张鹏 | 安徽省产品质量监督检验研究院电子电器所
新能源汽车系统通信架构的变革是智能网联汽车进
一步发展的必经之路。新能源车企为汽车行业带来新的
开发理念和技术，向用户提供更加个性化和智能化的服
务，基础是全车电子电气架构的数字化。而新能源汽车
成都汽车网数字化电气架构的体系来源于各类通信方法，解决了不同系统之间的通信问题，在众多系统中，电池管理系统的通信方法是十分重要并且值得分析的，数字化架构升级和通信方法创新将源源不断地为新能源汽车发展提供动力。
新能源汽车数据架构通信方法电池管理系统
前言
受益于国家政策支持和强劲的消费需求，中国新能源和智能网联汽车的发展速度冠绝全球，作为智能手
机之外另一大移动终端，新能源和智能网联汽车的整车架构方案正逐渐形成共识[1]。与传统汽车三大件（发动机、变速箱、底盘）不同的是，新能源汽车的三大件指动力电池、电机和电控（控制器），其中动力电池是驱动电动车行驶的主要能源，本文主要介绍新能源汽车电控系统的数据架构及动力电池管理系统的通信方法。
1. 新能源汽车数据系统架构
新能源汽车中电控单元主要由三大模块构成：即整车控制器（VC U，Ve h i c l e C o nt rol Un it），电机控制器（MC U，Motor C ont rol U n i t），电池管理系统（B M S，B a t t e r y Management System）[2]。整车控制器类似于电脑中的CPU，是新能源汽车的控制核心，是整车决策的核心电子单元。在工作过程中，VCU通过遍布整车的传感器采集各类信号，如档位、油门、刹车等，将信息传到控制中心作出决策，进而控制整车的运行情况。VCU收集到温度、车速等车辆特性信息后进行处理，同时将处理后的控制指令发送给电池管理系统和动力系统。除此之外，VCU还具有整车故障判断和存储等功能。底层软件、应用层软件和硬件电路共同组成了整车控制器，其中硬件电路中主要包括：主处理器、存储单元、电源模块、CA N模块和传感器采集电路。
电机控制器主要由控制电路、功率电子单元、控制算法软件和底层软件几部分构成，车辆发出的控制指令传递到MCU后，新能源汽车动力电池将自身存储的电能向外输出，通过电机将电能转换为机械能，驱动车辆行驶，并实现指定
转速和扭矩的功能。MCU还具有电机系统故障诊断保护和存储功能，关键技术方案包括：高性能处理器，车规级并联IGBT技术，集成化功率回
路设计等。
图1 电池管理系统结构
新能源汽车的“电池管家”——BMS（电池管理系统），具备电池管理、状态实时监控、防止过充过放、提高使用效率和延长使用寿命等功能。如图1所示，电池管理系统主要由中央处理器、执行模块、传感器等部分组成，是一个巨大的软硬件综合体。动力电池实时状态信息通过安装在电池包内的传感器传递给中央处理器，中央处理器收到信息后进行分析，将分析处理后的信息通过执行机构进行执行，在满足车辆动力需求的情况下，不断动态调整电池的实时状态，使其始终处于最佳的工作环境中，满足车辆的动力需求和安全需求。
BMS主要具有监控、计算、通信、保护的功能。通过CAN通信，BMS可以实时获取整包相关信息，提取电池包的总压、单压、电流、温度等可以作为设备保护参数的数据信号。
2. 新能源汽车BMS与动力电池通信
使用电池作为汽车的能量来源是新能源汽车与传统汽车主要区别所在，所以新能源汽车核心技术区别体现在电池上。新能源汽车的能量来自电池，而电池管理系统是除电池本体以外电池系统最核心的模块，它对电池具有监控和管理的功能。BMS通过对电芯温度、电流、电压等特性参数的采集，判断电池状态并控制其合理使用。
电池管理系统是个二端子系统，其一端与整车电子系统相连，另一端与电池相连，并通过总线与能量控制系统、电机控制器、车载控制器、车载显示等系统进行实时通信。新能源汽车的BMS 系统主要基于微型计算机技术，并结合电池监测及自动控制技术对电池包的状态进行实时监控、准确测量、安全保护，管理电池使其始终处于安全状态下工作，进而提高动力电池系统的耐久性和鲁棒性。
汽车动力单元的通信如何实现？下面以BMS 与动力电池的通信方法为例进行分析。
3. 电池管理系统通信协议分析
3.1 RS485通信
RS485总线具有多点、双向通信的特点，即允许多个发送器连接到同一个总线上，扩展了总线的共模范围。RS485是一种两线制半双工网络，一般只能实现点对点的通信，传输线多使用屏蔽双绞线，总线上最多可以挂载32个节点。
RS485总线中要求，逻辑“1”在两线间电压差为+2V～+6V时产生，逻辑“0”在电压差为-2V～-6V时产生。通信方式为平衡发送和差分接收：即发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出到总线，信号经总线传输到接收端后将差分信号还原成T T L信号。在RS485总线中传输数据最快速度为10Mbps，最远距离约为1219m，随着传输距离的增大传输速率越来越小，最大的通信距离在10kb/s的传输速率下得到。
