基于dSPACE的電動(dòng)汽車通信協(xié)議的研究與仿真

彭飛帆，李曉倩，曹 銘,2

(1.南昌大學(xué)，江西南昌 330031；2.江西省汽車電子工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330031)

隨著電動(dòng)汽車快速發(fā)展，充電設(shè)施也在迅速普及。電動(dòng)汽車電池組設(shè)計(jì)不同，充電協(xié)議設(shè)計(jì)往往存在差異，可能會(huì)造成充電設(shè)施無(wú)法兼容。以非車載充電機(jī)為例，由于充電通信協(xié)議不統(tǒng)一，充電機(jī)只能配套用于指定廠家電動(dòng)汽車。

為了推動(dòng)電動(dòng)汽車充電方式標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)不同品牌規(guī)格電動(dòng)汽車與充電機(jī)互聯(lián)互通，國(guó)家出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。但標(biāo)準(zhǔn)中存在少數(shù)非車載充電機(jī)與BMS 通信協(xié)議不兼容現(xiàn)象[1-2]。BMS 與充電機(jī)之間的正常通信是保證充電設(shè)施與電動(dòng)汽車正常安全高效工作的關(guān)鍵，BMS 與充電機(jī)的通信測(cè)試也是充電時(shí)必不可少步驟，同時(shí)也能驗(yàn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性，降低協(xié)議實(shí)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)的錯(cuò)誤率[3]。

本文設(shè)計(jì)了基于dSPACE 的BMS 充電協(xié)議開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái),建立了基于Simulink 的BMS 端充電模型及策略，在dSPACE 上實(shí)現(xiàn)BMS 與充電機(jī)通信模擬，驗(yàn)證了BMS 充電模型兼容性。

1 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

dSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境下的開(kāi)發(fā)及測(cè)試工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW 等上位機(jī)軟件的無(wú)縫連接[4]。本章將對(duì)dSPACE 的軟硬件組成以及基于dSPACE的充電通信仿真平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 dSPACE 的軟件與硬件

dSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)由兩大部分組成，一是硬件系統(tǒng)，二是軟件環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)環(huán)境所使用的dSPACE 的硬件主要由快速原型單板系統(tǒng)、CAN 通訊板卡和電源等組成。其中快速原型單板系統(tǒng)核心組成為DS1103 主控制器板，其采用了主頻為250 MHz 的MPC8240 PPC 處理器；內(nèi)置4×16 位、4×12 位AD 轉(zhuǎn)換器和8×16 位DA 轉(zhuǎn)換器；配置有20 路并行I/O；包含RS232/RS422/RS485 串行接口等。

dSPACE 的軟件環(huán)境主要包括兩部分，一部分是實(shí)時(shí)代碼的生成和下載軟件RTI(Real-Time Interface)，它是離線工具與實(shí)時(shí)工具的接口，能夠完美地集成于MATLAB/Simulink，實(shí)現(xiàn)從Simulink 模型到dSPACE 實(shí)時(shí)硬件代碼的自動(dòng)下載；另一部分是實(shí)時(shí)測(cè)試軟件Controldesk、實(shí)時(shí)處理器通信軟件CUB 以及自動(dòng)試驗(yàn)和參數(shù)調(diào)整軟件MLIB/MTRACE等[5]。

1.2 充電通信仿真的總體結(jié)構(gòu)

由圖1 可以比較直觀地看出整個(gè)仿真的基本流程：首先在MATLAB/Simulink 軟件中搭建充電模型，通過(guò)RTI 實(shí)時(shí)接口與dSPACE 仿真機(jī)相關(guān)聯(lián)，然后使用Controldesk 實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真的控制和監(jiān)控，并通過(guò)CANTesk 來(lái)觀察模擬通訊過(guò)程。

