BMS电池管理系统技术探析--协议篇.pdf

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200436BMS电池管理系统技术探析电池管理系统技术探析协议篇协议篇一、引子一、引子09年妙益电子开始介入新能源汽车领域，初期角色就是为新能源车辆做车身控制、配总线仪表。

新能源车辆的车身控制与传统车辆的车身控制大同小异，但仪表显示内容有了较大的变化。

新能源车辆的总线仪表除要显示传统的车辆信息外，多了BMS电池管理信息和以电机驱动为主的车辆控制器（VCU）信息。

总线仪表显示的信息都是通过总线来的，因而接触了各种各样的CAN通信协议，我们一直尝试在同一个仪表平台上能融合众家协议，虽然做到了，但也只能满足已知的、打过交道的BMS厂家的需求。

因为各家协议都不相同，付出的努力可想而知。

所以一直期待着有关部门能整合相关协议，出一个行业标准，把协议统一起来，这样新能源车辆内各子系统间交换信息就简单了。

要做到这一点，应当不难，大家都来尽份力，为推动新能源汽车的健康发展、为振兴中国汽车电子发展作点实事。

今天妙益先在这里先抛砖引玉，探讨协议的规则。

欢迎业内同仁各抒己见，早日达成统一协议的目标。

二、二、J1939基础基础上面说了，各家的协议虽然不同，但都不约而同地宣称是J1939协议。

显然，选择J1939为大家普遍接受，所以我们在这里也是旗帜鲜明地支持以J1939相关规范来构建的通信协议。

但是，根据我们近年应用J1939的经验看，这些协议和J1939大多是形似而神不似。

所以，这里花一点篇幅介绍J1939基础。

说到，介绍它的资料有几箩筐，我这里就不去详细介绍它了，挑重点说吧。

我们知道，J1939仅仅是一种网络通信协议而已，是应用于汽车上的、各电器间相互通信的一种串行通信协议，其制定者是（美国汽车工程师协会）。

既然是网络通信协议，都脱不了网络通信协议的主要架构特征，也就是网络通信协议的层模型物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

对于大多数非通信专业的应用人士而言，关注的重点是物理层、数据链路层、应用层。

这三层实际上决定了对产品设计者三方面的基本约束硬件特征、数据打包、实际数据的定义及传输。

物理层物理层物理层主要规定了通信网络的拓扑结构、信号传输介质、信号特征等硬件方面的内容。

J1939网络拓扑类似于我们常见的办公室以太网结构。

J1939的通信介质就是电线，由于采用差分传输，所以是根线，分别称作CAN_H和CAN_L，可以是普通的双绞线，也可以是带屏蔽的双绞线为了获得更好的电磁兼容特性，在CAN_H和CAN_L的端点各有一120欧的终端电阻。

J1939的信号主要特征是：

当有数据传输时，CAN_H和CAN_L的压差在2左右。

无传输时，CAN_H和CAN_L的压差为。

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200436考虑到电机运行产生的干扰还是蛮大的，物理层最好选带带屏蔽的双绞线，其他关注的就是端电阻的位置（可以位于某些核心模块内，不带终端电阻的模块在J1939里称作I型ECU，带终端电阻的模块在J1939里称作II型ECU）、屏蔽地接法、节点数量限制。

图2-1仅由I型模块构建的J1939网络图2-2仅由2块II型模块和若干I型模块构建的J1939网络数据链路层数据链路层数据链路层主要规定了数据的波特率、帧格式、校验方式等。

虽然J1939规定了波特率为，但仍然有人强调他们用的是J1939高速，言下之意J1939还有其他速率，这是一种误导。

我们知道，串行数据通信总是按帧为单位进行的。

数据帧一般由帧标识（）、数据（）、校验（）三部分组成。

其中，帧标识是帧的核心，它决定了后面跟着的帧数据实际意义。

J1939是建立在CAB2.0B基础之上，其帧格式符合CAB2.0B标准，所以介绍J1939的帧格式总和介绍CAB2.0B的帧格式捆在一起，因而成就了J1939协议帧的经典介绍-图2-3。

