基于J1939协议的电池管理系统的设计与实现

汝正阳，张向文,2

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004；2.广西自动检测技术与仪器重点实验室(桂林电子科技大学)，广西桂林541004)

基于J1939协议的电池管理系统的设计与实现

汝正阳1，张向文1,2

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004；2.广西自动检测技术与仪器重点实验室(桂林电子科技大学)，广西桂林541004)

为了实现电池管理系统信息与汽车其他控制系统信息的共享，设计了基于J1939协议的电池管理系统。该系统以STM32F103系列单片机为主控制器，利用CAN总线与整车进行通讯，CAN通讯协议基于J1939协议制定，监控模块利用电容触摸液晶屏实现，依据管理系统需求设计了液晶屏界面。通过实验测试，该系统可以通过CAN总线进行电池管理系统的功能选择，显示系统参数设置与电池信息，验证了设计协议的合理性和系统的可行性。

J1939;CAN;电池管理系统;触摸屏;电动汽车

纯电动汽车环保节能、行驶安静，近年来发展迅速。纯电动汽车的电池组通常由多节电池串并联组成。电池管理系统直接关系到电池组的安全、使用寿命，以及充放电性能的好坏。因此电池管理技术成为了纯电动汽车技术中的关键技术[1]。

电池管理系统和整车之间需要稳定的通讯，CAN通讯因为高性能、突出的可靠性、易于开发、低成本等特性在整车通讯网络中得到广泛应用[2]，成为了汽车车身通讯的实际标准。

本文设计的电池管理系统通过基于CAN2.0B标准和J1939协议的CAN总线与整车进行通讯。整车CAN通讯网络上挂载电容触摸液晶屏单元选择电池管理系统的功能和显示电池管理系统相关信息，从而实现整个电池管理系统的设计。

下面首先给出系统的整体设计框架，然后，对设计系统的CAN收发电路和电容触摸屏单元进行介绍，接着，阐述J1939协议在电池管理系统中的应用方法，设计基于本管理系统通讯的应用层协议，最后，进行系统的软硬件实现和实验测试研究，并对测试结果进行分析。

1　系统设计

1.1系统总体设计

图1　系统设计总体框图

设计电池管理系统如图1。系统主要由两部分构成：(1)电池组控制单元，由电池组控制器接收电池信息，使电池管理系统拥有故障处理、SOC估算、信息采集、电池均衡、热管理等功能[3-4]；(2)电容触摸屏单元，由触摸屏控制器和LCD液晶组成，这部分用来显示电池信息，设置管理系统参数。电池组控制器与触摸屏控制器，均使用意法半导公司的STM32F103系列处理器。电池组控制单元与电容触摸屏单元通过CAN总线进行数据通讯，CAN总线通讯基于J1939协议。

1.2CAN收发设计

CAN收发器用于电池组控制单元和电容触摸屏单元与整车网络进行通讯。本设计采用STM32F103VET6作为主控制器和液晶屏单元控制器，STM32内部集成有一路CAN驱动器，外部只需添加一个CAN接口芯片，本文选用高速CAN收发器TJA1050，在CANH和CANL之间连接一个120 Ω的电阻用作终端匹配，可以降低传输出错的可能，提高CAN总线传输的稳定性,电路见图2。

图2　CAN收发电路

电路在设计时，需要特别注意抗干扰方面的设计[5]:(1)隔离数字地和模拟地;(2)CAN传输线路使用双绞线并在外边包裹与地相连的金属网罩;(3)电路板信号线尽量短且直；(4)电路板正反两层不平行走线。

1.3液晶控制单元

电容触摸屏单元，选用7寸TFT电容触摸屏进行数据显示，并通过屏幕触摸实现管理系统功能选择。电容触摸屏支持5点触摸，分辨率800×480。电容触摸屏单元控制器STM32与电容触摸屏显示和触摸接口分别相连。显示端使用STM32内部FSMC模式模拟8080端口操作液晶屏显示端口，液晶屏触摸内部由Gt811驱动芯片控制[6]，使用的是IIC通讯协议，本设计中使用IO口模拟IIC的方式接收液晶屏触摸信号。电容触摸屏单元与触摸屏控制器连线如图3，电容触摸屏单元引脚说明见表1。

图3　电容触摸屏单元

表1　模块引脚说明

触摸屏供电使用5 V电源，使用的IO口电平为3.3 V LVTTL电平，可以使用STM32处理器IO口推挽输出模式，直接驱动。模块三个GND端，内部连接在一起，只需要接连一个地模块就可以使用，图4中标号GND_EARTH与模块GND脚连接为电路测试时使用端口。

图4　STM32与液晶屏的管脚对应图

2　J1939协议与CAN通讯设计

CAN有突出的可靠性和灵活性，广泛地应用于汽车以及工业控制中，CAN2.0B标准，制定了物理层和数据链路层基本通讯标准。实际使用CAN通讯，波特率设置为250 kbit/s，需要设置应用层协议，SAEJ1939协议是广泛应用于汽车上的CAN总线协议。J1939协议在数据链路层需要对CAN29位的扩展帧进行重新的分组定义[7]。本设计分组定义如表2所示。

