基于J1939協(xié)議的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汝正陽，張向文,2

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004；2.廣西自動(dòng)檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林電子科技大學(xué))，廣西桂林541004)

基于J1939協(xié)議的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汝正陽1，張向文1,2

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004；2.廣西自動(dòng)檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林電子科技大學(xué))，廣西桂林541004)

為了實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)信息與汽車其他控制系統(tǒng)信息的共享，設(shè)計(jì)了基于J1939協(xié)議的電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)為主控制器，利用CAN總線與整車進(jìn)行通訊，CAN通訊協(xié)議基于J1939協(xié)議制定，監(jiān)控模塊利用電容觸摸液晶屏實(shí)現(xiàn)，依據(jù)管理系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了液晶屏界面。通過實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)可以通過CAN總線進(jìn)行電池管理系統(tǒng)的功能選擇，顯示系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與電池信息，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)協(xié)議的合理性和系統(tǒng)的可行性。

J1939;CAN;電池管理系統(tǒng);觸摸屏;電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車環(huán)保節(jié)能、行駛安靜，近年來發(fā)展迅速。純電動(dòng)汽車的電池組通常由多節(jié)電池串并聯(lián)組成。電池管理系統(tǒng)直接關(guān)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(shù)成為了純電動(dòng)汽車技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

電池管理系統(tǒng)和整車之間需要穩(wěn)定的通訊，CAN通訊因?yàn)楦咝阅堋⑼怀龅目煽啃浴⒁子陂_發(fā)、低成本等特性在整車通訊網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用[2]，成為了汽車車身通訊的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)通過基于CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)和J1939協(xié)議的CAN總線與整車進(jìn)行通訊。整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)上掛載電容觸摸液晶屏單元選擇電池管理系統(tǒng)的功能和顯示電池管理系統(tǒng)相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

下面首先給出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架，然后，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CAN收發(fā)電路和電容觸摸屏單元進(jìn)行介紹，接著，闡述J1939協(xié)議在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，設(shè)計(jì)基于本管理系統(tǒng)通訊的應(yīng)用層協(xié)議，最后，進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測試研究，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)如圖1。系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)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(tǒng)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(shè)置管理系統(tǒng)參數(shù)。電池組控制器與觸摸屏控制器，均使用意法半導(dǎo)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(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，CAN總線通訊基于J1939協(xié)議。

1.2CAN收發(fā)設(shè)計(jì)

CAN收發(fā)器用于電池組控制單元和電容觸摸屏單元與整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。本設(shè)計(jì)采用STM32F103VET6作為主控制器和液晶屏單元控制器，STM32內(nèi)部集成有一路CAN驅(qū)動(dòng)器，外部只需添加一個(gè)CAN接口芯片，本文選用高速CAN收發(fā)器TJA1050，在CANH和CANL之間連接一個(gè)120 Ω的電阻用作終端匹配，可以降低傳輸出錯(cuò)的可能，提高CAN總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性,電路見圖2。

圖2　CAN收發(fā)電路

電路在設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意抗干擾方面的設(shè)計(jì)[5]:(1)隔離數(shù)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(wǎng)罩;(3)電路板信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并通過屏幕觸摸實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)功能選擇。電容觸摸屏支持5點(diǎn)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(nèi)部FSMC模式模擬8080端口操作液晶屏顯示端口，液晶屏觸摸內(nèi)部由Gt811驅(qū)動(dòng)芯片控制[6]，使用的是IIC通訊協(xié)議，本設(shè)計(jì)中使用IO口模擬IIC的方式接收液晶屏觸摸信號(hào)。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(qū)動(dòng)。模塊三個(gè)GND端，內(nèi)部連接在一起，只需要接連一個(gè)地模塊就可以使用，圖4中標(biāo)號(hào)GND_EARTH與模塊GND腳連接為電路測試時(shí)使用端口。

圖4　STM32與液晶屏的管腳對(duì)應(yīng)圖

2　J1939協(xié)議與CAN通訊設(shè)計(jì)

CAN有突出的可靠性和靈活性，廣泛地應(yīng)用于汽車以及工業(yè)控制中，CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，制定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層基本通訊標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際使用CAN通訊，波特率設(shè)置為250 kbit/s，需要設(shè)置應(yīng)用層協(xié)議，SAEJ1939協(xié)議是廣泛應(yīng)用于汽車上的CAN總線協(xié)議。J1939協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層需要對(duì)CAN29位的擴(kuò)展幀進(jìn)行重新的分組定義[7]。本設(shè)計(jì)分組定義如表2所示。

