CN115065573A - 基于can总线分时复用的电池管理系统通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，包括如下步骤：(1)对从控制器采集的各类单体数据进行优先级定义，以及输入各类单体数据权重；(2)将所有从控制器依次请求一次最低优先级的单体数据的时间确定为周期T；(3)计算从控制器将每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数，以及计算每类单体数据的上传时间；(4)确定该周期T内的请求次数；(5)设定命令请求间隔；(6)计算周期T，在周期T内平均分配各类单体数据的请求时序；(7)主控制器根据请求时序轮询下发数据请求命令，从控制器收到命令后上传相应的单体数据到主控制器。本发明通过合理设计请求时序实现CAN总线的分时复用，从而降低了对MCU选型的要求。

Description

基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，主要应用于储能电池管理系统。
背景技术
电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，简称为BMS)是管理电池安全稳定合理运行的软硬件系统，如电动汽车、储能电站等应用环境中管理大量电池，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电管理与预充控制；均衡管理和热管理等。
BMS(电池管理系统)通常是1个主控制器+n个从控制器架构，随着从控制器数量的增多，主控制器需要从从控制器获取的数据量也增大，主从通过CAN总线交互数据的总线负载率也随着增大。虽然CAN总线支持多主机发送方式，具有总线优先仲裁机制，所以设备在往CAN总线发送数据时可以不用关心CAN总线上是否有其它设备在发送数据，由CAN控制器自行仲裁，大大简化了程序设计。
但是在BMS系统主控制器的MCU中，由于处理速度和RAM的限制，如果底层所有从控制器没有时序控制在同一时刻一起上传所有的数据，可能会导致主控制器的接收缓存被填满而发生数据丢失现象，而目前使用的通用CAN总线是不具备时序控制功能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述电池管理系统通信方法的缺陷，提供一种通过合理的时序以降低对MCU处理速度和RAM的要求，对CAN总线分时复用的通信方法。
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
一种基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，所述的电池管理系统包括一个主控制器和若干个从控制器，从控制器通过CAN总线与主控制器通信，包括如下步骤：
(1)根据实时性的要求高低，对从控制器采集的各类单体数据进行优先级定义，以及输入各类单体数据权重；
(2)将所有从控制器依次请求一次最低优先级的单体数据的时间确定为一个周期T；
(3)计算从控制器将每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数，以及计算每类单体数据的上传时间；
(4)根据各类数据权重的比值确定该周期T内的请求次数；
(5)设定命令请求间隔，该命令请求间隔应大于每类单体数据的上传时间；
(6)根据请求次数、命令请求间隔以及每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数计算周期T，在周期T内平均分配各类单体数据的请求时序；
(7)主控制器根据请求时序轮询下发数据请求命令，从控制器收到命令后上传相应的单体数据到主控制器，从控制器根据各类单体数据的变化阈值自动确定是否响应数据请求，如果不响应请求则上传最高优先级单体数据。
优选地，步骤(1)中，所述的各类单体数据包括单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH，各类单体数据的优先级由高到低依次是：单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH。
本发明的SOC全称是State of Charge，即电池的荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。
本发明的SOH全称是State of Health，即电池的健康状态，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的完全充电状态的容量与其额定容量的比值，常用百分数表示。