圖1 仿真基本流程

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)所需條件，在實(shí)驗(yàn)室搭建了基于dSPACE的通信仿真平臺(tái)，平臺(tái)實(shí)物圖如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括dSPACE 快速原型單板系統(tǒng)DS1103 板卡、板卡接口、USBCAN-2E-U 以及計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

2 充電機(jī)與BMS 的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

2.1 通信協(xié)議總體流程

為了保證一致性，GB/T 27930-2015 規(guī)定了非車載充電機(jī)與BMS 之間通信的基本步驟。如圖3 所示，整個(gè)充電過(guò)程包括物理連接完成、低壓輔助上電、充電握手、充電參數(shù)配置、充電以及充電結(jié)束等六個(gè)步驟。根據(jù)通信協(xié)議流程，在物理連接之后的各個(gè)步驟，充電機(jī)和BMS 如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)方報(bào)文或正確報(bào)文，即判定為超時(shí)，出現(xiàn)超時(shí)后，充電機(jī)或BMS即發(fā)送協(xié)議規(guī)定的錯(cuò)誤報(bào)文，進(jìn)入錯(cuò)誤處理狀態(tài)[6]。

圖3 充電總體流程圖

2.2 J1939 協(xié)議在dSPACE 平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

J1939 協(xié)議是由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)定義的一組標(biāo)準(zhǔn)。此協(xié)議對(duì)CAN 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、故障診斷和網(wǎng)絡(luò)管理都作了相關(guān)規(guī)定。目前dSPACE 自帶的RTI 實(shí)時(shí)接口能夠?qū)崿F(xiàn)CAN 報(bào)文的收發(fā)和CAN 模塊的簡(jiǎn)單配置，并且支持DBC 數(shù)據(jù)庫(kù)的配置，但dSPACE 尚未搭載基于J1939 協(xié)議的配置模塊，因此將通過(guò)dSPACE/Simulink 搭建相關(guān)模型來(lái)遵循協(xié)議的規(guī)定。

2.2.1 通信協(xié)議DBC 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

根據(jù)協(xié)議的定義，每個(gè)CAN 數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，即報(bào)文格式。遵循協(xié)議規(guī)定的報(bào)文格式，即可建立BMS 與充電機(jī)通信的DBC 數(shù)據(jù)庫(kù)文件。如圖4 所示，DBC 文件能完整地定義CAN 通信的信息，包括CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、報(bào)文以及信號(hào)等。CAN 網(wǎng)絡(luò)的通訊就是根據(jù)DBC 文件提供的信息進(jìn)行的，建立完整準(zhǔn)確的DBC 文件可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)CAN 通訊的基礎(chǔ)。

圖4 DBC 文件的建立

2.2.2 J1939 的多幀傳輸機(jī)制

根據(jù)CAN 通信協(xié)議的規(guī)定，長(zhǎng)度超過(guò)8 個(gè)字節(jié)的消息無(wú)法通過(guò)單個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，如通信協(xié)議中的BRM、BCP 和BCS 報(bào)文，這些消息需要被拆分為多個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，本次通信測(cè)試對(duì)于這些報(bào)文的發(fā)送遵循J1939 協(xié)議多幀傳輸?shù)南嚓P(guān)規(guī)定。J1939 的多幀傳輸機(jī)制就是將長(zhǎng)度超過(guò)8 字節(jié)的數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，格式上占用數(shù)據(jù)域的第一個(gè)字節(jié)當(dāng)作每一幀的編號(hào)，即每一幀只能傳輸7 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則多幀傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 785 字節(jié)[7]。

