電動汽車因其作為碳排放燃油車的清潔替代品而變得越來越受歡迎，并且它們將在不久的將來成為我們?nèi)粘Ｉ钪械钠毡榇嬖凇Ｈ欢杂幸恍﹩栴}需要克服。由于電動汽車與更環(huán)保的通勤和未來的交通方式同義，人們對電動汽車充電效率的擔(dān)憂不可避免地上升。

　　鋰離子電池在電動汽車中被廣泛使用。它們在電動汽車中的應(yīng)用伴隨著某些安全問題。這些電池可能會帶來風(fēng)險，如過熱、熱失控和潛在的火災(zāi)危險，特別是在過充電或過放電等異常操作條件下，以及隨著年齡和磨損。為此，制造商/原始設(shè)備制造商(OEMs)在電動汽車中集成了電池管理系統(tǒng)(BMSes)，以監(jiān)測其電池的性能。

　　BMSes具有復(fù)雜的架構(gòu)，包括傳感器、微控制器(MCUs)、電池平衡器、開關(guān)和許多其他負(fù)責(zé)電動汽車電池安全高效運行的組件。傳感器監(jiān)測關(guān)鍵的安全參數(shù)，如電壓、電流水平和溫度，這些參數(shù)提供實時數(shù)據(jù)給MCU，作為BMS的中央處理單元。MCU在收集和分析傳感器數(shù)據(jù)、基于收集到的信息協(xié)調(diào)電池操作方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。與MCU協(xié)同工作，電池平衡器被部署以保持電池包內(nèi)各個電池單元的均勻充電和放電。這不僅增強了電池的壽命，還減輕了潛在的損害。此外，BMS中的開關(guān)管理電池的電能流動，提供在緊急情況或故障場景中斷開電池的關(guān)鍵手段。

　　BMS與充電站之間的通信

　　除了能夠收集數(shù)據(jù)和做出決策外，BMSes還可以與充電站建立通信——這是朝著提高車輛充電安全性和效率邁出的強化一步。這有一些不可思議的優(yōu)勢：

　　增強的安全性：允許BMS和充電站之間實時通信，以檢測和解決充電過程中的異常情況

　　優(yōu)化的充電：使充電站能夠根據(jù)BMS數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)，確保高效和定制的充電協(xié)議

　　診斷能力：促進數(shù)據(jù)的交換，以進行主動維護和故障排除，提高整體系統(tǒng)可靠性

　　與智能電網(wǎng)的集成：實現(xiàn)雙向通信，以實現(xiàn)需求響應(yīng)和基于電網(wǎng)條件優(yōu)化的充電計劃等功能

　　控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議——在汽車和工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用的通信標(biāo)準(zhǔn)——可以用于在電動汽車的BMS和充電器/充電站之間建立通信。最近在班加羅爾國際信息技術(shù)研究所的研究與發(fā)展實驗室的一項研究證明了這一點。

　　實施CAN協(xié)議以實現(xiàn)電動汽車充電器和BMS之間的通信

　　架構(gòu)設(shè)置包括德州儀器(Texas Instruments)的TMS320F28069U Piccolo微控制器，用于BMS和充電器之間的通信。這些MCUs因其高效的CPU、閃存、RAM和包括增強型CAN模塊在內(nèi)的各種串行端口外設(shè)而被選擇。由于這個設(shè)置最初是一個實驗，研究人員避免使用實際電池，而是選擇在控制器中模擬或復(fù)制12V 100Ah鋰離子電池的規(guī)格，包括操作電壓充電和放電、最大操作溫度以及最大充電和放電電流。

　　然后，MCUs連接到CAN控制器，其框架如圖1所示。然而，CAN控制器是增強型CAN模塊，它是Piccolo微控制器的一部分。它提供了CAN協(xié)議版本2.0B的功能。CAN版本2.0B數(shù)據(jù)幀具有標(biāo)準(zhǔn)格式，具有11位基本標(biāo)識符，以及具有29位基本標(biāo)識符的擴展格式。這個基本標(biāo)識符代表數(shù)據(jù)幀中每個消息的唯一標(biāo)識。它包括一個消息控制器、一個協(xié)議內(nèi)核或通信堆棧以及一個CAN收發(fā)器。協(xié)議內(nèi)核由接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)組成，它們在CAN總線上接收和發(fā)送消息。

