电动汽车充电技术：非车载充电机监控与电池管理系统通信

1.遵循的原则

非车载充电机主要为地面充电机，其主要功能是对电动汽车电池包进行快速充电。在非车载充电机对电池包的充电过程中，充电机监控系统需要和电动汽车BMS进行通信，以确保充电时的效率和安全性。电动汽车非车载充电机监控单元与电池管理系统（BMS）的通信协议遵循的原则主要有以下几点：

①为了与道路车辆控制系统的网络兼容，在充电机监控单元与电动汽车BMS之间的通信系统中，采用CAN通信协议。

②通信协议的物理层和数据链路层应符合ISO 11898《道路车辆控制局域网CAN》、SAE J1939《商用车控制系统局域网CAN通信协议》的规定。数据帧格式应遵循1991年9月发布的“CAN总线2.0B版本”的规定。

③在充电过程中，充电机监控单元与车载BMS协同工作，检测电池的电压、电流和温度等参数。BMS通过充电控制算法决策出最佳充电过程的控制方案。

2.网络拓扑架构

充电机监控单元与电动汽车BMS之间的通信网络由CAN总线构成，其网络拓扑结构图如图7-7所示。

图7-7 充电机与BMS之间的网络拓扑结构

3.物理层

电动汽车充电机通信协议采用的通信物理层应符合国际标准ISO11898、SAE J1939-11《商用车控制系统局域网CAN通信协议—物理层》的规定。BMS与充电机的通信使用独立于动力总成之外的CAN接口，位时间推荐采用4μs，对应的位速率为250kbit/s。

4.数据链路层

数据链路层处于物理层和网络层之间。其功能是在物理层的基础上向网络层提供服务。充电机监控单元与BMS之间的数据帧格式应符合“CAN总线2.0B版本”的规定。

（1）帧格式

充电机监控单元与BMS之间通信协议的帧格式必须使用CAN扩展帧的29bit标识符。每个位分配的相应定义应符合SAE J1939-21《商用车控制系统局域网CAN通信协议—数据链路层》的规定。

（2）协议数据单元（PDU）

每个CAN数据帧包含一个单一的协议数据单元（Protocal Data Unit，PDU），见表7-1。协议数据单元由7部分组成，分别是优先级、保留位、数据页、PDU格式、特定PDU格式、源地址和数据域。

表7-1 协议数据单元（PDU）

注：1.P为优先级，0级为最高，7级为最低；充电应答信息、充电状态信息、充电阶段报警信息优先级设为5，其他信息缺省优先级设为6。

2.R为保留位，后续开发备用，设为0。

3.DP为数据页，用来选择参数组描述的辅助页，设为0。

4.PF为PDU格式，用来确定PDU的格式以及数据域对应的参数组编号。

5.PS为特定PDU格式，PS值取决于PDU格式，采用PDU1格式时，PS值为目标地址。(www.xing528.com)

6.SA为源地址。

7.DATA为数据域，若给定参数组数据长度小于或等于8B（字节），可使用数据域全部的8B；若给定参数组数据长度为9～1785B时，数据传输需多个CAN数据帧，通过传输协议功能的连接管理能力来建立和关闭多包参数组的通信。

（3）协议数据单元格式

SAE J1939-21定义了两种PDU格式：PDU1格式和PDU2格式。PDU1格式实现CAN数据帧定向到特定目标地址的传输；PDU2格式仅用于不指向特定目标地址的传输。为了充电机与BMS之间的点对点方式通信的安全性考虑，可选用PDU1格式。

（4）参数组编号（PGN）

参数组编号（PGN）是一个24bit的值，用来识别CAN数据帧的数据域属于哪个参数组，包括保留位、数据页位、PDU格式域（8bit）和组扩展域（8bit）。

若PF值小于240，则PGN的低字节置0；否则，将其值设为组扩展域的值。PDU采用PDU1格式时，PGN的第二个字节即为PDU格式（PF）值，高字节和低字节均为00H。

（5）传输协议功能

传输协议为传送数据在9B或以上的PGN提供的一种机制。传输协议功能可分为消息的拆装和重组以及连接管理。在使用多包数据传输机制的数据为BMS向充电机监控单元发送的各电池单元数据时，具体连接初始化、数据传输、连接关闭遵循SAE J1939-21的规定。

（6）网址的分配

网络地址的功能是保证消息标识符的唯一性以及表明消息的来源。充电机与BMS的地址固定在ECU的程序代码中，是不可配置地址，包括服务手段在内的任何手段都不能改变其源地址。充电机的首选分配地址是229（E5H），而BMS的首选的分配地址为244（F4H）。

（7）消息类型

“CAN总线2.0B版本”支持五种类型的消息，分别为命令、请求、广播/响应、确认和组功能。

在电动汽车充电机监控单元与BMS的通信协议中，最常使用的有两种，即请求和确认。具体定义遵循SAEJ1939-21的规定。

5.应用层

①应用层是充电机监控单元与BMS之间数据通信的核心。电动汽车充电机监控单元的通信协议应用层的定义主要遵循SAEJ939—71《商用车控制系统局域网CAN通信协议-应用层》，采用参数和参数组定义的形式。

②采用PGN（Parameter Group Number）对参数组进行编号，各个节点根据PGN来识别数据包内容。

③使用“请求PGN”来主动获取其他节点的参数组。

④采用周期发送和事件驱动的方式来发送数据。

⑤如果需发送多个PGN数据来实现一个功能，需同时收到该定义的多个PGN报文才判断此功能发送成功。

⑥定义新的参数组时，若有一些参数彼此功能相近，或是有相同或相近的刷新频率，或它们属于同一个子系统，则应将这类参数放在同一个参数组中；同时，新的参数组既要尽量把相关的参数放在同一个组内以充分利用8B的数据宽度，又要尽量预留出一部分字节或位，以便将来扩展时使用。

⑦在修改已定义的参数组时，已经定义的字节或位的定义不应进行修改，新增加的参数要与参数组中原有的参数相关，不应为节省PGN的数量而将不相关的参数加入到已定义的PGN中；对于功能相近的ECU，应充分利用已定义参数，利用原来已定义的PGN中的未定义部分来增加识别位判断出ECU的功能。