針對(duì)多幀傳輸，J1939 協(xié)議規(guī)定了一種特定參數(shù)組：連接管理，其包括請(qǐng)求發(fā)送(TP.CM/RTS)、準(zhǔn)備發(fā)送(TP.CM/CTS)以及消息結(jié)束應(yīng)答(TP.CM/EndofMsgAck)等報(bào)文。在本文所介紹的充電模型中，需要發(fā)送內(nèi)容較長(zhǎng)報(bào)文時(shí)，將由BMS 端發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送報(bào)文，充電機(jī)端接收到該報(bào)文后發(fā)送準(zhǔn)備發(fā)送報(bào)文，BMS 收到準(zhǔn)備發(fā)送報(bào)文后，隨即開(kāi)始將已拆分好的數(shù)據(jù)包依次發(fā)送。數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，充電機(jī)端發(fā)送消息結(jié)束應(yīng)答報(bào)文，結(jié)束此報(bào)文的發(fā)送。

3 基于dSPACE/Simulink 的充電通信模型搭建

通信協(xié)議GB/T 27930-2015 中詳細(xì)解析了整個(gè)充電通信的過(guò)程，本章將介紹BMS 端的充電通信模型、報(bào)文接收發(fā)送的實(shí)現(xiàn)以及基于Stateflow 的充電時(shí)序流程的建立。

圖5 為基于Simulink 搭建的BMS 端的充電通信模型，模型外部主要包括報(bào)文接收、充電時(shí)序流程圖和報(bào)文發(fā)送三個(gè)模塊。

圖5 充電通信模型總覽

3.1 接收?qǐng)?bào)文的實(shí)現(xiàn)

本模型使用dSPACE 實(shí)時(shí)接口擴(kuò)展的RTI CAN 模塊組將dSPACE 系統(tǒng)與CAN 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，通過(guò)Simulink 來(lái)配置CAN 通信。根據(jù)通信協(xié)議，本文所搭建的模型需要實(shí)現(xiàn)充電機(jī)報(bào)文接收和BMS 報(bào)文發(fā)送，而充電機(jī)報(bào)文均為單包發(fā)送，BMS 報(bào)文包括單包和多包發(fā)送。這里以CHM 接收模塊為例，展示基于RTI CAN 的報(bào)文接收模塊的設(shè)計(jì)。

圖6 所示為充電機(jī)握手報(bào)文(CHM)的單包接收模塊。為了提高CAN 總線的利用率，達(dá)到盡可能快的接收速度，報(bào)文接收方式采用中斷觸發(fā)(Interrupt)[8]。模型使用dSPACE 程序模塊接收中斷器(CAN RX Interrupt)來(lái)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)能觸發(fā)功能調(diào)用子系統(tǒng)(Function-Call Subsystem)中的接收模塊(RTI CAN Receive Message)進(jìn)行報(bào)文接收。

圖6 CHM接收模塊

3.2 發(fā)送報(bào)文的實(shí)現(xiàn)

單包報(bào)文發(fā)送與單包報(bào)文接收類似，不同的是發(fā)送報(bào)文觸發(fā)方式采用使能觸發(fā)，使能信號(hào)控制使能子系統(tǒng)中報(bào)文發(fā)送模塊(RTI CAN Transmit Message)發(fā)送相關(guān)報(bào)文。由于本模型是基于BMS 端的通信模型，主要承擔(dān)發(fā)送BMS 端報(bào)文和接收充電機(jī)端報(bào)文作用，本節(jié)將重點(diǎn)介紹BMS 多包發(fā)送設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。圖7 為多包發(fā)送實(shí)現(xiàn)流程。

