电池管理系统和用于在电池管理系统中传输数据的方法与流程

1.本发明涉及电池管理系统和所属方法的领域。


背景技术：

2.电池管理系统(bms)具有监控由多个电池单元或电池块构建的电池(也称为电池包)的充电和放电的任务。电池管理系统可以包括多个模块(例如，每个电池单元一个模块)，模块可以分别与控制单元通信。该控制单元通常被称为电池管理单元(bmu)。这种通信能够借助于数字通信总线实现。例如，bmu和各个模块以菊花链的方式彼此并排排列。bmu可以被认为是通信总线的主节点，而其中包括的单元监控电路(csc)的各个模块形成从节点。每个总线节点具有地址，并且每个节点把接收的消息转发到下一个总线节点，直到消息到达消息寻址到的总线节点。菊花链总线拓扑的结构和工作方式本身是已知的(例如，参见us 2017/0346308a1)并且在此不被进一步解释。
3.在电池管理系统中采用的公知通信总线使用基于帧的串行数据传输，其中，对于数据传输可以使用所谓的uarts(通用异步接收器发射器)。uart将数据作为具有固定的数据帧(uart帧)的串行数字数据流进行传输，该数据帧通常包括起始位、五至九个数据位、可选的用于识别传输错误的奇偶校验位和结束位。
4.在汽车领域中，各种电子控制单元(ecu)通常借助can(控制器局域网)或其它的现场总线系统进行通信。为了能够借助can将电池管理系统的基于uart的总线系统与ecu耦合，需要专用的接口，该接口可以被称为can/uart转换器。这种can/uart转换器实现起来相对复杂。需要至少两个微控制器；一个微控制器用于can协议的协议处理，并且一个微控制器用于安全应用。由微控制器执行的软件必须满足根据asil-d(根据iso26262的汽车安全完整性等级d)的要求。尤其是在具有应与ecu通信的多个菊花链的分布式系统中，也需要多个can/uart转换器，这进一步增加了技术和经济上的消耗。此外，已知的can/uart转换器不容易支持所谓的矢量工具(canalyzer)来分析所传输的数据。
5.本发明的目的在于，在保持相同的安全要求(asil-d)的情况下改进并且更有效地设计现有的系统。


技术实现要素：

6.上述目的通过根据本技术的方法、电池管理系统和can/uart转换模块来实现。各种实施例和进一步设计是以下内容。
7.本发明涉及一种方法，尤其是用于电池管理系统的方法。根据实施例，该方法包括提供包括多个帧的数字消息，其中多个帧包括id帧、至少一个数据帧、和校验和帧。校验和帧包括基于包含在其它帧中的数据计算出的校验和值。该方法还包括生成can消息，其中包含在(一个或多个)数据帧和校验和帧中的数据被插入到can消息的数据字段中，并且其中包含在id帧中的标识符被插入到can消息的id字段中。该方法还包括经由can总线线路发送can消息、和接收can消息并重建数字消息。此外，描述了相应的电池管理系统和can/uart转
换模块。
附图说明
8.下面借助附图更详细阐述实施例。图示不一定是比例正确的，并且实施例不仅限于所示出的方面。更确切地说，值得注意的是，示出实施例所基于的原理。在附图中示出：
9.图1示意地示出具有bmu和三个与其连接的csc模块的总线系统的示例，所述csc模块与电池堆连接。
10.图2示出具有bmu和两个与其连接的csc模块链的分布式系统的示例，其中，bmu具有can接口，并且csc模块链中的每个csc模块链包括can/uart转换模块。
11.图3示出can/uart转换模块的可能的实现方式的示例，其中，对于协议处理和对于安全应用分别使用单独的微控制器。
12.图4示出更有效的实现方式的示例，其中由于数据传输的特定方式，不需要协议处理器和安全微控制器。
13.图5示意地示出can消息的结构。
14.图6借助示例示出用于与csc模块通信的uart帧中的一个uart帧的建立。
15.图7示意地示出uart帧嵌入具有uart帧的端到端保护的can消息中。
16.图8示出使用can消息的基本id字段来编码csc模块的地址。
17.图9示意地示出从can消息中重建uart帧。