优选地，其特征在于：步骤(1)中，单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH的权重比为10：4：3：2：1。
优选地，步骤(3)中，采用每一个从控制器采集单体电池数量除以相应数据每一帧CAN报文最多上传个数，向上取整获得相应数据的CAN报文帧数。
优选地，步骤(3)中，每一帧CAN报文最多可以上传3节单体电压，或3节单体内阻，或6节单体温度，或6节单体SOC，或6节单体SOH。
优选地，步骤(4)中，在周期T内请求10次单体电压，4次单体SOC、3次单体温度、2次单体内阻和1次单体SOH。
优选地，步骤(5)中，每条请求命令下发的时间间隔设置为20ms。
优选地，步骤(1)中，所述的各类单体数据包括单体电压、单体温度、单体内阻，各类单体数据的优先级由高到低依次是：单体电压、单体温度和单体内阻。
优选地，其特征在于：步骤(1)中，单体电压、单体温度和单体内阻的权重比为10：3：2。
本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：通过合理设计请求时序实现CAN总线的分时复用，避免了CAN总线在某一时刻负载率过高，另一方面也分散了主控制器在某一时刻内的解析数据压力和减轻了接收缓存的负荷。从而降低了对MCU选型的要求。
附图说明
图1是本发明电池管理系统的电路原理图；
图2是实施例1中主控制器的请求时序表；
图3是实施例2中主控制器的请求时序表。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，参照图1，所述的电池管理系统包括一个主控制器和若干个从控制器制器，从控制器制器通过CAN总线与主控制器通信。
在一个1主控制器、10从控制器的电池管理系统中，每个从控制器管理n(n为2～100)节电池，负责采集n节单体电压、单体温度、单体内阻、单体SOC和单体SOH；通过设计合理的请求时序实现CAN总线的分时复用，从而实现高效的主从通信。具体的通信方法包括：
(1)根据实时性的要求高低，对从控制器制器采集的各类单体数据进行优先级定义，以及输入各类单体数据权重：SOH在电池使用过程中变化最慢，故设置其优先级最低；电池内阻是电池内部自身的特性，电池长期使用后产生变化，其实时性次低；电池电压的变化可能每一秒就会发生很大的变化，所以需要实时性最高；而SOC是随电压以及电流等变化而变化，变化相对缓慢，其优先级低于电池电压高于电池内阻；温度数据是电池所处环境的环境温度，变化相对缓慢，相对与SOC是一个更缓慢的变化量，故设置其优先级低于SOC但高于电池内阻。
单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH的权重比为10：4：3：2：1。
(2)将所有从控制器依次请求一次最低优先级的单体数据的时间确定为一个周期T；由于电池内阻优先级最低，故设置所有从控制器依次请求一次电池内阻的时间确定为一个周期T。
(3)计算从控制器将每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数，以及计算每类单体数据的上传时间；
根据一帧CAN报文可传输的数据大小以及各单体数据的数据大小，以单体电压2个字节、单体内阻2个字节、单体温度1个字节、单体SOC1个字节，计算得到每一帧CAN报文最多可以上传3节单体电压，或3节单体内阻，或6节单体温度，或6节单体SOC，或6节单体SOH。
本实施例中设定每个从控制器管理16节电池(即n＝16)，一个从控制器上传单体电压需6帧报文(16节/3节＝5.33，向上取整为6)，上传单体SOC/SOH分别需3帧报文(16节/6节＝2.66，向上取整为3)，上传单体温度需3帧报文(16节/6节＝2.66，向上取整为3)，上传单体内阻需6帧报文(16节/3节＝5.33，向上取整为6)。
同时，CAN总线通信速率设置为250Kbps，CAN报文使用扩展帧。每帧报文上传的理论时间为512us。6帧报文的理论上传时间为512us＊6＝3072us；3帧报文的上传时间为512us＊3＝1536us；
(4)根据各类数据权重的比值确定该周期T内的请求次数；
考虑到各单体数据的实时性要求，在周期T内设定请求10次单体电压，4次单体SOC、3次单体温度、2次单体内阻、1次单体SOH。在满足需求的前提下，选择次数为10、4、3、2、1是为了请求命令能够在一个周期T内尽量分布均匀。
(5)设定命令请求间隔，该命令请求间隔应大于每类单体数据的上传时间；
