电动汽车因其作为碳排放燃油车的清洁替代品而变得越来越受欢迎，并且它们将在不久的将来成为我们日常生活中的普遍存在。然而，仍有一些问题需要克服。由于电动汽车与更环保的通勤和未来的交通方式同义，人们对电动汽车充电效率的担忧不可避免地上升。

　　锂离子电池在电动汽车中被广泛使用。它们在电动汽车中的应用伴随着某些安全问题。这些电池可能会带来风险，如过热、热失控和潜在的火灾危险，特别是在过充电或过放电等异常操作条件下，以及随着年龄和磨损。为此，制造商/原始设备制造商(OEMs)在电动汽车中集成了电池管理系统(BMSes)，以监测其电池的性能。

　　BMSes具有复杂的架构，包括传感器、微控制器(MCUs)、电池平衡器、开关和许多其他负责电动汽车电池安全高效运行的组件。传感器监测关键的安全参数，如电压、电流水平和温度，这些参数提供实时数据给MCU，作为BMS的中央处理单元。MCU在收集和分析传感器数据、基于收集到的信息协调电池操作方面发挥着关键作用。与MCU协同工作，电池平衡器被部署以保持电池包内各个电池单元的均匀充电和放电。这不仅增强了电池的寿命，还减轻了潜在的损害。此外，BMS中的开关管理电池的电能流动，提供在紧急情况或故障场景中断开电池的关键手段。

　　BMS与充电站之间的通信

　　除了能够收集数据和做出决策外，BMSes还可以与充电站建立通信——这是朝着提高车辆充电安全性和效率迈出的强化一步。这有一些不可思议的优势：

　　增强的安全性：允许BMS和充电站之间实时通信，以检测和解决充电过程中的异常情况

　　优化的充电：使充电站能够根据BMS数据调整参数，确保高效和定制的充电协议

　　诊断能力：促进数据的交换，以进行主动维护和故障排除，提高整体系统可靠性

　　与智能电网的集成：实现双向通信，以实现需求响应和基于电网条件优化的充电计划等功能

　　控制器局域网络(CAN)协议——在汽车和工业应用中广泛使用的通信标准——可以用于在电动汽车的BMS和充电器/充电站之间建立通信。最近在班加罗尔国际信息技术研究所的研究与发展实验室的一项研究证明了这一点。

　　实施CAN协议以实现电动汽车充电器和BMS之间的通信

　　架构设置包括德州仪器(Texas Instruments)的TMS320F28069U Piccolo微控制器，用于BMS和充电器之间的通信。这些MCUs因其高效的CPU、闪存、RAM和包括增强型CAN模块在内的各种串行端口外设而被选择。由于这个设置最初是一个实验，研究人员避免使用实际电池，而是选择在控制器中模拟或复制12V 100Ah锂离子电池的规格，包括操作电压充电和放电、最大操作温度以及最大充电和放电电流。

　　然后，MCUs连接到CAN控制器，其框架如图1所示。然而，CAN控制器是增强型CAN模块，它是Piccolo微控制器的一部分。它提供了CAN协议版本2.0B的功能。CAN版本2.0B数据帧具有标准格式，具有11位基本标识符，以及具有29位基本标识符的扩展格式。这个基本标识符代表数据帧中每个消息的唯一标识。它包括一个消息控制器、一个协议内核或通信堆栈以及一个CAN收发器。协议内核由接收缓冲区和发送缓冲区组成，它们在CAN总线上接收和发送消息。

　　CAN协议，特别是版本2.0B，规定了数据在电子设备网络中如何传输和接收。在这个协议中，数据被组织成帧，每个帧包含有关正在传输的消息的信息。这些帧具有标准化的格式，由各种帮助识别和解释数据的字段组成。

　　CAN协议的一个重要方面是标识符，它作为数据帧中每个消息的唯一标签。在版本2.0B中，有两个标识符：标准和扩展。标准标识符是11位长，而扩展标识符是29位长。这些标识符允许网络中的设备区分不同的消息并确定它们的重要性。研究人员使用了扩展的标识符，这意味着它可以在网络中容纳更多的唯一消息，从而允许更复杂和多样化的通信场景。由于充电器和BMS上的MCUs对消息进行编码以实现可靠的信息共享，这个标识符对于充电器和BMS在电动汽车中快速彻底的通信至关重要。

　　CAN协议通过由CAN高和CAN低引脚组成的双线总线系统促进设备之间的通信。这些引脚作为数据传输和接收的物理接口。

　　在通信过程中，CAN高引脚通常携带一个占主导地位的逻辑高信号，而CAN低引脚携带一个占主导地位的逻辑低信号。这种极性排列允许对二进制数据进行编码，其中占主导地位的逻辑高表示逻辑“1”，占主导地位的逻辑低表示逻辑“0”。

　　保持CAN高和CAN低引脚之间的差分电压的重要性在于确保可靠和健壮的通信。CAN协议依赖于差分信号方案，其中CAN高和CAN低引脚之间的电压差用于表示传输的数据。

　　在正常工作的CAN总线中，CAN高引脚预计将达到接近电源电压(通常约为5V)的电压水平，而CAN低引脚降至较低的电压水平(通常约为0V)。这些引脚之间的电压差，称为差分电压，对于区分逻辑高和逻辑低状态至关重要。

　　例如，在通信过程中，如果CAN高引脚达到3.75V，而CAN低引脚降至1.25V，则产生的差分电压将为2.5V。这个电压差允许在存在电噪声或干扰的情况下可靠地检测传输的数据(图2)。

　　通过上述CAN控制器的设置，BMS(其MCU收集有关关键安全参数的数据)可以通信任何电压、电流和温度水平的关注波动，并在需要时关闭充电器以防止事故。在实验的情况下，电动汽车电池的硬编码规格是允许最大电压为15V。一旦BMS发现操作充电电压为15V，它向充电器发送了一个关闭消息，有效地避免了一个潜在的火灾危险。

　　使用CAN协议的影响

　　在关键情况下，如前面讨论的电压和电流的突然峰值或过温，充电器立即关闭以防止对锂离子电池造成任何损害。但更重要的是，CAN协议以大约1 Mbps的速度实现充电器和BMS之间的数据交换——对于这种情况来说非常快。这使得该协议在优化充电速度时不可或缺。

　　该协议实现的通信速度促进了电池参数(如电压、电流和温度)的实时交换。充电器可以精确快速地调整来自电网的任何波动，以确保电动汽车以最快和最有效率的速度充电。此外，CAN支持双向通信，使充电站能够向BMS提供状态更新和诊断信息，以进行全面的监测和控制。

　　BMS和充电站还可以实施自适应充电算法。这些算法分析电池的实时数据，并动态调整充电参数，以最大化充电速度同时确保电池的安全和寿命。因此，尽管看似微不足道，CAN协议可以使电动汽车充电更优化。