基于CAN总线的新能源汽车电池数据采集方案

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1.引言
       
        随着全球能源和环境问题的不断突显，汽车作为石油消耗和二氧化碳排放的大户，我国汽车保有量的持续攀升，不仅给能源带来危机，同时传统汽车排放的尾气给环境带来了巨大的危害，汽车行业需要进行革命性的变革，发展新能源汽车已经成为世界各国的共识，随着科学技术的进步，以节能、环保、安全为终极目标的电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车的研发与应用已成为全世界各国汽车产业发展的重点。我国更是将其列入到七大战略性新兴产业之中。
       
        发展与挑战并行，近年来时有发生电动汽车安全事故，引起各方的关注。汽车锂电池组作为电动汽车的核心零部件，其安全运作保证了电动汽车提供安全行驶环境，保障驾驶人员的生命安全，而锂电池组数据的采集和分析无疑给汽车电池开发小组以及相关整车部门对电池组的开发和升级提供强有力的数据支持。
       
        CAN总线源于汽车行业，其高抗干扰能力，通信稳定，兼容性强等等特点，已经在汽车行业有了长期和稳定的应用，汽车各网络都应用CAN总线，如动力控制网络和车身舒适及娱乐网络等。为了无缝兼容原有的汽车网络控制和管理系统，新能源电动汽车的电池组的通信与管理将CAN总线作为首选。由于电动汽车的电池组的容量和数量决定汽车的驾驶性能，其动力电池需上百个单体电池组合使用，通常电动乘用车都会采用40至100个电池单体组成来保证基本的驾驶行程保障。一方面，为了保证单体电池的一致性、提升电池组的整体寿命以及研究电池和提升其效率，必须采集大量的电池数据进行分析，需要有效对每个单体电池的工作参数电压、电流、电量进行监测、采集，并行配合汽车的速度、发动机转速、电机转速等等动力参数来分析电池的动力转换率，所以需要大批量采集电池组中每个单体的工作参数。
       
        另一方面，国内不同城市相应提出对新能源汽车运行数据采集参数及要求，除了需要采集动力电池组相关的参数，还需要将动力电池温度、电池故障码、电机故障码，GPS信息、里程等等超过20组的参数进行采集，在此背景下本文介绍和提供基于CAN总线采集新能源汽车电池数据方案，采用汽车CAN总线数据记录仪neoVI FIRE运用大容量存储完成所有参数的保存，而且离线式记录的方式免去了人为跟车的工作，上位机配置软件Vehicle Spy3提供逻辑化和功能化的记录方案，目前该方案已经应用在多家新能源汽车电池研究部门。
       
        2.电动汽车电池采集现状
       
        由于电动汽车是新兴产业，由于多种原因造成未能大规模推广及使用，为了深入研究电动汽车及提升电动汽车的竞争力，很多汽车研究院高校等机构都会配套不同的电池数据记录设备，并没有统一的标准；不同的电池数据记录仪有不同的采集参数，生成的记录文件各不相同，导致互通性和兼容性不强。有一些电池数据记录仪的外观各异，可能不符合汽车上的安装要求，同时可能达不到大数据量的记录和存储功能。
       
        本文根据电动汽车对数据采集的实际需求，提供一款多通道车用数据记录仪neoVI FIRE.其一方面可以记录电动汽车实际运行时的电池状态，如单体电池电压，电流，温度，容量等。另一方面，neoVI FIRE的多通道功能可以同时记录汽车动力CAN总线上的实车数据（DBC解析后的），比如车速、发动机转速、里程等等动力CAN相关的数据。为电动汽车电池的研究和提升电池驱动能力提供多方面的数据支持。
       
        3.CAN总线及数据记录仪介绍
       
        3.1 CAN总线介绍
       
        CAN是Controller Area Network的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。车载网络除了要求采用总线拓扑结构方式外，必须具有极好的抗干扰能力；极强的差错检测和处理能力；满足信息传输实时性要求；同时具备故障的诊断和处理能力等。另外考虑到成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置，基于以上的要求CAN总线的高性能、高可靠性、实时性和兼容性好以及其独特的设计特点完全符合汽车网络的应用需求，从20世纪80年代，Bosch提出了CAN以来，至今CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在已是欧洲汽车网络的标准协议。
       