圖7 多包發(fā)送實(shí)現(xiàn)流程

通信協(xié)議中需要進(jìn)行多包發(fā)送的內(nèi)容較長(zhǎng)報(bào)文有BRM、BCP 和BCS，根據(jù)J1939 多幀傳輸協(xié)議，多包發(fā)送開(kāi)始條件是BMS 接收到充電機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備發(fā)送報(bào)文(CTS)，但由于同個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)連接管理報(bào)文幀ID 相同，需要BMS 能夠識(shí)別所接收的是哪個(gè)報(bào)文的連接管理報(bào)文。模型通過(guò)選擇(Switch)函數(shù)，根據(jù)接收到的CTS 報(bào)文內(nèi)容的PGN 來(lái)判斷即將進(jìn)行的是哪個(gè)報(bào)文的多包發(fā)送，然后觸發(fā)相應(yīng)報(bào)文使能子系統(tǒng)開(kāi)始此報(bào)文發(fā)送。以BRM 報(bào)文為例，當(dāng)BMS 收到BRM 的CTS 報(bào)文，即開(kāi)始發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)；由于多幀傳輸機(jī)制規(guī)定各數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)字節(jié)為幀的編號(hào)，模型設(shè)定除第一幀外，其他各數(shù)據(jù)幀的發(fā)送由上一幀的幀編號(hào)控制，當(dāng)?shù)谝粠l(fā)送結(jié)束，模塊識(shí)別數(shù)據(jù)幀第一個(gè)字節(jié)數(shù)值為1，則觸發(fā)第二幀報(bào)文發(fā)送，以此類推。當(dāng)所有數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢，則停止發(fā)送，并等待充電機(jī)發(fā)送結(jié)束應(yīng)答報(bào)文(ACK)，BMS 接收到ACK 報(bào)文，即結(jié)束此多包發(fā)送。

3.3 充電流程的建立

本模型根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定的BMS 端充電時(shí)序流程圖，基于Stateflow 建立了完整邏輯狀態(tài)圖，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)報(bào)文發(fā)送使能控制、接收?qǐng)?bào)文成功標(biāo)志位讀取以及超時(shí)判斷。

以如圖8 所示的充電握手階段的邏輯狀態(tài)圖為例，物理連接完成后充電機(jī)與BMS 通過(guò)低壓電源輔助上電，進(jìn)入充電握手階段。由充電機(jī)向BMS 發(fā)送充電機(jī)握手報(bào)文，標(biāo)志位R/CHM 置1，表示BMS 收到CHM，此時(shí)車輛握手報(bào)文(BHM)發(fā)送使能為高電平，BMS 隨即開(kāi)始向充電機(jī)發(fā)送BHM 報(bào)文，等待接收充電機(jī)辨識(shí)報(bào)文(CRM)，若在30 s 內(nèi)為正確接收CRM報(bào)文，則進(jìn)入超時(shí)狀態(tài)，開(kāi)始發(fā)送BMS 錯(cuò)誤報(bào)文(BEM)。BMS 正確收到CRM 報(bào)文后，BHM 報(bào)文隨即停止發(fā)送，然后開(kāi)始發(fā)送BMS 和車輛辨識(shí)報(bào)文(BRM)，BRM 發(fā)送完畢后充電機(jī)向BMS 發(fā)送0xAA 的CRM 報(bào)文，BMS 收到報(bào)文后即停止BRM 報(bào)文的發(fā)送，準(zhǔn)備開(kāi)始向充電機(jī)發(fā)送動(dòng)力電池參數(shù)報(bào)文(BCP)。接下來(lái)的幾個(gè)階段的進(jìn)行也同充電握手階段類似。

圖8 充電握手階段邏輯狀態(tài)圖

4 基于dSPACE/Controldesk 的通信測(cè)試

為了驗(yàn)證通信模型的正確性和可靠性，更貼近實(shí)際地模擬仿真對(duì)象實(shí)時(shí)通信情況，獲得更可靠和準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，本文以dSPACE 仿真平臺(tái)模擬BMS 節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)模擬充電機(jī)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)dSPACE 控制BMS 通信模型，實(shí)現(xiàn)BMS 與充電機(jī)的模擬通信。本章將對(duì)Controldesk 仿真用戶界面和通信測(cè)試結(jié)果進(jìn)行介紹。