图2-3J1939帧头组成BMS电池管理系统技术探析协议篇-上海妙益电子科技发展有限公司上海市闸北区江场三路56号2楼电话：

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200436帧标识由比特也就是字节组成，优先级（PRIORITY）位；保留（）位；页面（）位；协议数据单元（）位个字节；源地址（）位。

另外有3部分内容固定的数据段：

分别是起始（）位、代理远程请求（SRR）1位和扩展帧标志（IDE）1位。

除外其他都好理解，而J1939的帧格式核心就在上。

说白了，就是决定了后面数据组成及代表的实际意义。

由（协议数据格式）和（协议数据细则）部分组成。

当小于时，代表目标地址（），这部分帧种类只有种，称这部分协议帧单元为，属于稀有资源，所以一般留给重要点对点通信的数据，只定义了其中极少部分，大部分留着将来用（可是我们很多协议，随意的挥霍这部分资源，大量的消耗掉这方面的定义）。

当大于或等于时，连同一道定义了帧的类别，称这部分协议帧单元为，这部分的组合有种，将大部分的帧类别定义在这个区间。

我们认为，我们也应把数据定义在这段范围内。

应用层应用层应用层规定了实际的数据定义以及在网络中如何传输这些数据。

理解J1939中的个名词是关键，他们是和。

中文叫做“成组报文编码”。

我们知道，数据是以帧为单位发出去的，规定了每帧所包含的数据组合，并赋予这个组合一个数字编码，这就是。

规定包含了中的保留位（）、页码（）及。

在和之间显然存在一种特定的对应关系，很容易用软件的方法实现者之间的相互转换。

中文称作“可疑参数编码”。

J1939里将每种数据都赋予一个编码，就是这里所说的“可疑参数编码”。

给数据编上号，在诊断里非常有用，当你需要一个数据时可以发一个“请求报文”包，包里就含有该数据的编码，相关的模块就会发出该数据。

另外模块发“诊断故障码（）”时，也是靠吗来表明数据身份的。

为什么J1939中的参数要称作“可疑参数（SuspectParameter）”呢？

这是因为J1939参数定义来源于早期的诊断系统的数据定义。

诊断系统中，在没确定那个参数出问题前，参数都冠以“可疑”一词。

跟司法系统的“嫌疑犯”一个意思。

现在，J1939数据根本不局限于诊断之用，所以可疑一词称呼已经不适当，但习惯称呼仍被沿用下来。

应用层规范还要对数据进行定义，J1939中参数的定义非常合理、全面。

参数一般分为3类：

模拟量、离散量、控制命令或状态。

模拟量包含5种状态，用数据的最高字节来表示：

有效（Valid，00XFA）、特殊标识（Specific,0XFB）、预留标识（Reserved,0XFC0XFD）、错误标识（Error,0XFE）、未知（NA,0XFF）。

离散量有“断（）”、“通（）”种有效状态，还有“错误（）”、“未知（）”，对应的二进制值分别是、。

控制命令或状态跟离散量类似，只不过11代表“不必响应（NotRequest）”或者说“无须理会（Ignoreit）”而非“状态未知（NotAvailable）”。

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200436图2-4J1939对传输信号范围的规定图2-5J1939对传输离散参数范围的规定图2-6J1939对传输命令的规定上电时，大多数据应当初始化成“未知状态”比较合适，表明是一种“不确定的”、“初始”状态，初始化成其他状态都有可能与实际状态不一致。

