基于CAN總線的新能源汽車電池?cái)?shù)據(jù)采集方案

1.引言

隨著全球能源和環(huán)境問題的不斷突顯，汽車作為石油消耗和二氧化碳排放的大戶，我國汽車保有量的持續(xù)攀升，不僅給能源帶來危機(jī)，同時(shí)傳統(tǒng)汽車排放的尾氣給環(huán)境帶來了巨大的危害，汽車行業(yè)需要進(jìn)行革命性的變革，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為世界各國的共識，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以節(jié)能、環(huán)保、安全為終極目標(biāo)的電動汽車、混合動力電動汽車以及燃料電池電動汽車的研發(fā)與應(yīng)用已成為全世界各國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。我國更是將其列入到七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中。

發(fā)展與挑戰(zhàn)并行，近年來時(shí)有發(fā)生電動汽車安全事故，引起各方的關(guān)注。汽車鋰電池組作為電動汽車的核心零部件，其安全運(yùn)作保證了電動汽車提供安全行駛環(huán)境，保障駕駛?cè)藛T的生命安全，而鋰電池組數(shù)據(jù)的采集和分析無疑給汽車電池開發(fā)小組以及相關(guān)整車部門對電池組的開發(fā)和升級提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

CAN總線源于汽車行業(yè)，其高抗干擾能力，通信穩(wěn)定，兼容性強(qiáng)等等特點(diǎn)，已經(jīng)在汽車行業(yè)有了長期和穩(wěn)定的應(yīng)用，汽車各網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)用CAN總線，如動力控制網(wǎng)絡(luò)和車身舒適及娛樂網(wǎng)絡(luò)等。為了無縫兼容原有的汽車網(wǎng)絡(luò)控制和管理系統(tǒng)，新能源電動汽車的電池組的通信與管理將CAN總線作為首選。由于電動汽車的電池組的容量和數(shù)量決定汽車的駕駛性能，其動力電池需上百個(gè)單體電池組合使用，通常電動乘用車都會采用40至100個(gè)電池單體組成來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?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要有效對每個(gè)單體電池的工作參數(shù)電壓、電流、電量進(jìn)行監(jiān)測、采集，并行配合汽車的速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速等等動力參數(shù)來分析電池的動力轉(zhuǎn)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(shù)。

另一方面，國內(nèi)不同城市相應(yīng)提出對新能源汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)及要求，除了需要采集動力電池組相關(guān)的參數(shù)，還需要將動力電池溫度、電池故障碼、電機(jī)故障碼，GPS信息、里程等等超過20組的參數(shù)進(jìn)行采集，在此背景下本文介紹和提供基于CAN總線采集新能源汽車電池?cái)?shù)據(jù)方案，采用汽車CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀neoVI FIRE運(yùn)用大容量存儲完成所有參數(shù)的保存，而且離線式記錄的方式免去了人為跟車的工作，上位機(jī)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(yīng)用在多家新能源汽車電池研究部門。

2.電動汽車電池采集現(xiàn)狀

由于電動汽車是新興產(chǎn)業(yè)，由于多種原因造成未能大規(guī)模推廣及使用，為了深入研究電動汽車及提升 電動汽車的競爭力，很多汽車研究院高校等機(jī)構(gòu)都會配套不同的電池?cái)?shù)據(jù)記錄設(shè)備，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);不同的電池?cái)?shù)據(jù)記錄儀有不同的采集參數(shù)，生成的記錄文件各不相同，導(dǎo)致互通性和兼容性不強(qiáng)。有一些電池?cái)?shù)據(jù)記錄儀的外觀各異，可能不符合汽車上的安裝要求，同時(shí)可能達(dá)不到大數(shù)據(jù)量的記錄和存儲功能。