同时考虑到CAN总线的负载率不能过高，以免出错，每条请求命令下发的时间间隔设置为20ms。
(6)根据请求次数、命令请求间隔以及每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数计算周期T，在周期T内平均分配各类单体数据的请求时序；
图2是本实施例中主控制器的请求时序表。表中的数字代表从控制器模块的单体数据编号，主控制器按照时序表中先从左往右、再从上往下的顺序下发数据请求命令。
(7)主控制器根据请求时序轮询下发数据请求命令，从控制器收到命令后上传相应的单体数据到主控制器，从控制器根据各类单体数据的变化阈值自动确定是否响应数据请求，如果不响应请求则上传最高优先级单体数据。
本实施例中，在一个周期T内的从控制器上传的报文数为：
(10次单体电压＊6帧上传报文+4次单体SOC＊3帧上传报文+3次单体温度＊3帧上传报文+2次单体内阻＊6帧上传报文+1次单体SOC＊3帧上传报文)＊10个从控＝960帧；
主控制器下发的请求命令数为：(6次单体电压＊1帧请求报文+3次单体SOC＊1帧请求报文+2次单体温度＊1帧请求报文+1次单体内阻＊1帧请求报文)＊10个从控＝120帧；
主控制器下发的请求命令数为：(10次单体电压＊1帧请求报文+4次单体SOC＊1帧请求报文+3次单体温度＊1帧请求报文+2次单体内阻＊1帧请求报文+1次单体SOH＊1帧请求报文)＊10个从控＝200帧；
周期T＝200＊20＝4000ms；所以周期T内的总报文数为1160帧。总时间为1160＊0.512＝593.92ms；CAN总线的负载率为593.92/4000＝14.8％；符合设计要求。
实施例2
如图1所示，本实施例涉及一种基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，参照图1，所述的电池管理系统包括一个主控制器和若干个从控制器制器，从控制器制器通过CAN总线与主控制器通信。
在一个1主控制器、8从控制器的电池管理系统(本系统中SOC直接由主控制器计算，所有从控制器不再上传单体SOC数据)中，每个从控制器管理n(n为2～100)节电池，负责采集n节单体电压、单体温度、单体内阻；通过设计合理的请求时序实现CAN总线的分时复用，从而实现高效的主从通信。具体的通信方法包括：
(1)根据实时性的要求高低，对从控制器制器采集的各类单体数据进行优先级定义，以及输入各类单体数据权重：电池内阻是电池内部自身的特性，电池长期使用后产生变化，其实时性最低；电池电压的变化可能每一秒就会发生很大的变化，所以需要实时性高；温度数据是电池所处环境的环境温度，变化相对缓慢，其优先级低于电池电压高于电池内阻。
单体电压、单体温度和单体内阻的权重比为10：3：2。
(2)将所有从控制器依次请求一次最低优先级的单体数据的时间确定为一个周期T；由于电池内阻优先级最低，故设置所有从控制器依次请求一次电池内阻的时间确定为一个周期T。
(3)计算从控制器将每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数，以及计算每类单体数据的上传时间；
根据一帧CAN报文可传输的数据大小以及各单体数据的数据大小，以单体电压2个字节、单体内阻2个字节、单体温度1个字节，计算得到每一帧CAN报文最多可以上传3节单体电压，或3节单体内阻，或6节单体温度，或6节单体SOH。
本实施例中设定每个从控制器管理20节电池(即n＝20)，一个从控制器上传单体电压需7帧报文(20节/3节＝6.66，向上取整为7)，上传单体温度需4帧报文(20节/6节＝3.33，向上取整为4)，上传单体内阻需7帧报文(20节/3节＝6.66，向上取整为7)。
同时，CAN总线通信速率设置为250Kbps，CAN报文使用扩展帧。每帧报文上传的理论时间为512us。7帧报文的理论上传时间为512us＊7＝3584us；4帧报文的上传时间为512us＊4＝2048us；
(4)根据各类数据权重的比值确定该周期T内的请求次数；
考虑到各单体数据的实时性要求，在周期T内设定请求10次单体电压，3次单体温度和2次单体内阻。在满足需求的前提下，选择次数为10、3、2是为了请求命令能够在一个周期T内尽量分布均匀。
(5)设定命令请求间隔，该命令请求间隔应大于每类单体数据的上传时间；
同时考虑到CAN总线的负载率不能过高，以免出错，每条请求命令下发的时间间隔设置为20ms。
(6)根据请求次数、命令请求间隔以及每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数计算周期T，在周期T内平均分配各类单体数据的请求时序；