4.1 Controldesk 仿真用戶界面

通信協(xié)議的仿真測(cè)試通過(guò)dSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Controldesk 是dSPACE 的上位機(jī)軟件，可以通過(guò)此軟件控制由MATLAB/Simulink 等軟件搭建的模型，在dSPACE 平臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)試。Controldesk 可以根據(jù)模型需要設(shè)計(jì)模塊化用戶界面，對(duì)模型的仿真進(jìn)程進(jìn)行控制，并能為仿真的某些狀態(tài)和重要結(jié)果提供實(shí)時(shí)顯示。

圖9 為本次通信測(cè)試所設(shè)計(jì)的用戶界面截圖，根據(jù)通信模型，該用戶界面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)充電過(guò)程開(kāi)始和中止的控制以及通信過(guò)程相關(guān)報(bào)文收發(fā)狀態(tài)的顯示。除此之外，該界面還能通過(guò)采集相關(guān)報(bào)文的數(shù)據(jù)，顯示充電過(guò)程的相關(guān)信息，包括當(dāng)前荷電狀態(tài)(SOC)、累計(jì)充電時(shí)間、預(yù)計(jì)剩余充電時(shí)間、充電電壓、充電電流等。

圖9 Controldesk仿真用戶界面

4.2 通信測(cè)試結(jié)果

通信測(cè)試結(jié)果主要由通信報(bào)文的收發(fā)情況來(lái)體現(xiàn)。報(bào)文是充電機(jī)與BMS 之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾d體，其裝載了如充電電壓、充電電流以及當(dāng)前荷電狀態(tài)等充電過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)，因此實(shí)現(xiàn)通信報(bào)文的正確收發(fā)是充電機(jī)與BMS 完成通信的基礎(chǔ)。

本章已介紹過(guò)以dSPACE 模擬BMS 節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)模擬充電機(jī)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)CAN 接口卡USBCAN-2E-U 與dSPACE 主控板DS1103 的CAN 接口和計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN 信號(hào)的讀取，并通過(guò)上位機(jī)軟件CANTest 實(shí)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送和接收。圖10 為CANTest 報(bào)文監(jiān)控界面截圖，圖中省略了循環(huán)接收的報(bào)文，只顯示協(xié)議所規(guī)定的必要報(bào)文的收發(fā)情況，并對(duì)這些報(bào)文進(jìn)行了相關(guān)注釋。

圖10 CANTest報(bào)文監(jiān)控界面

在測(cè)試過(guò)程中，首先將搭建好的通信模型導(dǎo)入Controldesk 與dSPACE 建 立 連接，由Controldesk 控 制和 監(jiān) 測(cè)通信測(cè)試的進(jìn)程，通過(guò)CANTest 提前設(shè)定好作為充電機(jī)端需要向BMS 端發(fā)送的報(bào)文，仿真開(kāi)始后，CANTest 即向dSPACE發(fā)送第一幀報(bào)文，dSPACE 根據(jù)通信模型接收并處理后，向模擬充電機(jī)端發(fā)送回應(yīng)報(bào)文，由CANTest 接收并根據(jù)設(shè)定自動(dòng)向dSPACE 發(fā)送下一幀報(bào)文，由此實(shí)現(xiàn)充電機(jī)與BMS 的模擬通信。

5 結(jié)論

本文以國(guó)標(biāo)充電協(xié)議為基礎(chǔ)，基于MATLAB/Simulink 搭建了BMS 端的通信模型，介紹了通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及報(bào)文接收與發(fā)送的模塊設(shè)計(jì)，通過(guò)dSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)模擬BMS節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與CANTest 模擬充電機(jī)節(jié)點(diǎn)的通信測(cè)試。CANTest通訊結(jié)果表明所搭建的模型能正確模擬BMS 端實(shí)現(xiàn)與充電機(jī)的通信，驗(yàn)證了BMS 充電模型的設(shè)計(jì)。BMS 充電模型可作為BMS 硬件在環(huán)測(cè)試的基礎(chǔ)，下一步將繼續(xù)完善此模型，力爭(zhēng)在實(shí)車和充電機(jī)上進(jìn)行通信應(yīng)用測(cè)試。