本文根據(jù)電動汽車對數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需求，提供一款多通道車用數(shù)據(jù)記錄儀neoVI FIRE。其一方面可以記錄電動汽車實(shí)際運(yùn)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)記錄汽車動力CAN總線上的實(shí)車數(shù)據(jù)(DBC解析后的)，比如車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、里程等等動力CAN相關(guān)的數(shù)據(jù)。為電動汽車電池的研究和提升電池驅(qū)動能力提供多方面的數(shù)據(jù)支持。 3.CAN總線及數(shù)據(jù)記錄儀介紹

3.1 CAN總線介紹

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫(以下稱為 CAN)，是 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。車載網(wǎng)絡(luò)除了要求采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式外，必須具有極好的抗干擾能力;極強(qiáng)的差錯(cuò)檢測和處理能力;滿足信息傳輸實(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(jié)構(gòu)簡單，易于配置，基于以上的要求CAN總線的高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性和兼容性好以及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)完全符合汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，從20世紀(jì)80年代，Bosch提出了CAN以來，至今CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在已是歐洲汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

3.2 汽車CAN數(shù)據(jù)DBC解析

由于科技的推動以及人們對駕駛要求的不斷提高，從而讓汽車CAN節(jié)點(diǎn)不斷增加，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)越來越龐大。為了方便整車的設(shè)計(jì)和維護(hù)，將汽車CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫解析和管理，即是我們提到的DBC解析。DBC文件是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫文件，剛開始是由Vector公創(chuàng)建，后來為了汽車數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理以及診斷測試，絕大多數(shù)車廠都有相應(yīng)的DBC文件數(shù)據(jù)庫。DBC解析的過程就是將汽車CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖M(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成我們所熟悉的物理量，比如車速、轉(zhuǎn)速，溫度等等。本文提供的CAN數(shù)據(jù)采集儀neoVI FIRE是完全支持?jǐn)?shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫文件。

3.3 FIRE數(shù)據(jù)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通道的汽車數(shù)據(jù)記錄儀，它讓用戶可以同時(shí)觀察多種網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文數(shù)據(jù)。neoVI FIRE以10微秒的精度，實(shí)現(xiàn)毫無丟失地監(jiān)控，保證電動汽車所有數(shù)據(jù)采集的完整性。

neoVI FIRE支持最大64G數(shù)據(jù)容量的MicroSD卡記錄數(shù)據(jù)，64G相當(dāng)于可以保存20億條標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文，以1s采集200條報(bào)文計(jì)算，那么一共可以采集110多天的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以無需PC即可進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。通過Vehicle Spy軟件來配置包括消息過濾在內(nèi)的neoVI FIRE記錄器，完成后斷開PC與它的連接，即可記錄車輛網(wǎng)絡(luò)信息知道存儲卡存滿為止。多功能的設(shè)計(jì)和全工業(yè)溫度范圍使neoVI FIRE能在嚴(yán)峻的環(huán)境中工作，電源最高輸入電壓可選40V，完全滿足電動汽車的測試需求。此外，不需要持續(xù)的與PC交互連接，避免人為跟車的工作。

配套軟件Vehicle Spy是一款集成了診斷、節(jié)點(diǎn)/ECU仿真、數(shù)據(jù)獲取、自動測試和車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能的工具。Vehicle Spy可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，數(shù)據(jù)解碼，數(shù)據(jù)獲取/記錄，節(jié)點(diǎn)仿真，自動測試。

4.系統(tǒng)架構(gòu)

本文的電動汽車數(shù)據(jù)采集方案系統(tǒng)架構(gòu)是基于實(shí)際應(yīng)用中的縮略架構(gòu)，F(xiàn)IRE數(shù)據(jù)記錄儀可實(shí)現(xiàn)完整記錄CAN總線數(shù)據(jù)，并通過過濾和腳本功能將目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過BDC解析后不僅將連接至CAN總線的每個(gè)電池單體的外部參數(shù)(電壓、電流、溫度、容量等)進(jìn)行記錄存儲，同時(shí)也將汽車實(shí)車CAN數(shù)據(jù)記錄至neoVI FIRE數(shù)據(jù)記錄儀中，之后可以導(dǎo)出不同格式的數(shù)據(jù)文件便于進(jìn)一步分析。