基于J1939協議的電池管理系統的設計與實現

汝正陽，張向文,2

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林541004；2.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室(桂林電子科技大學)，廣西桂林541004)

基于J1939協議的電池管理系統的設計與實現

汝正陽1，張向文1,2

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林541004；2.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室(桂林電子科技大學)，廣西桂林541004)

為了實現電池管理系統信息與汽車其他控制系統信息的共享，設計了基于J1939協議的電池管理系統。該系統以STM32F103系列單片機為主控制器，利用CAN總線與整車進行通訊，CAN通訊協議基于J1939協議制定，監控模塊利用電容觸摸液晶屏實現，依據管理系統需求設計了液晶屏界面。通過實驗測試，該系統可以通過CAN總線進行電池管理系統的功能選擇，顯示系統參數設置與電池信息，驗證了設計協議的合理性和系統的可行性。

J1939;CAN;電池管理系統;觸摸屏;電動汽車

純電動汽車環保節能、行駛安靜，近年來發展迅速。純電動汽車的電池組通常由多節電池串并聯組成。電池管理系統直接關系到電池組的安全、使用壽命，以及充放電性能的好壞。因此電池管理技術成為了純電動汽車技術中的關鍵技術[1]。

電池管理系統和整車之間需要穩定的通訊，CAN通訊因為高性能、突出的可靠性、易于開發、低成本等特性在整車通訊網絡中得到廣泛應用[2]，成為了汽車車身通訊的實際標準。

本文設計的電池管理系統通過基于CAN2.0B標準和J1939協議的CAN總線與整車進行通訊。整車CAN通訊網絡上掛載電容觸摸液晶屏單元選擇電池管理系統的功能和顯示電池管理系統相關信息，從而實現整個電池管理系統的設計。

下面首先給出系統的整體設計框架，然后，對設計系統的CAN收發電路和電容觸摸屏單元進行介紹，接著，闡述J1939協議在電池管理系統中的應用方法，設計基于本管理系統通訊的應用層協議，最后，進行系統的軟硬件實現和實驗測試研究，并對測試結果進行分析。

1　系統設計

1.1系統總體設計

圖1　系統設計總體框圖

設計電池管理系統如圖1。系統主要由兩部分構成：(1)電池組控制單元，由電池組控制器接收電池信息，使電池管理系統擁有故障處理、SOC估算、信息采集、電池均衡、熱管理等功能[3-4]；(2)電容觸摸屏單元，由觸摸屏控制器和LCD液晶組成，這部分用來顯示電池信息，設置管理系統參數。電池組控制器與觸摸屏控制器，均使用意法半導公司的STM32F103系列處理器。電池組控制單元與電容觸摸屏單元通過CAN總線進行數據通訊，CAN總線通訊基于J1939協議。

1.2CAN收發設計

CAN收發器用于電池組控制單元和電容觸摸屏單元與整車網絡進行通訊。本設計采用STM32F103VET6作為主控制器和液晶屏單元控制器，STM32內部集成有一路CAN驅動器，外部只需添加一個CAN接口芯片，本文選用高速CAN收發器TJA1050，在CANH和CANL之間連接一個120 Ω的電阻用作終端匹配，可以降低傳輸出錯的可能，提高CAN總線傳輸的穩定性,電路見圖2。

圖2　CAN收發電路

電路在設計時，需要特別注意抗干擾方面的設計[5]:(1)隔離數字地和模擬地;(2)CAN傳輸線路使用雙絞線并在外邊包裹與地相連的金屬網罩;(3)電路板信號線盡量短且直；(4)電路板正反兩層不平行走線。

1.3液晶控制單元

電容觸摸屏單元，選用7寸TFT電容觸摸屏進行數據顯示，并通過屏幕觸摸實現管理系統功能選擇。電容觸摸屏支持5點觸摸，分辨率800×480。電容觸摸屏單元控制器STM32與電容觸摸屏顯示和觸摸接口分別相連。顯示端使用STM32內部FSMC模式模擬8080端口操作液晶屏顯示端口，液晶屏觸摸內部由Gt811驅動芯片控制[6]，使用的是IIC通訊協議，本設計中使用IO口模擬IIC的方式接收液晶屏觸摸信號。電容觸摸屏單元與觸摸屏控制器連線如圖3，電容觸摸屏單元引腳說明見表1。

圖3　電容觸摸屏單元

表1　模塊引腳說明

觸摸屏供電使用5 V電源，使用的IO口電平為3.3 V LVTTL電平，可以使用STM32處理器IO口推挽輸出模式，直接驅動。模塊三個GND端，內部連接在一起，只需要接連一個地模塊就可以使用，圖4中標號GND_EARTH與模塊GND腳連接為電路測試時使用端口。

