动汽车非车载充电机充电模块的研制［J］.电力系统自动化，2011，35（7）：81-85.

［5］GB/T 27930-2011，电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［6］孟晓楠.SAE J1939协议分析和Smart J1939系统设计实现［D］.杭州：浙江大学，2006.

［7］SAE J1939StandardsCollection.Recommended Practice fora SerialControl and Communication Vehicle Network［S］.Society of Automotive Engineer，2006.

［8］高松，高燕.浅谈J1939协议在客车CAN总线中的应用［J］.农业装备与车辆工程，2005，（10）：30-31.

［9］董刚.国家新标准协议充电过程详解［J］.客车技术与研究，2014，36（1）：59-61.

［10］雷洪钧.CAN总线在城市客车上的应用［J］.客车技术与研究，2009，31（1）：48-51.

修改稿日期：2015-02-10

Research on M onitoring System of Communication ProtocolsBetween Off-board Conductive Charger and Battery M anagem ent System

Wu Shiyu，ShiRuixiang
（Chongqing Vehicle Test&Research Institute，NationalCoach Quality Supervision&Testing Center，Chongqing401122，China）

With the popularity ofelectric vehicles，the off-board conductive charger isusedmore andmorewidely. GB/T 27930-2011 standardizes communication protocols between off-board conductive charger and batterymanagementsystem for electric vehicles.The authorsstudy the communication protocols，and build themonitoring system to carryout the test，in order toprovide the convenience for monitoring the communication protocolsand debugging the communication system.

electric bus；off-board conductive charger；battery management system；communication protocols；monitoringsystem

U 463.63+3

A

1006-3331（2015）04-0060-03

吴诗宇（1986-），男，硕士；工程师；主要从事车辆电器检测技术的研究工作。