从上电接受到的初始数可知，在现有的协议中，几乎没有一家企业完全遵守这种数据定义规范。

在J1939中规定数据的发送是低位在前，高位在后，在我们的对接协议中竟然有相反的规定。

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200436参数定义还应当包括单位、偏移。

在J1939中已经定义的参数，在满足使用的前提下，我们鼓励使用现有定义，否则容易引起混淆。

比如现有J1939中转速、车速、温度都有现成定义，应当能满足新能源车方面的需求，没必要再引入新的定义。

车速目前单位是1/256kph，双字节，范围是0250kph，够用了，但还是有五花八门车速定义，主要在单位的差异上，有定义成1kpm的，有定义成0.5kph的。

再如温度，J1939里已经有2种定义。

高精度的温度定义单位是1/32，双字节，偏移是-273，范围是-2731737。

低精度的温度定义单位是1，单字节，偏移是-40，范围是-40210。

低精度温度定义在BMS里也足够用了。

总结总结是应用车辆的电器间串行通信的一个网络规范。

通信介质是一对带屏蔽或不带屏蔽的双绞线。

J1939的通信速率为。

任何串行通信，数据都是分帧传送的。

帧由帧标识、数据及校验组成。

J1939里数据也是分包传送，每个包赋予一个分组编号（），帧标识和有着特定的一一对应关系。

这就是有人以来区分报文，另外一些人以区分报文的由来。

数据长度固定为字节，当数据长度长于字节时可以分多帧传输。

J1939通信采用校验方式。

BMS数据定义尽量采用J1939已有数据定义，数据定义要包含单位、长度、偏移、有效范围、错误标识、未知状态等。

三、三、BMSBMS电池管理系统电池管理系统协议协议制定思路制定思路11BMSBMS电池管理系统电池管理系统功能功能这里仅是简单叙述一下BMS的功能，详细的功能探讨将放在我们的另一篇文章-“BMSBMS电池管理系统技术探析电池管理系统技术探析功能篇功能篇”里。

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200436图3-1电池管理系统功能示意图图3-1是电池管理系统的大致功能，有些功能属于基本功能，作为BMS来说是必不可少的，像电压测量、温度测量、SOC计算、报警、能量均衡、热管理、数据显示都应当是基本功能。

有些属于BMS的延伸功能，可有可无，但对提升新能源车俩整体性能，如数据记录对界定质量事故很有用。

有些功能与车辆其他子系统界限有点模糊，到底该属于谁还没统一定论，比如过充、过放保护到底该属于BMS电池管理系统还是属于VCU车俩控制系统。

放到前者更有利于保护电池，放到后者更有利于车辆行驶安全，如果大家各自都有一套保护，一是浪费，二是降低可靠性-东西越多，问题越多嘛。

在“BMSBMS电电池管理系统技术探析池管理系统技术探析功能篇”功能篇”中，我们再去探讨哪样的功能组合更合理。

22BMSBMS电池管理系统电池管理系统组成组成如图3-2所示，BMS系统由三大部分组成:

终端模块、中央处理模块、显示模块。

当系统电池总数少于24个时，中控模块可以和某一终端模块合并成集成模块以节省成本。

单个电池能量有限，所以大多是N多个电池串联在一起使用，我们称串在一起的电池为电池串。

由于受空间限制，也为了便于管理，一般来说，电池又是分组放置的，这种分组既可能是逻辑上的（由某个终端模块管理），也可能是物理上的（位于某个箱子里）。

因而BMS终端模块负责管理一组单体电池，采集电压、采集温度、计算单体SOC、能量均衡、热管理。

BMS中控模块负责总电压测量、总电流测量总SOC计算、数据统计及分级报警。

显示模块负责将的信息展示出来，并在在异常情况下以声光为手段发出警示来提醒操作者。

图图3-2妙益电池管理系统组成示意图妙益电池管理系统组成示意图BMS电池管理系统技术探析协议篇-上海妙益电子科技发展有限公司上海市闸北区江场三路56号2楼电话：

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2004363.3.数据定义数据定义定义数据时把握好以下个原则：

）在满足使用要求的前提下，尽量采用J1939已有的数据定义，这里所说的使用要求就是精度、范围。

）定义新的数据和现有J1939定义做到形似神也似，这样尽量保证理解的一致性。

表3-1是对BMS涉及的数据的汇总，有些数据在J1939已有定义。

下面对一些有歧义的数据做个说明。

一般厂家把单体电压和电池所在箱号合在2个字节里，妙益初期产品为了和市场上BMS兼容，也采用了这种办法，优点是看数据就知道是哪箱电池。

缺点是，如果象有些厂家留4位给箱号，当箱数超过15时就解决不了了。

留5位的话，又减小了电压位数，降低了单体电压的精度。

所以妙益觉得还是分开好，箱号可以通过增加BMS配置信息来解决。

过充恢复电压的确定：

当发生过充而切断充电电源后，电池电压会迅速回落，而逐步趋于稳定，过充恢复电压应当设定在该稳定值之下一点，仅当电池电压降到回复电压之下后才允许合上充电电源，否则就会发生频繁跳动充电开关的现象，造成开关的烧蚀。

