基于CAN總線的分布式電池管理系統(tǒng)

1 前 言
    隨 著 高 科 技 及 其 產(chǎn) 業(yè) 的 迅 速 發(fā) 展 ， 大 存 儲(chǔ) 容 量 的 電 池 組 能 源 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 越 來 越 被 人 們 所 重 視 ， 在 很 多 領(lǐng) 域 中 都 得 到 廣 泛 地 應(yīng) 用 ， 如 在 汽 車 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 的 新 方 向 、 新 熱 點(diǎn) — — 電 動(dòng) 汽 車 及 混 合 動(dòng) 力 車 的 研 究 及 產(chǎn) 業(yè) 化 中 ， 將 作 為 車 載 能 源 的 主 要 供 給 者 。
    蓄 電 池 組 是 由 一 定 數(shù) 量 的 單 體 電 池 串 聯(lián) 組 成 的 ， 它 可 以 進(jìn) 行 百 次 至 千 次 的 充 放 電 ； 在 使 用 中 必 須 注 意 其 各 個(gè) 單 體 電 池 的 各 種 特 性 、 電 池 溫 度 、 電 池 的 剩 余 電 量 及 總 電 流 等 參 數(shù) ， 因 為 這 些 參 數(shù) 直 接 影 響 電 池 的 使 用 壽 命 ， 必 須 做 到 優(yōu) 化 運(yùn) 行 和 有 效 監(jiān) 控 ， 防 止 電 池 出 現(xiàn) 過 充 、 過 放 及 溫 度 過 高 等 問 題 ， 從 而 延 長 電 池 的 使 用 壽 命 和 降 低 成 本 ， 特 別 是 提 高 電 池 的 可 靠 性 。 可 以 把 給 電 池 組 配 套 的 電 子 、 控 制 及 數(shù) 字 技 術(shù) 稱 為 數(shù) 字 “ 電 池 電 子 技 術(shù) ” 。 同 樣 在 汽 車 的 電 子 、 數(shù) 字 技 術(shù) 中 ， 已 經(jīng) 使 用 多 個(gè) CPU完 成 各 種 參 數(shù) 、 功 能 的 控 制 問 題 ， 考 慮 汽 車 的 安 全 性 ， 運(yùn) 行 必 須 十 分 可 靠 ， 于 是 發(fā) 展 了 并 聯(lián) 的 獨(dú) 立 多 個(gè) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) ， 再 由 現(xiàn) 場 總 線 聯(lián) 接 ， 組 成 統(tǒng) 一 的 大 系 統(tǒng) 。
2 分 布 式 結(jié) 構(gòu) 的 管 理 系 統(tǒng)
2.1 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)
    系 統(tǒng) 要 實(shí) 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(jié) 構(gòu) ； 系 統(tǒng) 的 工 作 環(huán) 境 惡 劣 ， 常 處 于 強(qiáng) 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(qiáng) 的 抗 干 擾 性 ， 同 時(shí) 該 技 術(shù) 比 較 成 熟 ， 已 成 為 汽 車 使 用 通 訊 的 標(biāo) 準(zhǔn) 。 因 此 ， 在 系 統(tǒng) 的 內(nèi) 部 通 訊 以 及 跟 外 部 通 訊 都 采 用 CAN總 線 來 實(shí) 現(xiàn) 。
    本 分 布 系 統(tǒng) 是 以 CPU 80C552為 公 用 模 塊 平 臺(tái) 來 設(shè) 計(jì) 的 ， 由 于 CPU存 儲(chǔ) 空 間 及 運(yùn) 算 的 有 限 性 ， 必 須 采 用 多 CPU來 分 別 實(shí) 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(gè) 模 塊 并 行 組 成 ： 數(shù) 據(jù) 采 集 、 均 衡 充 電 、 電 量 估 計(jì) 及 通 訊 顯 示 ； 各 個(gè) 模 塊 分 別 實(shí) 現(xiàn) 其 功 能 ， 通 過 CAN總 線 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 通 訊 ， 能 夠 實(shí) 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(shí) ， 系 統(tǒng) 還 具 有 很 強(qiáng) 的 擴(kuò) 展 性 ， 可 以 進(jìn) 行 具 體 的 電 池 診 斷 和 電 池 安 全 性 能 保 護(hù) 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(jì) 13塊 板 。

