基于CAN总线的电池管理系统监控平台开发

李志平 黄雷

（1.天津清源电动车辆有限责任公司；2.天津职业技术师范大学）

随着世界能源的日趋紧张，环境恶化的加剧，目前在世界范围内都在推动电动汽车技术的研究与使用。随着电动汽车的不断发展，电池管理系统这个名词也逐渐为大家熟悉。作为电动汽车的核心部件——电池管理系统[1]是用来对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池的使用效率，达到增加续航里程，延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性。文章详细阐述了针对电池管理系统的安全和高效运行，开发出的基于CAN总线的电池管理系统监控平台的设计方法。

1 平台方案设计

电池管理系统主要用于电池单元的保护、充放电控制、电池组总电压、总电流的检测、电池模块温度的检测、SOC和SOH的估算、单体电池电压均衡、系统的故障诊断及热管理等。如图1所示，一般采用主从式[2]结构，从板将采集到的电池模块的温度通过CAN总线发送到中央控制系统，中央控制系统通过隔离采集系统采集电池箱的总电压、总电流。中央控制系统根据采集到的信息对电池包进行热管理及SOC估算，同时将采集到的信息通过CAN总线上报给其他设备。

图1 电池管理系统示意图

1.1 平台结构框图

基于CAN总线的电池管理系统监控平台用VisualBasic语言进行平台的软件开发，该软件实现SOC值、总电压、总电流、各单体电压、温度等的数据显示以及数据记录，并能够根据测试要求对电池管理系统的软硬件进行测试。Kvaser Leaf是一个CAN总线分析工具，它能够将接收到的信息转变为标准的CAN物理信号再发送。被测电池管理系统具有CAN通道通信接口，作为一个CAN节点，可以与CAN网络上其他节点进行通信，也可以发送采集到的电池数据，也可以接收PC机VisualBasic软件发来的控制指令。在整个系统框图里，PC机VisualBasic软件接收各种信息并且发出指令，由Kvaser Leaf工具将这些信息转变为标准的CAN物理信号，并通过数据线与被测电池管理系统连接。图2示出整个测试系统的平台结构框图。

图2 监控平台结构框图

根据平台监测电池管理系统的数据情况，对电池管理系统发出相应的控制指令，检测电池管理系统某些硬件电路，改变电池管理控制策略，通过这种方法，能够维持电池管理系统在最佳状态工作，且工作过程的所有状态都会被记录，方便以后对电池管理系统进行改进及完善。

1.2 Kvaser Leaf总线测试工具

Kvaser Leaf是一个基于USB的单通道CAN总线分析仪，携带方便，即插即用。它的每个CAN消息均标有100 us精度的时间标签，每秒可以处理高达8 000条消息。支持11位标识符（CAN2.0A）的标准帧和29位标识符（CAN2.0B active）的扩展帧，支持数据帧和远程帧，可检测错误帧。具有优越的EMC性能。分析仪一端是110 cm长的USB线缆，另一端是30 cm长的CAN线缆。使用DB9针连接头接入CAN总线。

在使用此工具时，需要调用它的驱动程序。作者编写了对应硬件的VisualBasic应用程序，通过在Visual-Basic中直接调用Kvaser Leaf的驱动程序，将Kvaser Leaf总线分析仪采集到的CAN数据读取到监控平台。

2 平台软件设计

平台的核心是基于PC机的VisualBasic软件处理系统，它能够接收总线发送的数据并显示在PC机监控界面，同时也能够对电池管理系统发出相应指令以改变控制策略，并遵循SAE J1939协议，29位标准的CAN信息数据格式。

2.1 CAN数据域解析表

如前所述，电池管理系统采用主从式结构设计，即每个模块有单独的采集电路，将数据通过CAN总线的方式发送至主控模块，主控模块根据数据进行SOC和SOH预估等。被监测对象包括了SOC值、总电压、总电流、各单体电压等，并对数据进行记录。软件按照CAN数据帧格式发送数据，因此这些信号和发送的CAN数据帧有对应关系，如表1所示。

表1 CAN数据域解析表

CAN扩展帧中的数据场最多为64位，即最多可包含8个BYTE数据。软件根据控制对象的不同，将各个数据BYTE对应的关系定义，如表1所示。其中，SOC表的CAN数据范围是0～100，实际对应的SOC范围是0～100%。总电压的CAN数据范围是0～288 V，实际对应的总电压范围是0～288 V。总电流的CAN数据范围是0～300 A，实际对应的总电流范围是0～300 A。单体电压的CAN数据范围是0～5 V，实际对应的单体电压范围是0～5 V。

2.2 平台设计流程

根据系统功能定义和发送参数的CAN数据域解析表（表1），进行系统流程设计，如图3所示。

图3 系统设计流程图

CAN通信参数设置是在VisualBasic中对CAN通信速率、发送帧类型、ID数值等进行设置，由于使用的总线分析仪是Kvaser Leaf Light HS型号分析仪，最终输出的物理信号是高速CAN信号，通信速率设置为250 kB/s。ID数值可根据29位CAN扩展帧格式和具体被测电池管理系统的ID数值进行设置。发送的帧类型通常默认选择为数据帧。自定义CAN发送的数据主要是为改变控制策略而发送的参数修正指令以及为测试电池管理系统的硬件，比如测试均衡电路以及电池热管理系统硬件的可靠性等。

通过对系统功能、数据定义和流程设计的分析，建立PC机VisualBasic软件系统。该系统实际上是一个灵活的可自由设置输入输出的CAN节点，通过这个节点，可以很好的完成对被测电池管理系统的监测和控制。

2.3 平台界面设计

系统软件采用VisualBasic平台进行设计，使用VisualBasic的图形化程序语言，以一种很直观的方法建立人机界面和程序框图。平台界面设计，如图4所示。

图4 监控平台界面

图4包含了SOC表、总电压、总电流、单体电压、充放电指示、保存指示、CAN测试、CAN启动和自定义CAN发送。按下“启动CAN”按钮，系统开始接收数据，某一数据帧数据内容见表1。接收到的CAN数值会在界面的相应部分有显示。同时，根据电流的正负，分别显示充电指示或放电指示。在右下角的CAN测试部分，可以看到接收的CAN数值的详细情况，在自定义CAN发送区，可以通过CAN发送指令给电池管理系统，通过界面可以看到指令对电池管理系统的控制策略改变，如发送开启数据记录，则保存指示槽会开始变化，再发送关闭数据记录，则保存指示槽会清空。

3 结论

基于CAN总线的电池管理系统监控平台，通过Kvaser Leaf总线分析仪采集电池管理系统上报到CAN总线上的数据，并通过CAN数据域解析表将采集到的数据进行解析，将解析得到的数据在监控平台上进行显示，同时该监控平台也可以对电池管理系统进行在线标定以及控制策略修改等活动。该监控平台对电池管理系统的安全有效运行提供了可视化的人机交互模式，方便技术人员对电池控制策略进行修改，同时实时监控电池包的运行状态。