        3.2汽车CAN数据DBC解析
       
        由于科技的推动以及人们对驾驶要求的不断提高，从而让汽车CAN节点不断增加，网络中的数据越来越庞大。为了方便整车的设计和维护，将汽车CAN数据进行数据库解析和管理，即是我们提到的DBC解析。DBC文件是一个标准的数据库文件，刚开始是由Vector公创建，后来为了汽车数据的统一管理以及诊断测试，绝大多数车厂都有相应的DBC文件数据库。DBC解析的过程就是将汽车CAN网络传输的十六进制数据转换成我们所熟悉的物理量，比如车速、转速，温度等等。本文提供的CAN数据采集仪neoVI FIRE是完全支持数据DBC解析，同时配套的软件Vehicle Spy3可以自由创建和修改DBC数据库文件。
       
        3.3 FIRE数据采集仪与功能软件Vehicle SPY3
       
        neoVI FIRE有一款4个CAN通道和4个LIN通道的汽车数据记录仪，它让用户可以同时观察多种网络上的报文数据。neoVI FIRE以10微秒的精度，实现毫无丢失地监控，保证电动汽车所有数据采集的完整性。
       
        neoVI FIRE支持最大64G数据容量的MicroSD卡记录数据，64G相当于可以保存20亿条标准报文，以1s采集200条报文计算，那么一共可以采集110多天的数据，同时可以无需PC即可进行数据记录。通过Vehicle Spy软件来配置包括消息过滤在内的neoVI FIRE记录器，完成后断开PC与它的连接，即可记录车辆网络信息知道存储卡存满为止。多功能的设计和全工业温度范围使neoVI FIRE能在严峻的环境中工作，电源最高输入电压可选40V，完全满足电动汽车的测试需求。此外，不需要持续的与PC交互连接，避免人为跟车的工作。
       
        配套软件Vehicle Spy是一款集成了诊断、节点/ECU仿真、数据获取、自动测试和车内通信网络监控等功能的工具。Vehicle Spy可以实现网络监控，数据解码，数据获取/记录，节点仿真，自动测试。
        4.系统架构
       
        本文的电动汽车数据采集方案系统架构是基于实际应用中的缩略架构，FIRE数据记录仪可实现完整记录CAN总线数据，并通过过滤和脚本功能将目标数据进行采集，经过BDC解析后不仅将连接至CAN总线的每个电池单体的外部参数（电压、电流、温度、容量等）进行记录存储，同时也将汽车实车CAN数据记录至neoVI FIRE数据记录仪中，之后可以导出不同格式的数据文件便于进一步分析。

       
       
         

         
        5.数据采集配置特点与操作
       
        5.1流程化配置
       
        在硬件neoVI FIRE记录仪可快速配置好相应的CAN通信波特率，双通道的CAN总线分别连接电池组CAN网络和汽车动力CAN网络后，软件Vehicle Spy3软件采用流程化配置操作，加载DBC文件，选择和过滤采集信号，采集触发方式配置、生成配置脚本，最后将配置脚本下载至neoVI FIRE记录仪中，实现离线式数据采集。

       

         
        5.2支持添加多个DBC文件
       
        Vehicle Spy3软件可直接打开汽车数据采集功能（Vehiclescape DAQ）快速创建采集配置工程，然后添加多个DBC数据库文件：

       
       

         
        5.3过滤选择信号
       
        加载DBC文件后，可以将电池相关的信号和汽车动力CAN相关的信号加载，导入记录列表中。

       
       

         
        5.4采集触发配置
       
        1.数据采集时可选择多种触发方式：立即触发、表达式触发和触发器触发。其中表达式触发可以设置不同的逻辑表达式，可以自由实现不同的触发要求。

       
       

         

          5.6导出多种数据格式
       
        Vehicle Spy3记录配置不仅可以导出CAN原始报文，而且支持导出DBC解析后的信号数据、比如电池电压、温度等等信号。其支持的格式有CSV格式可应用于绝大多数数据分析软件，同时也支持Vector的ASC格式。此外，导出的数据文件可以设置文件大小，也可以设置文件合并和分块存储。这些方式为研究电池的各方面参数提供了强大的数据支持。