过放恢复电压的确定：

当发生过放而切断放电回路后，电池电压会迅速回升，而逐步趋于稳定，过放恢复电压应当设定在该稳定值之上一点，仅当电池电压升到恢复电压之上后才允许合上放电开关，否则就会发生频繁跳动放电开关的现象，造成开关的烧蚀。

温差数据的引入：

这里温差是指同一箱里温度差别。

不同电池箱的温差没有考虑，是由于安装位置和通风条件不一样，温差可能比较大。

但同一箱内温度差别不应太大，如果温差大可能有潜在隐患。

表3-1数据定义名称Name代号Code数据长度Length单位（分辨率）Scaling（Resolution）限值（范围）Limits（Range）偏移量OffsetSizeJ1939定义（以下为实时数据）单体电压CVolt2字节0.001V/位064.255V0V单体温度CTemp1字节1/位-40210-40Temp均衡电流BalCur1字节0.1A/位-12.8+12.7A-12.8A总电压*Voltage2字节0.05V/位03212.75V0VVoltage总电流*Current2字节0.05A/位-1600+1612.75A-1600ACurrent充电状态SOC1字节0.4%/位0100%0Percent剩余电能Energy2字节0.01kwh/位0642.55kwh0kwh单体电池容量Capacity2字节1AH/位064255AH0AHBMS电池管理系统技术探析协议篇-上海妙益电子科技发展有限公司上海市闸北区江场三路56号2楼电话：

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200436正极绝缘电阻Rp2字节1k/位064255k0k负极绝缘电阻Rn2字节1k/位064255k0k车速*VehSpd2字节1/256kph/位0250kph0kphVelocity转速*RevSpd2字节1/8rpm/位08031.875rpm0rpmVelocity（以下为设置参数）均衡允许压差BalDif1字节0.01V/位02.50V0V均衡允许电压BalVolt2字节0.001V/位064.255V0V均衡允许电流BalMaxI1字节0.1A/位025A0A单体电压下限1VoltLow12字节0.01V/位0642.55V0VVoltage单体电压下限2VoltLow22字节0.01V/位0642.55V0VVoltage单体电压上限1VoltHigh12字节0.01V/位0642.55V0VVoltage单体电压上限2VoltHigh22字节0.01V/位0642.55V0VVoltageSOC下限1SOCLow11字节0.4%/位0100%0PercentSOC下限2SOCLow21字节0.4%/位0100%0Percent不平衡压差ImbalDif11字节0.01V/位02.50V0V不平衡压差2ImbalDif21字节0.01V/位02.50V0V温度上限TempHigh11字节1/位-40210-40Temp温度上限2TempHigh21字节1/位-40210-40Temp温度下限1TempLow11字节1/位-40210-40Temp温度下限2TempLow21字节1/位-40210-40Temp温差上限TempDif11字节1/位-40210-40Temp温差上限TempDif21字节1/位-40210-40Temp温度上限2TempHigh21字节1/位-40210-40Temp启动风扇温度FanTemp1字节1/位-40210-40Temp启动加热温度HeatTemp1字节1/位-40210-40Temp放电电流上限DisChCur12字节0.05A/位-1600+1612.75A-1600ACurrent放电电流上限DisChCur22字节0.05A/位-1600+1612.75A-1600ACurrent充电电流上限ChargeCur12字节0.05A/位-1600+1612.75A-1600ACurrent充电电流上限2ChargeCur22字节0.05A/位-1600+1612.75A-1600ACurrent绝缘电阻下限InsulRLow12字节1k/位064255k0k绝缘电阻下限InSulRLow22字节1k/位064255k0k过充恢复电压ChResVolt2字节0.01V/位0642.55V0VVoltage过放恢复电压DisChResVolt2字节0.01V/位0642.55V0VVoltage4.报文分组报文分组定义定义数据定义完了，下一步就是如何打包发送出去。

