电动汽车退役电池包整包梯次利用的关键技术-CAN通讯协议

高红立，林 武，高 峰，蒋丽丽，琚 赟

（安徽瑞赛克再生资源技术股份有限公司，安徽芜湖241006）

1 引言

目前中国新能源汽车的保有量已达170多万辆，未来如何处理从新能源汽车退役的动力电池将成为影响新能源汽车健康发展的主要问题。现在国家大力发展新能源汽车，每年都有大批的新能源汽车投入市场，未来将有大量的电池退役，退役动力电池的回收和处理已是迫在眉睫。退役电池梯次利用有好多种方式，如电池包整包利用、模组利用、电芯利用等，其中电池包整包利用是梯次利用方式中最经济、性价比最高的一种利用方式。应用的关键是利用原电池包的BMS系统，直接读取原电池包的BMS数据。能否正确读取原电池包BMS数据是梯次利用的关键。因原电池包用于汽车上，所采用的是适用于汽车的CAN总线和汽车专用协议，因此对于退役电池包的梯次利用，需要充分了解CAN通信协议。

CAN的全称是控制器局域网（Controller Area Network），它是由德国BOSCH公司为解决汽车中众多控制与仪表之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。以CAN为底层协议设计的J1939协议已经成为汽车行业的标准总线协议，被广泛应用于汽车控制系统，新能源汽车也延续了这一技术，并且通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在是新能源汽车行业广泛应用的一种现场总线。

2 CAN通信协议

2.1 CAN 物理层

CAN总线物理层的形式主要分为闭环总线网络和开环总线网络两种，闭环总线网络适合于高速通讯，开环总线网络适合于远距离通讯。CAN闭环通讯网络是一种遵循ISO11898标准的高速、短距离网络，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各要求有一个“120欧”的电阻。如图1所示。CAN开环总线网络是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离网络，它的最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个“2.2千欧”的电阻。新能源电动汽车的退役电池包中所使用的CAN总线网络就是闭环总线网络模式。

图1 闭环总线

2.2 通讯节点

CAN通讯只有由CAN_High和CAN_Low共同构成的一组差分信号线，通讯信息以差分信号的形式进行传输。CAN总线上可以挂载多个通讯节点，节点之间的信号经过总线传输，实现节点间通讯。由于CAN通讯协议不对节点进行地址编码，而是对数据内容进行编码，所以网络中的节点个数理论上不受限制，只要总线的负载足够即可。当CAN节点需要发送数据时，由收发器把逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_High和CAN_Low线输出到CAN总线网络。而通过收发器接收总线上的数据到控制器时，则是相反的过程，收发器把总线上收到的CAN_High及CAN_Low信号转化成逻辑电平信号，并输出到控制器中。

国标GB/T 2793-2015中明确规定，直流充电机与新能源汽车电池包BMS的通信应使用独立于动力总成控制系统之外的CAN接口，即在新能源汽车上根据功能不同设置了三组CAN总线，互不联通，各自独立，这三组总线可以根据需要定义不同的通讯协议和通讯速率，这三组总线分别是:

CAN1:整车控制器与其它车载设备、传感器、仪表之间通讯（500kbit/s）；

CAN2:BMS控制器与BMS采集模块之间通讯（250kbit/s）；

CAN3:BMS控制器与直流充电机通讯（250kbit/s）；

2.3 CAN节点间的帧类型

在CAN2.0B中规定，有两种不同的帧格式:含有11位标识符的帧为标准帧；含有29位标识符的帧为扩展帧。为了更有效地控制通讯，CAN一共规定了5种类型的帧。这五种类型的帧在新能源电动汽车BMS通信中都有用到，具体如下。

（1）数据帧:将数据发送到CAN总线上，供其它节点接收。

（2）远程帧:又叫做遥控帧，节点发出远程帧，向具有同一标识符的节点请求数据。

（3）错误帧:当任何节点检测到总线错误时都将发出错误帧。

（4）过载帧:用于通知远端节点，该节点尚未做好接收准备。

（5）帧间隔:用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开。

2.4 报文的ID和优先级

在CAN协议中，ID起着重要的作用，它不仅标识着数据的地址，还决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。CAN协议不对挂载在它之上的节点分配优先级和地址，对总线的占有权是由信息的重要性决定的，即对于重要的信息，可给它打包上一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。该优先级ID的分配在数据帧的仲裁段。若两个节点同时竞争CAN总线的占有权，当它们发送报文时，若某一数据帧首先在仲裁段出现隐性电平，则该数据帧会失去对总线的占有权，进入接收状态。另一数据帧则不受影响。