图2 RS485信息帧结构
图2所示为信息帧结构，其中第一字节是地址码，主从机的通信首先通过地址信息的确认开始，地址码是每个从机独一无二的标识，当主机发出信息后，只有符合主机地址码的从机才可以和主机建立联系；功能码的功能是表明从机需要执行的任务类型；从机需要执行的具体动作和信息由数据区体现；C RC16校验方法应用于协议
中，主从机通过校验码来判断信息传递过程中是否发生出错、遗漏，校验结果为2个字节，低字节在前，高字节在后。
3.2 Modbus TCP协议
Modbus协议是一种可应用于软件和硬件中的应用层报文传输协议，具有三种报文类型：ASCII、RTU、TCP。RS232、RS422、RS485和以太网接口都是标准的Mod bus协议物理层接口，通信方式为master/slave。业界推出的基于以太网T C P/I P 的Mo d b u s 协议，即Mo d b u s TCP [3]。该协议与Modbus协议的区别是增加了MBA P 报文头，并删除了Mo d bus协议本身的CRC校验。
图3 Modbus TCP数据帧组成
Modbus TCP的数据帧由报头和数据两部分组成，如图3所示，报头有7个字节，数据由功能码和N个字节数据组成，如00 00 00 00 00 06 00 03 00 00 00 01。其中，可以把事务处理标识理解为报文的序列号，一般每次通信后要加1，用以区别不同的通信数据报文；协议标识：00 00是Modbus TCP的专属标识，区别于其他Modbus 协议；长度标识表示接下来数据帧要传输的数据
长度，单位为字节；设备的地址通过单元标识符来选择[4]。需要注意的是，Modbus TCP/IP协议
由于本身具有CRC校验，故不再需要额外的CRC 校验。
3.3 CAN通信
CAN协议规定了应用层、数据链路层和物理层。总线上的每一设备都可以成为主机，而且每一个主机都可以挂载多个从机，是一种对等的通过ID竞争来成为通信主机的协议。CAN通信的电源和数据是分开的，是4线接线方式。CAN通信由于其优先级是通过自动仲裁产生的，故总线利用率较高，由于其控制器带校验机制，可以充分保证底层数据传输的正确性。对比于RS 485总线，CAN总线还具有单节点故障不会导致总线瘫痪，系统成本低，开发难度小等优点。
图4 CAN总线总体结构
CA N总线组成模块主要有：CA N收发器、
CA N 控制器、数据传输线、数据传输终端等。CAN数据传输线由CAN_H和CAN_L两根差分线组成，具有抗干扰能力强的特点，外部干扰传递到通信中时，两个差分线上都会耦合噪声，虽然两个差分线上信号值发生改变，但二者差值保持不变，即体现为共模噪声，可以被完全抵消。
图5 CAN数据帧组成
参考文献
许艳华.动力电池助力我国新能源汽车产业发展
迈向新阶段[J].智慧中国，2022(1):35-37.李成学，杨大柱.电动汽车电池组电池管理及状态检测[J].电源技术，2010(1):80-83.赵国亮.探析新能源汽车电池技术存在的问题及
对策[J].时代汽车，2022（5）：118-119.
高飞.智能车载信息终端[D ].秦皇岛：燕山大
学,2009:1-6.
朱熙.软件质量：汽车智能化新课题[J].汽车纵
横,2021(7):114-116.
[1] [2]
[3] [4] [5] CA N总线具有五种通信帧：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧、帧间隔。其中，发送单元与接收单元之间的数据传递信息存储于数据帧中。当接收单元向具有一样ID的发送单元请求数据帧时使用远程帧。当总线中监测出错误并向其他单元通知时，错误帧发挥作用。过载帧是接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。将数据帧和远程帧与前面的帧分离开时使用帧间隔[5]。如图5所示，一个完整的数据帧包含七段，其中帧起始标识一个数据帧的开始；仲裁段是对优先等级进行判断；控制段用于标
识数据帧中包含多少个字节；数据段即是发送的数据内容；C RC 段执行CRC校验；而ACK段用来反馈报文是否被正确接收；最后帧结束标识一个数据帧的结束。
4. 结 语
随着汽车工业的蓬勃发展和新技术的持续迭代，新能源汽车的电子化程度越来越高，汽车电子电气架构不断整合ECU、传感器、电子电气分配系统、线束，成为整车数据化配置和功能的基础，这种新能源汽车底层电气架构模式为整车全数据架构的实现提供了可能和解决思路。
新能源汽车智能化、数字化升级的基础还需要各种强壮、高效、可复用的通信系统，文章中所提到的通信协议只是一部分，基于上述几种通信方法，各家使用类似协议的车企也在不断的应用中持续研发高效实用的版本。上述技术的发展和创新，必将大大增加汽车智能化水平和系统集成度，进一步推动新能源汽车的技术进步以及制造与生产方式的发展变革。R
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