图3是本实施例中主控制器的请求时序表。表中的数字代表从控制器模块的单体数据编号，主控制器按照时序表中先从左往右、再从上往下的顺序下发数据请求命令。
(7)主控制器根据请求时序轮询下发数据请求命令，从控制器收到命令后上传相应的单体数据到主控制器，从控制器根据各类单体数据的变化阈值自动确定是否响应数据请求，如果不响应请求则上传最高优先级单体数据。
本实施例中，在一个周期T内的从控制器上传的报文数为：
(10次单体电压＊7帧上传报文+3次单体温度＊4帧上传报文+2次单体内阻＊7帧上传报文)＊8个从控＝768帧；
主控制器下发的请求命令数为：(10次单体电压＊1帧请求报文+3次单体温度＊1帧请求报文+2次单体内阻＊1帧请求报文)＊8个从控＝120帧；
周期T＝120＊20＝2400ms；所以周期T内的总报文数为888帧。总时间为528＊0.512＝454.656ms；CAN总线的负载率为454.656/2400＝18.9％；符合设计要求。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案，实际的结构并不局限于此。所以本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，所述的电池管理系统包括一个主控制器和若干个从控制器，从控制器通过CAN总线与主控制器通信，其特征在于包括如下步骤：
(1)根据实时性的要求高低，对从控制器采集的各类单体数据进行优先级定义，以及输入各类单体数据权重；
(2)将所有从控制器依次请求一次最低优先级的单体数据的时间确定为一个周期T；
(3)计算从控制器将每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数，以及计算每类单体数据的上传时间；
(4)根据各类数据权重的比值确定该周期T内的请求次数；
(5)设定命令请求间隔，该命令请求间隔应大于每类单体数据的上传时间；
(6)根据请求次数、命令请求间隔以及每类单体数据上传完整数据一次需要的帧数计算周期T，在周期T内平均分配各类单体数据的请求时序；
(7)主控制器根据请求时序轮询下发数据请求命令，从控制器收到命令后上传相应的单体数据到主控制器，从控制器根据各类单体数据的变化阈值自动确定是否响应数据请求，如果不响应请求则上传最高优先级单体数据。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的各类单体数据包括单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH，各类单体数据的优先级由高到低依次是：单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH。
3.根据权利要求1所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(1)中，单体电压、单体SOC、单体温度、单体内阻和单体SOH的权重比为10：4：3：2：1。
4.根据权利要求1所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(3)中，采用每一个从控制器采集单体电池数量除以相应数据每一帧CAN报文最多上传个数，向上取整获得相应数据的CAN报文帧数。
5.根据权利要求4所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(3)中，每一帧CAN报文最多可以上传3节单体电压，或3节单体内阻，或6节单体温度，或6节单体SOC，或6节单体SOH。
6.根据权利要求1所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(4)中，在周期T内请求10次单体电压，4次单体SOC、3次单体温度、2次单体内阻和1次单体SOH。
7.根据权利要求1所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(5)中，每条数据请求命令下发的时间间隔设置为20ms。
8.根据权利要求1所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的各类单体数据包括单体电压、单体温度、单体内阻，各类单体数据的优先级由高到低依次是：单体电压、单体温度和单体内阻。
9.根据权利要求8所述的基于CAN总线分时复用的电池管理系统通信方法，其特征在于：步骤(1)中，单体电压、单体温度和单体内阻的权重比为10:3:2。
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