优先级由两个因素决定:

帧类型:新能源汽车上用到的ID有标准帧ID（11位）和扩展帧ID（29位），标准帧的ID优先级比扩展帧ID的优先级要高，当总线上同时传输标准帧和扩展帧时，标准帧优先被发送和接收。同为标准帧或者扩展帧一起发送时，在两个ID的同一位首先出现高电平的ID从发送转为接收或者闲置状态，另外一个数据帧继续发送。

ID值:在CAN协议中，ID值越小优先级越高，根据这个特性可以在通讯协议中依据信息的紧急性由高到低依次赋予报文的ID值。

3 退役动力电池包梯次利用

退役动力电池有多种用途，既可应用到储能电站中，用电低谷期利用市电对储能电站中的电池充电，在用电高峰期，储能电站向市电网络中供电，缓解用电压力，还可以用于36V/48V电动车电源，移动充电宝等，这样可以充分发挥动力电池包的剩余价值。退役动力电池包应用方向如图2所示。其中储能电站是不拆解电池包应用的最经济的一种利用方式。

图2 动力电池的梯次利用方向

3.1 退役动力电池包的梯次利用方向

退役动力电池包的梯次利用就是把新能源电动汽车退役的动力电池包不用拆解而整包重新利用。许多退役的电池包被直接拆解后重组再利用，但是直接拆解后再重组利用需要额外增加人力成本，不是最经济的利用方式。退役动力电池包的梯次利用则是把退役之后的动力电池包经检测后挑选出性能较好的，不拆包直接应用到储能电站中，为风光发电设备配套，组成大容量储能系统。

图3 储能电站系统示意图

3.2 动力电池包梯次利用中的难点

对退役的动力电池的梯次利用有多种方法，其中拆解、筛选、重组是常用的一种方案，但筛选不仅工作量大，而且需要重新配置BMS，技术要求高，给本来具有价格竞争优势的“梯次电池”无形中增加了大量的成本，制约了梯次利用的发展。

电池包的整包不拆解应用，简单方便、重构成本低、但电池包用于汽车上，所采用的是适用于汽车的CAN总线和汽车专用协议，而储能行业与电力行业所采用MODBUS-RTU或IEC-103/104等专用协议，若要不拆解电池包直接用于储能系统，就必须解决通讯不兼容的问题。

表1 读取到的退役动力电池包的数据

表2 电池包通讯报文解劝析示例表

3.4 动力电池包梯次利用的储能实践

退役的新能源动力电池包整包利用，其原BMS通讯协议转换是必须要解决的，首先要分析汽车CAN总线协议。

使用开发板读取到的退役动力电池包的数据信息，如表1所示。

3.5 数据分析

根据读取到的整车CAN的信息，可解析出电池包的SOC，SOH，电池包两端电压，平均温度等数据的值，把这些数据和利用上位机读取到的数据进行对比，发现数据一致，整车CAN信息解析出的结果如表2所示。

4 结论

退役动力电池整包利用，CAN通信网络的转换是关键技术，利用CAN可直接利用原电动汽车的BMS资源。其中CAN通信网络的稳定性至关重要，这关系到整车的安全和报文传输过程中的稳定性、实时性，快速性和准确性。电池包内部通讯协议为CAN协议，为了更好的实现退役动力电池的梯次利用，必须充分了解CAN通信协议。

电动汽车的大力发展肯定会带来更多的废弃动力电池，检测并筛选出可以用于储能项目的电池模组可以减少资源的浪费并且储存的电能可以对电网进行“削峰填谷”，缓解用电压力。储能项目还可以为工厂，医院，学校等场所提供紧急备用电源，以备不时之需，电动汽车的发展必将使储能项目拥有更大的用武之地。