圖4　STM32與液晶屏的管腳對應圖

2　J1939協議與CAN通訊設計

CAN有突出的可靠性和靈活性，廣泛地應用于汽車以及工業控制中，CAN2.0B標準，制定了物理層和數據鏈路層基本通訊標準。實際使用CAN通訊，波特率設置為250 kbit/s，需要設置應用層協議，SAEJ1939協議是廣泛應用于汽車上的CAN總線協議。J1939協議在數據鏈路層需要對CAN29位的擴展幀進行重新的分組定義[7]。本設計分組定義如表2所示。

表2　CAN擴展幀與J1939協議標識符對應關系

在應用層協議中可以定義J1939協議報文格式，J1939規定的協議數據單元(PDU)見表3，其中P為優先級，決定報文的優先級順序，用三位字節表示，數值越小，優先級越高。R是保留位，DP是數據頁用來選擇參數群描述。PF用來選擇不同的PDU格式，PS位為PDU細節，若PDU格式(PF)段的值小于240，特定PDU段是目標地址。若PF段的值在240和255之間，特定PDU發送的信息將包含群擴展值。SA為原地址，每一個源地址只能匹配一個設備，設計時要保證源地址的唯一性。Date Field是數據字段，數據長度為64位二進制數，8個字節長度。數據多余8字節時，使用多CAN幀實現[8]。

表3　J1939協議數據單元（PDU）

J1939協議在電池管理系統中的具體應用方面，J1939協議規定了與車輛通訊使用到的具體參數，對應電池管理系統來說需要傳遞的參數包括：電池組狀態(充放電狀態、總電壓、總電流與SOC),單體電壓最大最小值和串號,各個單體電壓值,溫度采集點的溫度,故障報警、系統參數和功能選擇[9]。各個功能設計ID號如表4所示。

表4　電池管理系統J1939協議ID號

CAN幀0x1801FFF4-0x1804FFF4每200 ms發送一次，CAN幀0x1801D2F4點按觸摸屏生效后發送。

3　硬件實現與實驗測試

3.1系統硬件實現

設計的系統硬件實物如圖5所示，包括動力電池組、電池信息采集和均衡系統、電池組控制器、液晶觸摸屏監控單元幾部分。主控制器讀取并控制電池信息采集和均衡電路，實現電池信息采集、電池均衡、并進行安全保護等功能。觸摸屏控制器部分初始化完成后，進入系統總體菜單[9]，通過基于J1939協議的CAN總線，讀取電池的對應信息。

圖5　系統調試硬件實物圖

為了驗證系統的功能，利用觸摸屏進行下面功能的測試：在系統總體菜單點按模塊，進入模塊功能測試。圖6為系統總體菜單。

圖6　系統總體菜單

(1)單體電池:讀回各個電池單體的電壓數據和溫度采集點的溫度情況。

(2)總體電池:顯示電池總體電壓，電流，SOC，電池組平均溫度。

(3)故障報警:當有故障出現時，顯示故障具體情況，記錄故障時間和以往發生故障次數。

(4)系統設置:對系統參數進行設置。

各個子模塊都具有返回按鈕，當在子界面中點擊返回按鈕時，重新回到系統總體菜單。圖7為系統各個子界面。

圖7　系統各個子界面

3.2基于J1939協議CAN測試

將USB-CAN并聯到CAN通訊線上，用來讀取電容觸摸屏單元與電池組控制單元之間的通訊CAN幀[10]。讀取回來的CAN幀，顯示在計算機端的USB-CAN Tool工具中，CAN幀如圖8所示。與設定CAN幀ID號一致，讀取J1939協議的內容正確，通訊穩定可靠。

圖8　J1939協議CAN幀測試

4　結語

本文設計了一種基于J1939協議的電池管理系統，包括電池組控制單元和電容觸摸屏單元，兩個單元之間通過基于J1939協議的CAN總線傳輸數據，設計了J1939標準的協議數據單元與ID號，實現了電池管理系統與其他汽車控制系統信息的共享。最后設計了系統的具體硬件，并進行液晶屏顯示與觸摸，CAN總線通訊，讀取電池信息，記錄故障信息等功能測試，驗證了設計系統的可行性和實用性。

[1]周俊趙,張向文.動力電池狀態參數監測系統的設計與實現[J].電測與儀表,2014(16):112-116.

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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

廣西科學研究與技術開發課題資助(桂科重1348-003-4)；廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室基金資助(YQ14111)

汝正陽(1989—)，男，山東省人，碩士，主要研究方向為汽車電子、電池管理方向。