18.图10是用于示出在csc模块和电池监控单元(bmu)之间的数据交换的这里所描述的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
19.图1示意地示出具有电池监控单元(bmu)20和多个与其连接的单元监控电路(csc)的电池管理系统(bms)的示例。在本示例中，三个csc 31、32和33以菊花链的方式与bmu 20连接。根据应用，也可以彼此并排排列明显多于三个csc。bmu 20和csc 31、32和33是单独的模块(在图1中也被称为模块m0-m3)的一部分，这些模块彼此电流分离并且可以布置在各种电板(pcb，印刷电路板)上。可替代地，也可以在一个pcb上布置多个csc。电流分离例如可以经由电容耦合来实现。
20.待监控的电池10可以具有多个电池包(电池单元组)，电池包分别具有多个电池单元。例如，具有400v的标称电池电压的高电压锂离子电池可以具有八个电池包，电池包分别具有十三个单元。每个csc 31、32和33与一组单元连接并且接收相应的单元电压。根据应用，也可以检测单元的温度。所提及的电流分离可能是必要的，以便使各个串联连接的电池单元的不同电压水平解耦。bmu 20和csc 31-33的目的和基本功能本身是已知的并且在此不更详细解释。
21.关于bmu 20与csc 31-33之间的通信，bmu 20表征主总线节点，并且csc 31-33表征从总线节点。各个模块m0-m3可以具有串行通信接口(例如uart)，如在图1中所示，这些串行通信接口借助数据线路串行地连接成菊花链。uart数据帧的形状和内容在后面还要更详细阐述。
22.图2示出分布式bms的示例，该bms具有bmu和带有多个csc的两个或更多个菊花链。
在本示例中，具有csc 31-33(模块m1-m3)的第一菊花链并且具有csc 41-43(模块m1'-m3')的第二菊花链与bmu 20连接。两个菊花链和bmu 20之间的连接是间接的。包括bmu20的电子控制单元ecu还包括can收发器21，以便能够将bmu与can总线电缆l连接。csc 31-33的链经由第一can/uart转换器22与can总线电缆l连接，并且csc 41-43的链经由第二can/uart转换器23与can总线电缆l连接。与图1的系统相比，第一菊花链的模块m0(以及类似地，第二菊花链的模块m0')不包括bmu，而是包括所提及的can/uart转换器22和23。
23.利用图2所示的结构，可以将具有多个csc链的分布式bms与布置在中央ecu内的bmu耦合。通常通过或多或少复杂的软件来实现的“智能”插入bmu中。尽管如此，can/uart转换器22和23可以是要相对耗费成本地实施的模块，因为尤其是在汽车领域中对功能安全性提出了相对高的要求。因此，需要各种标准(尤其是iso26262)，并且在车辆电池中通常安全要求等级(安全完整性等级)asil-d是必需的。在图2中也示出用于分析can总线上的数据通信量的分析工具vt。这种分析工具(例如开头提到的向量工具)本身是已知的并且在开发过程中可以起到重要作用。
24.图3示出can/uart转换器的可能的实现方式的示例。这样的模块(参见图2，模块m0、m0')根据示出的示例包括can收发器220、作为协议处理器工作的微控制器221、在其中实施安全应用的另外的微控制器222(安全控制器)、以及用于连接菊花链的第一csc模块(参见图2，模块m1、m1')的uart收发器223。
25.can收发器220以及uart收发器223(根据相应的标准)基本上提供一般已知的osi模型(参见iso/iec 7498-1：1994)的层1(物理层)的功能。微控制器221、也就是协议处理器基本上提供osi模型的层2(数据链路层)的功能，也就是说也称为“can协议”并且涉及can消息格式的那些功能。微控制器222提供安全功能，安全功能对于满足asil-d的高要求是必要的。uart收发器223经由电流分离部与菊花链的第一csc连接，该电流分离部在图3中通过电容器来以符号表示。微控制器222基本上被构造成将所接收的can帧转换为uart帧，其中为了数据安全，必须关于在uart帧内包含的数据来计算crc值，因为该帧转换导致数据的改变。
