一種分布式電池管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

蓄電池技術是下一代汽車--電動汽車的核心技術之一。蓄電池是復雜的電化學系統(tǒng)，國內外對電池管理技術都進行了大量的研究，取得了許多成果。一般認為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數采集(包括溫度、電壓、電流等);電池荷電狀態(tài)(State of charge,SOC)的準確估計;不健康電池的早期診斷;對電池組安全運行全面監(jiān)控，如防止電池的過充電和過放電等等。由于電動汽車蓄電池組通常是由幾十個(上百個)單體電池組成，所以，每一個單體電池的工作狀態(tài)正常與否不僅反映電池組性能的好壞，而且影響電池組的容量及剩余能量。實踐表明，在電動汽車運行過程中，如不及時檢測，找出老化電池給予調整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個電池組的高效安全運行。電池工作狀態(tài)的檢測由電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)完成，而電池管理系統(tǒng)的其他功能(包括剩余能量的計算)都是建立在電池工作狀態(tài)檢測的基礎之上的。

分布式結構的管理系統(tǒng)

1系統(tǒng)結構

系統(tǒng)要實現(xiàn)不同類型的多種功能，集中的或中央處理方式無法滿足安全性要求，自然要采用分布式結構;系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，常處于強電磁干擾及脈沖電流的干擾下，為了確保可靠性，考慮采用和發(fā)展了高性能CAN現(xiàn)場總線作為通訊系統(tǒng);而且CAN總線在汽車上已使用很久，具有很強的抗干擾性，同時該技術比較成熟，已成為汽車使用通訊的標準。因此，在系統(tǒng)的內部通訊以及跟外部通訊都采用CAN總線來實現(xiàn)。

本分布系統(tǒng)是以CPU80C552為公用模塊平臺來設計的，由于CPU存儲空間及運算的有限性，必須采用多CPU來分別實現(xiàn)管理系統(tǒng)所需的各種功能。完成的基本系統(tǒng)由四個模塊并行組成：數據采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示;各個模塊分別實現(xiàn)其功能，通過CAN總線進行數據通訊，能夠實現(xiàn)單電池電壓、總電壓、充放電電流、溫度的采集和測量，電量估算。同時，系統(tǒng)還具有很強的擴展性，可以進行具體的電池診斷和電池安全性能保護等功能的研究和開發(fā)。在鋰電池的管理系統(tǒng)中，108只電池采用9塊測量主板，再加上4塊基本板，共計13塊板。

圖1電池管理系總體結構圖

2管理系統(tǒng)主模塊的設計

系統(tǒng)的主要功能包括數據采集、電量估計及顯示診斷等。由于80C552具有8路10位A/D轉換的功能，因此，采集模塊先采用線性光耦法測量單電池的電壓，通過其4個A/D口將模擬量轉換為數字量存入存儲器，溫度測量采用單總線技術，使用Dallas數字芯片來測量溫度，該芯片具有12位的精度等級，能非常準確地測量到系統(tǒng)的溫度?？傠妷?、電流信號通過特殊的傳感器將其信號轉換為0~10V的信號，通過14位的A/D轉換器件轉換為數字量存入系統(tǒng)。

通訊及顯示模塊提供了雙CAN通訊接口，能夠與系統(tǒng)內各個模塊及外部整車系統(tǒng)通過CAN進行數據傳輸;同時系統(tǒng)提供RS232接口，能夠實現(xiàn)與PC機通訊;模塊還提供5口寸半液晶顯示驅動功能，和按鍵進行人機友好操作;模塊還設有電壓、電量、電流及溫度的上下限報警及自檢功能，保證系統(tǒng)的安全性。

各個系統(tǒng)模塊的基本結構框圖如圖2所示。

圖2模塊結構框圖

3電量估算

電量估算采用實時電流積分的安時法進行基本估算，然后通過對影響電池電量的溫度、自放電及老化等各種參數進行修正，并考慮單塊電池間的不一致性，從而得到精確的電池組電量。

圖3電池電量估算框圖

CAN總線系統(tǒng)

1CAN簡介

CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標準(ISO118?8)。是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線特點

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS.

