基于CAN總線(xiàn)的新能源汽車(chē)電池數據采集方案

1.引言

隨著(zhù)全球能源和環(huán)境問(wèn)題的不斷突顯，汽車(chē)作為石油消耗和二氧化碳排放的大戶(hù)，我國汽車(chē)保有量的持續攀升，不僅給能源帶來(lái)危機，同時(shí)傳統汽車(chē)排放的尾氣給環(huán)境帶來(lái)了巨大的危害，汽車(chē)行業(yè)需要進(jìn)行革命性的變革，發(fā)展新能源汽車(chē)已經(jīng)成為世界各國的共識，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以節能、環(huán)保、安全為終極目標的電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以及燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與應用已成為全世界各國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。我國更是將其列入到七大戰略性新興產(chǎn)業(yè)之中。

發(fā)展與挑戰并行，近年來(lái)時(shí)有發(fā)生電動(dòng)汽車(chē)安全事故，引起各方的關(guān)注。汽車(chē)鋰電池組作為電動(dòng)汽車(chē)的核心零部件，其安全運作保證了電動(dòng)汽車(chē)提供安全行駛環(huán)境，保障駕駛人員的生命安全，而鋰電池組數據的采集和分析無(wú)疑給汽車(chē)電池開(kāi)發(fā)小組以及相關(guān)整車(chē)部門(mén)對電池組的開(kāi)發(fā)和升級提供強有力的數據支持。

CAN總線(xiàn)源于汽車(chē)行業(yè)，其高抗干擾能力，通信穩定，兼容性強等等特點(diǎn)，已經(jīng)在汽車(chē)行業(yè)有了長(cháng)期和穩定的應用，汽車(chē)各網(wǎng)絡(luò )都應用CAN總線(xiàn)，如動(dòng)力控制網(wǎng)絡(luò )和車(chē)身舒適及娛樂(lè )網(wǎng)絡(luò )等。為了無(wú)縫兼容原有的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制和管理系統，新能源電動(dòng)汽車(chē)的電池組的通信與管理將CAN總線(xiàn)作為首選。由于電動(dòng)汽車(chē)的電池組的容量和數量決定汽車(chē)的駕駛性能，其動(dòng)力電池需上百個(gè)單體電池組合使用，通常電動(dòng)乘用車(chē)都會(huì )采用40至100個(gè)電池單體組成來(lái)保證基本的駕駛行程保障。一方面，為了保證單體電池的一致性、提升電池組的整體壽命以及研究電池和提升其效率，必須采集大量的電池數據進(jìn)行分析，需要有效對每個(gè)單體電池的工作參數電壓、電流、電量進(jìn)行監測、采集，并行配合汽車(chē)的速度、發(fā)動(dòng)機轉速、電機轉速等等動(dòng)力參數來(lái)分析電池的動(dòng)力轉換率，所以需要大批量采集電池組中每個(gè)單體的工作參數。

另一方面，國內不同城市相應提出對新能源汽車(chē)運行數據采集參數及要求，除了需要采集動(dòng)力電池組相關(guān)的參數，還需要將動(dòng)力電池溫度、電池故障碼、電機故障碼，GPS信息、里程等等超過(guò)20組的參數進(jìn)行采集，在此背景下本文介紹和提供基于CAN總線(xiàn)采集新能源汽車(chē)電池數據方案，采用汽車(chē)CAN總線(xiàn)數據記錄儀neoVI FIRE運用大容量存儲完成所有參數的保存，而且離線(xiàn)式記錄的方式免去了人為跟車(chē)的工作，上位機配置軟件Vehicle Spy3提供邏輯化和功能化的記錄方案，目前該方案已經(jīng)應用在多家新能源汽車(chē)電池研究部門(mén)。

2.電動(dòng)汽車(chē)電池采集現狀

由于電動(dòng)汽車(chē)是新興產(chǎn)業(yè)，由于多種原因造成未能大規模推廣及使用，為了深入研究電動(dòng)汽車(chē)及提升 電動(dòng)汽車(chē)的競爭力，很多汽車(chē)研究院高校等機構都會(huì )配套不同的電池數據記錄設備，并沒(méi)有統一的標準;不同的電池數據記錄儀有不同的采集參數，生成的記錄文件各不相同，導致互通性和兼容性不強。有一些電池數據記錄儀的外觀(guān)各異，可能不符合汽車(chē)上的安裝要求，同時(shí)可能達不到大數據量的記錄和存儲功能。