26.协议处理器功能(微控制器221)和安全功能(微控制器222)的实现在技术上可能相对耗费成本。此外，图3中的can/uart转换器结构不支持用于分析数据通信量的功能，这些功能在开发过程中可能是有价值的辅助工具。这种分析功能由can协议支持并且以名称“矢量工具”公知。在此方面，vector informatik gmbh公司的软件工具实际上是工业标准并且也以名称canalyzer和canoe公知。借助分析工具vt(参见图2)可以如所述的那样“监听”can总线线路上的数据通信量，并且将该数据通信量配设给特定的发送器和接收器。
27.在下面描述的实施例的目的在于，简化并且更有效地设计can/uart转换的实施，并且(可选地)实现在电池管理系统中使用矢量工具或类似的分析工具。图4示出按照实施例的can/uart转换器。根据所示的示例，can/uart转换器包括仅一个can收发器220、相对简单的逻辑电路224、和uart收发器223。如在前一示例中，can收发器220和uart收发器223基本上提供osi模型的层1的功能。稍后还将更详细地讨论逻辑电路224的功能。逻辑电路224具有的任务是，将由can收发器接收的can消息的位流转换为uart帧，其中，包括在uart帧内的数据(包括crc值)已经完全地被包括在can消息内。也就是说，逻辑电路224实际上可以直接从can消息接收要在uart帧内打包的位，而不必执行复杂的位操作(也参见图7)。
28.在讨论真正的can/uart转换之前，借助图5简短地示出本身已知的can消息格式。can支持两种基本上在id字段的长度上不同的消息格式。在图5所示的标准格式(基本帧格式)中，id字段具有的长度为11位，而在扩展格式(扩展帧格式)中，长度为29位。can消息的位或位字段sof(帧起始)、rtr(远程传输请求)、ide(标识符扩展)、res(保留)、dlc(数据长度代码)、data(数据字段)、crc(循环冗余校验)、del(定界符)、ack(确认)和eof(帧结尾)本身是公知的并且在此不再进一步阐述。在标准格式中的11位长的id字段也被称为基本id。该基本id也以扩展格式存在，其中，其余18个位被称为扩展id。该id必须是唯一的并且识别该消息并且显示其优先级。如果两个总线节点试图发送具有相同id的消息，则将导致错误。
29.图6示例性地示出一组uart帧，如其可以用于与csc模块的通信的uart帧那样。根据图6，消息u(uart帧的组)包括6个帧f1-f6，其中，每个帧包括起始位、八个数据位和1个结束位。异步数据传输的特点在于，发送器在自身的控制线路上不向接收器传输自身的时钟信号。代替地，接收器在帧的长度(该长度对应于起始位和结束位的时间间隔)和所设定的比特率上同步。同步帧f1不包含有效数据，并且仅用于同步。id帧f2包括表示特定csc模块的标识符。在图3的示例中，存在六个模块m1、m2、m3、m1'、m2'和m3'，例如id 0001、0010、0011、0100、0101和0110可以配设给这些模块。
30.地址帧f3用于寻址配设给csc模块的单元。如所提及的，csc模块可以监控多个单个电池单元。数据帧f4和f5包括待发送的数据(16位字)，并且crc帧f6包括crc校验和。应当理解，图6所示的具有六帧f1-f6的消息仅是一个示例。根据实现方式，消息u也可以不同地结构化。与实现方式无关地，在任何情况下可以为每个csc模块配设唯一的id，并且为每个由csc模块监控的单元配设唯一的地址。
31.图7示出如何将由包括一组uart帧的消息u打包/嵌入到can消息中的方案，从而可以can/uart转换比较简单。根据通信方向，发生消息u在bmu中(消息从bmu到csc模块)或在can/uart转换器中(消息从csc模块到bmu)的嵌入。在消息u嵌入到can消息中时，可以省略诸如起始位和结束位(以及可能的奇偶校验位)之类的所有冗余数据。同样，同步帧f1无需被打包到can消息中，因为同步帧f1不包括信息。