完成對通信數據的成幀處理

CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

使網絡內的節(jié)點個數在理論上不受限制

CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網絡內的節(jié)點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義2或2個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數據段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信

CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

結構簡單

只有2根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

2CAN總線設計

CAN總線總體結構如圖4所示，在總線的兩端配置了兩個120Ω的電阻，其作用是總線匹配阻抗，可以增加總線傳輸的穩(wěn)定性和抗干擾能力，減少數據傳輸中的出錯率。CAN總線節(jié)點結構一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機相連，實現(xiàn)上位機與CAN總線的通訊;另一類則是由單片機、CAN控制器及CAN驅動器構成，作為一類節(jié)點與CAN總線進行數據傳輸。在本系統(tǒng)中，CAN控制器采用Philips公司生產的SJA1000和82C200,它作為一個發(fā)送、接受緩沖器，實現(xiàn)主控制器和總線之間的數據傳輸;CAN收發(fā)器采用PCA82C250芯片，它是CAN控制器和物理總線的接口，主要可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力。[!--empirenews.page--]

圖4CAN總線系統(tǒng)結構圖

CAN總線的軟件設計

CAN總線的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。其中物理層和數據鏈路層的功能由SJA1000完成，系統(tǒng)的開發(fā)主要在應用層軟件的設計上，它主要由三個子程序：初始化子程序、發(fā)送數據和接收數據程序。同時，還包括一些數據溢出中斷以及幀出錯的處理。

SJA1000在上電硬件復位之后，必須對其進行軟件初始化之后才可以進行數據通訊，初始化過程主要包括對其復位模式下配置時鐘分頻寄存器CDR、總線定時寄存器BTR0和BTR1、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR及輸出控制寄存器OCR等，實現(xiàn)對總線的速率、驗收屏蔽碼、輸出引腳驅動方式、總線模式及時鐘分頻進行定義。具體的流程如圖5所示。下面為SJA1000發(fā)送和接收數據的流程，基本過程為主控制器將數據保存到SJA1000發(fā)送緩沖器，然后對命令寄存器的發(fā)送請求TR標志位進行置位開始發(fā)送;接收過程為SJA1000將從總線上接收到的數據存入接收緩沖器，通過其中斷標志位通知主控制器來處理接收到的信息，接收完畢之后清空緩沖器，等待下次接收，具體的流程如圖6和圖7所示。

圖5CAN總線初始化

圖6CAN的發(fā)送數據流程

圖7CAN接收數據的流程

例如：電池管理系統(tǒng)向整車系統(tǒng)發(fā)送總電壓的格式，見表1所列。

表1BCU_VCU_VOLTAGE(0x08)向VCU送回電池組當前的電壓

其中，ID為接收節(jié)點總線的地址，電壓值先乘10取整再發(fā)送，0x08表示發(fā)送幀的內容為電池組的電壓。

CAN總線應用問題

在硬件方面必須考慮合理的供電，注意對各個CAN器件的電源、地之間的濾波，以及復位電路的設計;同時在實際進行印刷電路板的設計時，合理布線，要加強地線，增強系統(tǒng)的抗干擾性。

在軟件設計時，CAN總線定時器的設置非常關鍵，BTR0決定傳播時間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2;BTR1決定同步跳轉寬度和分頻值。在位定時寄存器中，TSEG1,TSEG2,SJW和BRP設定的值要比其功能值小1,因此設定范圍是[0……N-1]而不是[1……N].所以位時間可以由[TSEG1+TSEG2+3]tq或者[同步段+傳播段+相位緩沖段1+相位緩沖段2]tq得到，其中，tq由系統(tǒng)時鐘tSCL和波特率預分頻值BRP決定：tq=BRP/tSCL.

同時，還要注意由于不同節(jié)點的CAN系統(tǒng)時鐘是由不同振蕩器提供的，每個節(jié)點的實際CAN系統(tǒng)時鐘頻率與實際位時有一容差，環(huán)境溫度的變化和振蕩器老化影響起始容差，為確保準確地進行數據傳輸，必須保證每個節(jié)點對CAN系統(tǒng)時鐘頻率都在特定的頻率容差限值以內，因此，在選擇振蕩器時要以對振蕩器容差范圍要求最高的節(jié)點為準。而且，在一個可以擴展的總線結構中，最大節(jié)點延遲和總線最大長度必須考慮，一般情況下，延遲為5.5ns/m.

在實際運行中，經常會遇到CAN總線不通或者總線突然關閉現(xiàn)象，其主要原因是由于在數據傳輸過程中出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，從而引起出錯，當錯誤計數器達到一定時會自動關閉總線，因此，必須在軟件設計的過程中，及時對其錯誤狀態(tài)ES位進行判別，在出現(xiàn)錯誤時需對SJA1000進行軟件復位，恢復通訊。

在"863重大專項"電動汽車的電池管理模塊的研制中，就是采用CAN總線通訊的分布式結構。通過對鎳氫電池組、鋰電池組的臺架試驗結果表明了系統(tǒng)結構的先進性，實現(xiàn)了各模塊的獨自功能，工作正?？煽?，鋰電池組系統(tǒng)的CAN總線的節(jié)點數增加到12,在強電磁干擾下，仍能正常工作，而且線路連接十分簡單、實用。

兩種電池組的參數、測量方法、電池個數、安全要求都不相同，分組也不一樣，但系統(tǒng)均能有效地適應，反映出其具有良好的適應性和較大的靈活性。