本文根據電動(dòng)汽車(chē)對數據采集的實(shí)際需求，提供一款多通道車(chē)用數據記錄儀neoVI FIRE。其一方面可以記錄電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運行時(shí)的電池狀態(tài)，如單體電池電壓，電流，溫度，容量等。另一方面，neoVI FIRE的多通道功能可以同時(shí)記錄汽車(chē)動(dòng)力CAN總線(xiàn)上的實(shí)車(chē)數據(DBC解析后的)，比如車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、里程等等動(dòng)力CAN相關(guān)的數據。為電動(dòng)汽車(chē)電池的研究和提升電池驅動(dòng)能力提供多方面的數據支持。 3.CAN總線(xiàn)及數據記錄儀介紹

3.1 CAN總線(xiàn)介紹

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫(xiě)(以下稱(chēng)為 CAN)，是 ISO 國際標準化的串行通信協(xié)議。車(chē)載網(wǎng)絡(luò )除了要求采用總線(xiàn)拓撲結構方式外，必須具有極好的抗干擾能力;極強的差錯檢測和處理能力;滿(mǎn)足信息傳輸實(shí)時(shí)性要求;同時(shí)具備故障的診斷和處理能力等。另外考慮到成本因素，要求其控制接口結構簡(jiǎn)單，易于配置，基于以上的要求CAN總線(xiàn)的高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性和兼容性好以及其獨特的設計特點(diǎn)完全符合汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的應用需求，從20世紀80年代，Bosch提出了CAN以來(lái)，至今CAN 通過(guò) ISO11898 及 ISO11519 進(jìn)行了標準化，現在已是歐洲汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的標準協(xié)議。

3.2 汽車(chē)CAN數據DBC解析

由于科技的推動(dòng)以及人們對駕駛要求的不斷提高，從而讓汽車(chē)CAN節點(diǎn)不斷增加，網(wǎng)絡(luò )中的數據越來(lái)越龐大。為了方便整車(chē)的設計和維護，將汽車(chē)CAN數據進(jìn)行數據庫解析和管理，即是我們提到的DBC解析。DBC文件是一個(gè)標準的數據庫文件，剛開(kāi)始是由Vector公創(chuàng )建，后來(lái)為了汽車(chē)數據的統一管理以及診斷測試，絕大多數車(chē)廠(chǎng)都有相應的DBC文件數據庫。DBC解析的過(guò)程就是將汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )傳輸的十六進(jìn)制數據轉換成我們所熟悉的物理量，比如車(chē)速、轉速，溫度等等。本文提供的CAN數據采集儀neoVI FIRE是完全支持數據DBC解析，同時(shí)配套的軟件Vehicle Spy3 可以自由創(chuàng )建和修改DBC數據庫文件。

3.3 FIRE數據采集儀與功能軟件Vehicle SPY3

neoVI FIRE有一款4個(gè)CAN通道和4個(gè)LIN通道的汽車(chē)數據記錄儀，它讓用戶(hù)可以同時(shí)觀(guān)察多種網(wǎng)絡(luò )上的報文數據。neoVI FIRE以10微秒的精度，實(shí)現毫無(wú)丟失地監控，保證電動(dòng)汽車(chē)所有數據采集的完整性。

neoVI FIRE支持最大64G數據容量的MicroSD卡記錄數據，64G相當于可以保存20億條標準報文，以1s采集200條報文計算，那么一共可以采集110多天的數據，同時(shí)可以無(wú)需PC即可進(jìn)行數據記錄。通過(guò)Vehicle Spy軟件來(lái)配置包括消息過(guò)濾在內的neoVI FIRE記錄器，完成后斷開(kāi)PC與它的連接，即可記錄車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )信息知道存儲卡存滿(mǎn)為止。多功能的設計和全工業(yè)溫度范圍使neoVI FIRE能在嚴峻的環(huán)境中工作，電源最高輸入電壓可選40V，完全滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的測試需求。此外，不需要持續的與PC交互連接，避免人為跟車(chē)的工作。

配套軟件Vehicle Spy是一款集成了診斷、節點(diǎn)/ECU仿真、數據獲取、自動(dòng)測試和車(chē)內通信網(wǎng)絡(luò )監控等功能的工具。Vehicle Spy可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )監控，數據解碼，數據獲取/記錄，節點(diǎn)仿真，自動(dòng)測試。

4.系統架構

本文的電動(dòng)汽車(chē)數據采集方案系統架構是基于實(shí)際應用中的縮略架構，FIRE數據記錄儀可實(shí)現完整記錄CAN總線(xiàn)數據，并通過(guò)過(guò)濾和腳本功能將目標數據進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)BDC解析后不僅將連接至CAN總線(xiàn)的每個(gè)電池單體的外部參數(電壓、電流、溫度、容量等)進(jìn)行記錄存儲，同時(shí)也將汽車(chē)實(shí)車(chē)CAN數據記錄至neoVI FIRE數據記錄儀中，之后可以導出不同格式的數據文件便于進(jìn)一步分析。