2.2 管 理 系 統(tǒng) 主 模 塊 的 設(shè) 計(jì)
    系 統(tǒng) 的 主 要 功 能 包 括 數(shù) 據(jù) 采 集 、 電 量 估 計(jì) 及 顯 示 診 斷 等 。 由 于 80C552具 有 8路 10位 A/D轉(zhuǎn) 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(gè) A/D口 將 模 擬 量 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字 量 存 入 存 儲(chǔ) 器 ， 溫 度 測 量 采 用 單 總 線 技 術(shù) ， 使 用 Dallas 數(shù) 字 芯 片 來 測 量 溫 度 ， 該 芯 片 具 有 12位 的 精 度 等 級 ， 能 非 常 準(zhǔn) 確 地 測 量 到 系 統(tǒng) 的 溫 度 。 總 電 壓 、 電 流 信 號(hào) 通 過 特 殊 的 傳 感 器 將 其 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 0～ 10V的 信 號(hào) ， 通 過 14位 的 A/D轉(zhuǎn) 換 器 件 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 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(nèi) 各 個(gè) 模 塊 及 外 部 整 車 系 統(tǒng) 通 過 CAN進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 ； 同 時(shí) 系 統(tǒng) 提 供 RS232接 口 ， 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 與 PC機(jī) 通 訊 ； 模 塊 還 提 供 5口 寸 半 液 晶 顯 示 驅(qū) 動(dòng) 功 能 ， 和 按 鍵 進(jìn) 行 人 機(jī) 友 好 操 作 ； 模 塊 還 設(shè) 有 電 壓 、 電 量 、 電 流 及 溫 度 的 上 下 限 報(bào) 警 及 自 檢 功 能 ， 保 證 系 統(tǒng) 的 安 全 性 。
    各 個(gè) 系 統(tǒng) 模 塊 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 框 圖 如 圖 2所 示 。

2.3 電 量 估 算
    電 量 估 算 采 用 實(shí) 時(shí) 電 流 積 分 的 安 時(shí) 法 進(jìn) 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(shù) 進(jìn) 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 。

3 CAN總 線 系 統(tǒng)
3.1 CAN簡 介
    CAN總 線 是 現(xiàn) 場 總 線 的 一 種 ,是 德 國 Bosch公 司 在 1986年 為 解 決 現(xiàn) 代 汽 車 中 眾 多 的 控 制 與 測 試 儀 器 之 間 的 數(shù) 據(jù) 交 換 而 開 發(fā) 的 一 種 串 行 高 速 數(shù) 據(jù) 通 信 總 線 。 它 采 用 了 ISO/OSI模 型 的 七 層 結(jié) 構(gòu) 中 的 物 理 層 和 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 ,具 有 較 高 的 可 靠 性 、 實(shí) 時(shí) 性 和 靈 活 性 。
    CAN總 線 具 有 以 下 獨(dú) 特 的 優(yōu) 點(diǎn) ：
    1） CAN能 以 多 主 方 式 工 作 ， 網(wǎng) 絡(luò) 上 任 意 一 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 均 可 以 在 任 意 時(shí) 刻 向 網(wǎng) 絡(luò) 上 其 他 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送 信 息 ， 而 不 分 主 從 ， 通 信 方 式 靈 活 ；
    2） CAN可 以 實(shí) 現(xiàn) 點(diǎn) 對 點(diǎn) 、 一 點(diǎn) 對 多 點(diǎn) 及 全 局 廣 播 等 方 式 傳 送 和 接 受 數(shù) 據(jù) ， 通 信 介 質(zhì) 采 用 雙 絞 線 、 同 軸 電 纜 或 光 纖 ， 選 擇 靈 活 ， 通 信 距 離 最 遠(yuǎn) 可 達(dá) 10km/5kb/s， 通 信 速 率 最 高 可 達(dá) 1Mb/s/40m。 CAN上 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) 取 決 于 總 線 驅(qū) 動(dòng) 電 路 ， 實(shí) 際 可 達(dá) 110個(gè) ；
    3） CAN節(jié) 點(diǎn) 在 錯(cuò) 誤 嚴(yán) 重 的 情 況 下 ， 具 有 自 動(dòng) 關(guān) 閉 輸 出 的 功 能 ， 切 斷 它 與 總 線 的 聯(lián) 系 ， 以 使 總 線 上 其 它 操 作 不 受 影 響 。 采 用 NRZ編 碼 /解 碼 方 式 ， 并 采 用 位 填 充 技 術(shù) 。 用 戶 接 口 簡 單 ,編 程 方 便 ,很 容 易 構(gòu) 成 用戶 系 統(tǒng) ；
    4） CAN采 用 非 破 壞 性 仲 裁 技 術(shù) ， 當(dāng) 兩 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 同 時(shí) 向 網(wǎng) 絡(luò) 上 傳 送 信 息 時(shí) ， 優(yōu) 先 級 低 的 節(jié) 點(diǎn) 主 動(dòng) 停 止 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 ， 而 優(yōu) 先 級 高 的 節(jié) 點(diǎn) 可 不 受 影 響 地 繼 續(xù) 傳 輸 數(shù) 據(jù) ,有 效 避 免 了 總 線 沖 突 。
    5） CAN采 用 短 幀 結(jié) 構(gòu) ， 每 一 幀 為 8 bite， 傳 輸 時(shí) 間 短 ， 受 干 擾 的 概 率 低 ， 每 幀 信 息 都 有 CRC校 驗(yàn) 及 其 它 檢 錯(cuò) 措 施 ， 保 證 了 數(shù) 據(jù) 的 出 錯(cuò) 率 極 低 。
3.2 CAN總 線 設(shè) 計(jì)
    CAN總 線 總 體 結(jié) 構(gòu) 如 圖 4所 示 ， 在 總 線 的 兩 端 配 置 了 兩 個(gè) 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(shù) 據(jù) 傳 輸 中 的 出 錯(cuò) 率 。 CAN總 線 節(jié) 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 一 般 分 為 兩 類 ： 一 類 采 用 CAN適 配 卡 與 PC機(jī) 相 連 ， 實(shí) 現(xiàn) 上 位 機(jī) 與 CAN總 線 的 通 訊 ； 另 一 類 則 是 由 單 片 機(jī) 、 CAN控 制 器 及 CAN驅(qū) 動(dòng) 器 構(gòu) 成 ， 作 為 一 類 節(jié) 點(diǎn) 與 CAN總 線 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 。 在 本 系 統(tǒng) 中 ， CAN 控 制 器 采 用 Philips公 司 生 產(chǎn) 的 SJA1000和 82C200， 它 作 為 一 個(gè) 發(fā) 送 、 接 受 緩 沖 器 ， 實(shí) 現(xiàn) 主 控 制 器 和 總 線 之 間 的 數(shù) 據(jù) 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(dòng) 發(fā) 送 能 力 和 對 CAN控 制 器 的 差 動(dòng) 接 受 能 力 。