32.包含在id帧f2中的标识符在can消息的基础id的子字段中被传输。例如，csc模块的标识符被写入具有最低有效位值的四位(最低有效位)中。地址帧f3、数据帧f4和f5、以及crc帧f6被写入can消息的数据字段data中，其中，包含在crc帧f6中的crc值可以例如关于帧f1-f5(或者备选地，f2-f5)的数据来计算。因为crc值在消息u的发送器中生成并且在can消息中一起传输至接收器，所以发生端到端保护。因此在can/uart转换器中不再需要特殊的安全功能。
33.为了能够实现借助标准化分析工具(向量工具，例如canalyzer、canoe等)对通信进行分析，基本id的剩余七个位被用于传输元数据。例如，电池单元的地址(地址帧f3的内容)以及关于所发送的数据的其他信息可以被存储在基本id中。例如，关于帧f4和f5中的数据(例如是温度值或电压值)的类型的信息也可以被存储。此外，基本id可以包括通信的方向(从bmu或到bmu)。例如，通信的方向可以通过基本id的具有最高位值的位(最高有效位，位10)来显示。其他信息例如可以借助查找表lut进行编码并且存储在具有位4-9的子字段中。如所提到的，基本id的位0-3表征相关csc模块的标识符。根据实施例，借助查找表编码的其他信息包括地址帧中所包含的地址。在这种情况下，地址帧的内容不一定需要在can数
据字段中传输(这将是冗余的)。
34.图8示意地示出利用来自uart帧的信息“填充”的can消息的基本id的示例。左侧是具有最高位值的位(msb，位10)。这显示通信的方向，其中，在所示的示例中，“0”显示该消息是从csc模块(总线从设备)向bmu(总线主设备)发送。相反，“1”显示该消息从bmu向csc模块发送。接下来的六位(位4-9)表征电池单元的地址并且必要时表征其他信息(元数据)，例如传输的数据的类型(温度、电压等)。如所述，具有最低位值的四位(位0-3)是csc模块的标识符。该标识符可以直接从id帧f1中提取(参见图6)。
35.图9示意地示出从can消息中重建uart帧。数据字段的内容(在本示例中是32位)可以直接分布在帧f3-f6上，并且补充有起始位和结束位。id帧f2的内容可以直接从can消息的基本id字段获得。同步帧f1可以简单地被补充，因为为此不需要来自can消息的信息。如所提及的那样，地址不必一定要在can数据字段中传输，而是信息也可以(必要时借助查找表lut进行编码)包含在id字段中。在这种情况下，也可以基于包括在can消息的id字段中的信息来重建包括在地址帧f3中的地址。
36.帧f1-f6(消息u)的接收器可以检查在crc帧中传输的crc值，并且因此确定是否给出了数据的完整性。crc值直接在发送器中生成并且在can/uart转换时没有被改变，并且(在crc帧f6中)被简单地传递给接收器。在can/uart转换器中不需要用于数据安全的其他功能。
37.在下面概括这里描述的实施例及其工作原理。图10是用于示出在csc模块(参见图2，csc模块m2、m3等)和bmu(参见图2，bmu 20)之间交换数据的此处所述方法的示例的流程图。根据图10，方法包括提供包括多个帧的数字消息u(参见图6)，其中多个帧包括id帧f2、地址帧f3、至少一个数据帧f4、f5、和校验和帧f6，该校验和帧包括基于包含在其它帧中的数据计算出的校验和值(参见图10，步骤s1)。该方法还包括生成can消息f(参见图7)，其中，将包含在地址帧f3、数据帧f4、f5、和校验和帧f6中的数据插入到can消息的数据字段中(参见图10，步骤s2a)，并且其中，包含在id帧中的标识符被插入到can消息的id字段中(参见图10，步骤s2b)。在上面已经参照图7和图8，阐述了从uart消息u生成can消息f。如所述，crc值与can消息f一起被传输，该事实使得能够对所传输的数据进行端到端保护。最后，can消息f经由can总线线路被发送(参见图10，步骤s3)。由接收器接收can消息f并且由此重建数字消息u(或者该数字消息中包含的数据/信息)(参见图10，步骤s4)。依据在can消息f中传输的crc值，可以检查原始消息u的完整性。