表2　CAN扩展帧与J1939协议标识符对应关系

在应用层协议中可以定义J1939协议报文格式，J1939规定的协议数据单元(PDU)见表3，其中P为优先级，决定报文的优先级顺序，用三位字节表示，数值越小，优先级越高。R是保留位，DP是数据页用来选择参数群描述。PF用来选择不同的PDU格式，PS位为PDU细节，若PDU格式(PF)段的值小于240，特定PDU段是目标地址。若PF段的值在240和255之间，特定PDU发送的信息将包含群扩展值。SA为原地址，每一个源地址只能匹配一个设备，设计时要保证源地址的唯一性。Date Field是数据字段，数据长度为64位二进制数，8个字节长度。数据多余8字节时，使用多CAN帧实现[8]。

表3　J1939协议数据单元（PDU）

J1939协议在电池管理系统中的具体应用方面，J1939协议规定了与车辆通讯使用到的具体参数，对应电池管理系统来说需要传递的参数包括：电池组状态(充放电状态、总电压、总电流与SOC),单体电压最大最小值和串号,各个单体电压值,温度采集点的温度,故障报警、系统参数和功能选择[9]。各个功能设计ID号如表4所示。

表4　电池管理系统J1939协议ID号

CAN帧0x1801FFF4-0x1804FFF4每200 ms发送一次，CAN帧0x1801D2F4点按触摸屏生效后发送。

3　硬件实现与实验测试

3.1系统硬件实现

设计的系统硬件实物如图5所示，包括动力电池组、电池信息采集和均衡系统、电池组控制器、液晶触摸屏监控单元几部分。主控制器读取并控制电池信息采集和均衡电路，实现电池信息采集、电池均衡、并进行安全保护等功能。触摸屏控制器部分初始化完成后，进入系统总体菜单[9]，通过基于J1939协议的CAN总线，读取电池的对应信息。

图5　系统调试硬件实物图

为了验证系统的功能，利用触摸屏进行下面功能的测试：在系统总体菜单点按模块，进入模块功能测试。图6为系统总体菜单。

图6　系统总体菜单

(1)单体电池:读回各个电池单体的电压数据和温度采集点的温度情况。

(2)总体电池:显示电池总体电压，电流，SOC，电池组平均温度。

(3)故障报警:当有故障出现时，显示故障具体情况，记录故障时间和以往发生故障次数。

(4)系统设置:对系统参数进行设置。

各个子模块都具有返回按钮，当在子界面中点击返回按钮时，重新回到系统总体菜单。图7为系统各个子界面。

图7　系统各个子界面

3.2基于J1939协议CAN测试

将USB-CAN并联到CAN通讯线上，用来读取电容触摸屏单元与电池组控制单元之间的通讯CAN帧[10]。读取回来的CAN帧，显示在计算机端的USB-CAN Tool工具中，CAN帧如图8所示。与设定CAN帧ID号一致，读取J1939协议的内容正确，通讯稳定可靠。

图8　J1939协议CAN帧测试

4　结语

本文设计了一种基于J1939协议的电池管理系统，包括电池组控制单元和电容触摸屏单元，两个单元之间通过基于J1939协议的CAN总线传输数据，设计了J1939标准的协议数据单元与ID号，实现了电池管理系统与其他汽车控制系统信息的共享。最后设计了系统的具体硬件，并进行液晶屏显示与触摸，CAN总线通讯，读取电池信息，记录故障信息等功能测试，验证了设计系统的可行性和实用性。

[1]周俊赵,张向文.动力电池状态参数监测系统的设计与实现[J].电测与仪表,2014(16):112-116.

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[4]吕杰,宋文吉,林仕立,等.基于ltc6803-4的电池管理系统信号采集技术研究[J].测控技术,2013(1):23-27.

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Design and realization of battery management system based on J1939 protocal

RU Zheng-yang1,ZHANG Xiang-wen1,2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004, China)

In order to share information with other vehicle control systems,a battery management system(BMS) based on J1939 protocol was designed in this paper.In the system,STM32F103 series MCU was adopted as the core controller.CAN bus communication was designed based on J1939 protocol.Meanwhile CAN bus was used to communicate with vehicle bus.Furthermore,a monitoring module was realized with the LCD touch screen and a menu interface on it.In the end,experimental test was done to verify the feasibility and rationality of the designed system.The BMS can use CAN bus to select functions,display system setting parameters and show battery information.

J1939;CAN;battery management system;touch screen;electric vehicle

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1950-03

2016-03-15

广西科学研究与技术开发课题资助(桂科重1348-003-4)；广西自动检测技术与仪器重点实验室基金资助(YQ14111)

汝正阳(1989—)，男，山东省人，硕士，主要研究方向为汽车电子、电池管理方向。