表2　CAN擴(kuò)展幀與J1939協(xié)議標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)關(guān)系

在應(yīng)用層協(xié)議中可以定義J1939協(xié)議報(bào)文格式，J1939規(guī)定的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)見表3，其中P為優(yōu)先級(jí)，決定報(bào)文的優(yōu)先級(jí)順序，用三位字節(jié)表示，數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。R是保留位，DP是數(shù)據(jù)頁用來選擇參數(shù)群描述。PF用來選擇不同的PDU格式，PS位為PDU細(xì)節(jié)，若PDU格式(PF)段的值小于240，特定PDU段是目標(biāo)地址。若PF段的值在240和255之間，特定PDU發(fā)送的信息將包含群擴(kuò)展值。SA為原地址，每一個(gè)源地址只能匹配一個(gè)設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)要保證源地址的唯一性。Date Field是數(shù)據(jù)字段，數(shù)據(jù)長度為64位二進(jìn)制數(shù)，8個(gè)字節(jié)長度。數(shù)據(jù)多余8字節(jié)時(shí)，使用多CAN幀實(shí)現(xiàn)[8]。

表3　J1939協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）

J1939協(xié)議在電池管理系統(tǒng)中的具體應(yīng)用方面，J1939協(xié)議規(guī)定了與車輛通訊使用到的具體參數(shù)，對(duì)應(yīng)電池管理系統(tǒng)來說需要傳遞的參數(shù)包括：電池組狀態(tài)(充放電狀態(tài)、總電壓、總電流與SOC),單體電壓最大最小值和串號(hào),各個(gè)單體電壓值,溫度采集點(diǎn)的溫度,故障報(bào)警、系統(tǒng)參數(shù)和功能選擇[9]。各個(gè)功能設(shè)計(jì)ID號(hào)如表4所示。

表4　電池管理系統(tǒng)J1939協(xié)議ID號(hào)

CAN幀0x1801FFF4-0x1804FFF4每200 ms發(fā)送一次，CAN幀0x1801D2F4點(diǎn)按觸摸屏生效后發(fā)送。

3　硬件實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測試

3.1系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖5所示，包括動(dòng)力電池組、電池信息采集和均衡系統(tǒng)、電池組控制器、液晶觸摸屏監(jiān)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(shí)現(xiàn)電池信息采集、電池均衡、并進(jìn)行安全保護(hù)等功能。觸摸屏控制器部分初始化完成后，進(jìn)入系統(tǒng)總體菜單[9]，通過基于J1939協(xié)議的CAN總線，讀取電池的對(duì)應(yīng)信息。

圖5　系統(tǒng)調(diào)試硬件實(shí)物圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，利用觸摸屏進(jìn)行下面功能的測試：在系統(tǒng)總體菜單點(diǎn)按模塊，進(jìn)入模塊功能測試。圖6為系統(tǒng)總體菜單。

圖6　系統(tǒng)總體菜單

(1)單體電池:讀回各個(gè)電池單體的電壓數(shù)據(jù)和溫度采集點(diǎn)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(bào)警:當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)，顯示故障具體情況，記錄故障時(shí)間和以往發(fā)生故障次數(shù)。

(4)系統(tǒng)設(shè)置:對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

各個(gè)子模塊都具有返回按鈕，當(dāng)在子界面中點(diǎn)擊返回按鈕時(shí)，重新回到系統(tǒng)總體菜單。圖7為系統(tǒng)各個(gè)子界面。

圖7　系統(tǒng)各個(gè)子界面

3.2基于J1939協(xié)議CAN測試

將USB-CAN并聯(lián)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(jì)算機(jī)端的USB-CAN Tool工具中，CAN幀如圖8所示。與設(shè)定CAN幀ID號(hào)一致，讀取J1939協(xié)議的內(nèi)容正確，通訊穩(wěn)定可靠。

圖8　J1939協(xié)議CAN幀測試

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于J1939協(xié)議的電池管理系統(tǒng)，包括電池組控制單元和電容觸摸屏單元，兩個(gè)單元之間通過基于J1939協(xié)議的CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了J1939標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元與ID號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)與其他汽車控制系統(tǒng)信息的共享。最后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的具體硬件，并進(jìn)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(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

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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(xué)研究與技術(shù)開發(fā)課題資助(桂科重1348-003-4)；廣西自動(dòng)檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助(YQ14111)

汝正陽(1989—)，男，山東省人，碩士，主要研究方向?yàn)槠囯娮印㈦姵毓芾矸较颉?/p>