　　CAN協(xié)議，特別是版本2.0B，規(guī)定了數(shù)據(jù)在電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中如何傳輸和接收。在這個協(xié)議中，數(shù)據(jù)被組織成幀，每個幀包含有關(guān)正在傳輸?shù)南⒌男畔ⅰ＿@些幀具有標(biāo)準(zhǔn)化的格式，由各種幫助識別和解釋數(shù)據(jù)的字段組成。

　　CAN協(xié)議的一個重要方面是標(biāo)識符，它作為數(shù)據(jù)幀中每個消息的唯一標(biāo)簽。在版本2.0B中，有兩個標(biāo)識符：標(biāo)準(zhǔn)和擴展。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符是11位長，而擴展標(biāo)識符是29位長。這些標(biāo)識符允許網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備區(qū)分不同的消息并確定它們的重要性。研究人員使用了擴展的標(biāo)識符，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)中容納更多的唯一消息，從而允許更復(fù)雜和多樣化的通信場景。由于充電器和BMS上的MCUs對消息進行編碼以實現(xiàn)可靠的信息共享，這個標(biāo)識符對于充電器和BMS在電動汽車中快速徹底的通信至關(guān)重要。

　　CAN協(xié)議通過由CAN高和CAN低引腳組成的雙線總線系統(tǒng)促進設(shè)備之間的通信。這些引腳作為數(shù)據(jù)傳輸和接收的物理接口。

　　在通信過程中，CAN高引腳通常攜帶一個占主導(dǎo)地位的邏輯高信號，而CAN低引腳攜帶一個占主導(dǎo)地位的邏輯低信號。這種極性排列允許對二進制數(shù)據(jù)進行編碼，其中占主導(dǎo)地位的邏輯高表示邏輯“1”，占主導(dǎo)地位的邏輯低表示邏輯“0”。

　　保持CAN高和CAN低引腳之間的差分電壓的重要性在于確保可靠和健壯的通信。CAN協(xié)議依賴于差分信號方案，其中CAN高和CAN低引腳之間的電壓差用于表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

　　在正常工作的CAN總線中，CAN高引腳預(yù)計將達(dá)到接近電源電壓(通常約為5V)的電壓水平，而CAN低引腳降至較低的電壓水平(通常約為0V)。這些引腳之間的電壓差，稱為差分電壓，對于區(qū)分邏輯高和邏輯低狀態(tài)至關(guān)重要。

　　例如，在通信過程中，如果CAN高引腳達(dá)到3.75V，而CAN低引腳降至1.25V，則產(chǎn)生的差分電壓將為2.5V。這個電壓差允許在存在電噪聲或干擾的情況下可靠地檢測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(圖2)。

　　通過上述CAN控制器的設(shè)置，BMS(其MCU收集有關(guān)關(guān)鍵安全參數(shù)的數(shù)據(jù))可以通信任何電壓、電流和溫度水平的關(guān)注波動，并在需要時關(guān)閉充電器以防止事故。在實驗的情況下，電動汽車電池的硬編碼規(guī)格是允許最大電壓為15V。一旦BMS發(fā)現(xiàn)操作充電電壓為15V，它向充電器發(fā)送了一個關(guān)閉消息，有效地避免了一個潛在的火災(zāi)危險。

　　使用CAN協(xié)議的影響

　　在關(guān)鍵情況下，如前面討論的電壓和電流的突然峰值或過溫，充電器立即關(guān)閉以防止對鋰離子電池造成任何損害。但更重要的是，CAN協(xié)議以大約1 Mbps的速度實現(xiàn)充電器和BMS之間的數(shù)據(jù)交換——對于這種情況來說非常快。這使得該協(xié)議在優(yōu)化充電速度時不可或缺。

　　該協(xié)議實現(xiàn)的通信速度促進了電池參數(shù)(如電壓、電流和溫度)的實時交換。充電器可以精確快速地調(diào)整來自電網(wǎng)的任何波動，以確保電動汽車以最快和最有效率的速度充電。此外，CAN支持雙向通信，使充電站能夠向BMS提供狀態(tài)更新和診斷信息，以進行全面的監(jiān)測和控制。

　　BMS和充電站還可以實施自適應(yīng)充電算法。這些算法分析電池的實時數(shù)據(jù)，并動態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，以最大化充電速度同時確保電池的安全和壽命。因此，盡管看似微不足道，CAN協(xié)議可以使電動汽車充電更優(yōu)化。