前面讲了J1939也是分包传输数据的，每个数据包以标识，和传统意义上的帧标识有特殊对应关系。

这就是有人以来区分报文，另外一些人以区分报文的由来。

但在J1939的文献里都是以来标识报文的，我们这里也沿用这一习惯。

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200436是由保留位（）、页码（）及组成，而目前定义的中保留位（）、页码（）都是，所以现今。

由和组成，时，代表（目标地址），这部分说了是稀缺资源，都省着花啊，所以我们也尽量不去动，留着将来有非常重要的数据用。

时，和一道组合成。

这部分资源虽多，也是有限的，也要省着点花。

终端模块负责单体电池数据电压采集、温度采集及能量均衡，所以终端模块发出3类数据：

单体电压、单体温度及均衡电流。

我们把单体电压归到一个报文组里，但是单体电压很多啊，一个报文是装不下来的，因而需要多帧传输。

这在J1939的诊断报文中就是这么处理的。

我们把数据场里首个字节作为帧序列号用，记为，接下来个字节个字分别代表单体电压。

时，个电压分别为电池的电压。

时，个电压分别为电池的电压。

时，个电压分别为电池的电压。

同理，把单体温度、单体均衡电流各自归到一个里。

中控负责数据统计、分级报警、SOC计算等，产生的实时数据不多，因而把所有中控模块的实时数据归结到一个里。

另外BMS的诸如电池个数、温度配置、箱数以及各箱的电池数等配置信息放在一个PGN里。

配置信息受召唤时发送，主要供仪表显示时指示数据排列方式用。

另外把与充电机的通信数据归于一个帧内，最后把所有参数设置归结到一个里。

仅消耗了7个就解决了所有数据。

减少，一方面节省了资源，另一方面便于里面普遍采用的报文过滤技术的使用。

当需要处理某一类报文时，可以将其特征字段设置到屏蔽过滤组合寄存器中，大大提高的处理效率。

表3-2只定义了4个常用的实时数据帧、1个BMS配置帧和1个充电帧，没有给出参数设置帧的详细定义。

BMS的差异性往往还体现在参数的种类、多少及设置方法，这部分没必要强行统一，所以留给BMS厂家自行定义。

表3-2报文分组定义PGNPFPS12345678备注65431FF97=0,1,2.单体电压i+1单体电压i+2单体电压i+3保留i=nX365432FF98=0,1,2温度i+1温度i+2温度i+3温度i+4温度i+5温度i+6保留i=nX665433FF99=0,1,2.均电i+1均电i+2均电i+3均电i+4均电i+5均电i+6保留i=nX665434FF9A0总电流总电压SOCST1保留65434FF9A1最高单体电压箱号箱内位置剩余电量保留65434FF9A2最低单体电压箱号箱内位置满充电量保留65434FF9A3最高温度箱号位置最高温差箱号ST2保留65434FF9A4ST3ST4正极对地电阻负极对地电阻保留65435FF9B0均衡控制均衡电流单体均衡门槛电压均衡压差未定义保留65435FF9B1厂家代码总串数温度配置总箱数保留65435FF9B2箱1箱2箱3箱4箱5箱6保留电池数BMS电池管理系统技术探析协议篇-上海妙益电子科技发展有限公司上海市闸北区江场三路56号2楼电话：

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20043665435FF9B3箱7箱8箱9箱10箱11箱12保留电池数65435FF9B4箱13箱14箱15箱16箱17箱18保留电池数65435FF9B保留电池数65436FF9C0控制命令充电状态最高充电电压请求充电电流保留BMS65436FF9C128控制命令充电状态当前充电电压当前充电电流保留充电机5分组分组报文详解报文详解

（1）BMS终端模块终端模块报文报文FrameOfTerminalModuleA.单体电池电压单体电池电压VoltageofIndividualBatteryPGN65431（PF=0XFF，PS=0X97，ID=18FF97SA，SA为源地址SAisSourceAddress）发送周期RepetitionofSending：

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