38.在图10中示出的数据传输在两个方向上是可能的，也就是从bmu 20向csc模块m1、m2、
…
、m1'、m2'等(下行链路方向)，以及从csc模块向bmu(上行链路方向)。在上行链路通信中，数字消息u由csc模块中的一个csc模块提供，即步骤s1由相应的csc模块执行。can消息f的生成(步骤s2a和s2b)以及can消息f的发送(步骤s3)由can/uart转换模块m0、m0'(参见图2)执行，进行发送的csc模块经由数据线路与该can/uart转换模块耦合。在bmu 20中进行can消息的接收和原始数字消息u的重建。
39.在下行链路通信中，数字消息u由bmu 20提供，即，由bmu执行步骤s1(包括计算crc值)。can消息f的生成(步骤s2a和s2b)以及can消息f的发送(步骤s3)也由bmu执行。所发送的can消息由can/uart转换模块m0、m0'中的一个can/uart转换模块(参见图2)接收(步骤s4)。can/uart转换模块m0、m0'可以依据can消息f的id字段识别该消息对于哪个csc模块是
确定的，并且至少在与相应的csc模块连接的那个can/uart转换模块中进行原始数字消息u的重建。
40.根据这里描述的示例，在下行链路通信的情况下，该方法包括借助串行数据传输经由数据线路将重建的数字消息u转发到由id帧中包括的标识符所确定的一个或多个csc模块。标识符也可以表征广播，也就是说，在这种情况下所有csc模块都被寻址。csc模块m1、m2、...、m1'、m2'等能够分别与多个电池单元耦合。包含在地址帧f3(参考图7)中的地址表示在至少一个数据帧f4、f5中包含的数据所涉及的特定电池单元。这些数据可以(尤其是在上行链路通信的情况下)例如表征电池单元的单元电压和/或单元温度。在下行链路通信的情况下，包含在(一个或多个)数据帧f4、f5中的数据可以表征例如控制命令、配置数据和/或类似物。
41.根据特定的实施例，所提及的基于数字消息u生成can消息f还包括对地址帧f3中所包含的地址进行编码，并且将编码的地址插入到can消息f的id字段中。该编码例如可以借助查找表来进行(参见图7，查找表lut)。此外，可以在can消息f的id字段中设置一个位，该位显示can消息是从电池监控单元(20)还是向电池监控单元(20)传输或者反向进行(见图8)。因此，该位(方向位)显示特定消息是上行链路通信还是下行链路通信。
42.另外的实施例涉及电池管理系统(bms)，该电池管理系统具有：电池监控单元(bmu)，该电池监控单元例如能够包含在车辆的ecu中；转换模块(参见图2、can/uart转换器m0)，该转换模块经由can总线线路与bmu连接；以及多个连接成菊花链的csc模块(参见图2，例如csc模块m1-m3)，它们借助数据线路与转换模块连接。转换模块和csc模块被构造成：借助异步串行数据传输经由数据线路交换数字消息u，其中，数字消息分别包括多个帧(参见图6)，所述多个帧分别包括id帧、地址帧、一个或多个数据帧、和校验和帧(crc帧)。校验和帧包括基于包含在其它帧中的数据计算出的校验和值(这实现数据的所提到的端到端保护)。转换模块被构造成：(针对上行链路通信)基于从crc模块中的一个crc模块接收的数字消息u来生成相应的can消息f，其中，包含在地址帧、(一个或多个)数据帧、和校验和帧中的数据被插入到can消息f的数据字段中，并且其中，包含在id帧中的标识符被插入到can消息的id字段中。can消息的id字段和数据字段如上文详细阐述的那样被标准化。紧接着，转换模块可以经由can总线线路将can消息发送到bmu。bmu被构造成从转换模块接收can消息f并且重建包含在生成can消息的数字消息u中的信息。
43.can/uart转换可以例如由包含在转换模块m0中的逻辑电路来实现。该逻辑电路例如可以包括有限自动机(也称为有限状态机，fsm)。此外，逻辑电路可以包括硬连线或一次性可编程的逻辑以及被构造成执行软件指令并且由此提供必要功能的处理器。应当理解，本领域技术人员已知实现本文描述的实施例的功能的各种实际上等同的可选方案。