4 CAN總 線 的 軟 件 設(shè) 計(jì)
    CAN總 線 的 三 層 結(jié) 構(gòu) 模 型 為 ： 物 理 層 、 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 和 應(yīng) 用 層 。 其 中 物 理 層 和 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 的 功 能 由 SJA1000完 成 ， 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 主 要 在 應(yīng) 用 層 軟 件 的 設(shè) 計(jì) 上 ， 它 主 要 由 三 個(gè) 子 程 序 ： 初 始 化 子 程 序 、 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 和 接 收 數(shù) 據(jù) 程 序 。 同 時(shí) ， 還 包 括 一 些 數(shù) 據(jù) 溢 出 中 斷 以 及 幀 出 錯(cuò) 的 處 理 。
    SJA1000在 上 電 硬 件 復(fù) 位 之 后 ， 必 須 對 其 進(jìn) 行 軟 件 初 始 化 之 后 才 可 以 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 通 訊 ， 初 始 化 過 程 主 要 包 括 對 其 復(fù) 位 模 式 下 配 置 時(shí) 鐘 分 頻 寄 存 器 CDR、 總 線 定 時(shí) 寄 存 器 BTR0和 BTR1、 驗(yàn) 收 代 碼 寄 存 器 ACR、 驗(yàn) 收 屏 蔽 寄 存 器 AMR及 輸 出 控 制 寄 存 器 OCR等 ， 實(shí) 現(xiàn) 對 總 線 的 速 率 、 驗(yàn) 收 屏 蔽 碼 、 輸 出 引 腳 驅(qū) 動(dòng) 方 式 、 總 線 模 式 及 時(shí) 鐘 分 頻 進(jìn) 行 定 義 。 具 體 的 流 程 如 圖 5所 示 。 

    下 面 為 SJA1000發(fā) 送 和 接 收 數(shù) 據(jù) 的 流 程 ， 基 本 過 程 為 主 控 制 器 將 數(shù) 據(jù) 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(biāo) 志 位 進(jìn) 行 置 位 開 始 發(fā) 送 ； 接 收 過 程 為 SJA1000將 從 總 線 上 接 收 到 的 數(shù) 據(jù) 存 入 接 收 緩 沖 器 ， 通 過 其 中 斷 標(biāo) 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 。

    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 。

    其 中 ， ID為 接 收 節(jié) 點(diǎn) 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(nèi) 容 為 電 池 組 的 電 壓 。
5 CAN總 線 應(yīng) 用 問 題
    在 硬 件 方 面 必 須 考 慮 合 理 的 供 電 ， 注 意 對 各 個(gè) CAN器 件 的 電 源 、 地 之 間 的 濾 波 ， 以 及 復(fù) 位 電 路 的 設(shè) 計(jì) ； 同 時(shí) 在 實(shí) 際 進(jìn) 行 印 刷 電 路 板 的 設(shè) 計(jì) 時(shí) ， 合 理 布 線 ， 要 加 強(qiáng) 地 線 ， 增 強(qiáng) 系 統(tǒng) 的 抗 干 擾 性 。
    在 軟 件 設(shè) 計(jì) 時(shí) ， CAN總 線 定 時(shí) 器 的 設(shè) 置 非 常 關(guān) 鍵 ， BTR0決 定 傳 播 時(shí) 間 段 、 相 位 緩 沖 段 1和 相 位 緩 沖 段 2； BTR1決 定 同 步 跳 轉(zhuǎn) 寬 度 和 分 頻 值 。 在 位 定 時(shí) 寄 存 器 中 ， TSEG1， TSEG2， SJW和 BRP設(shè) 定 的 值 要 比 其 功 能 值 小 1， 因 此 設(shè) 定 范 圍 是 [0.....N－ 1]而 不 是 [1.....N]。 所 以 位 時(shí) 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(shí) 鐘 tSCL和 波 特 率 預(yù) 分 頻 值 BRP決 定 ： tq=BRP/tSCL。 同 時(shí) ， 還 要 注 意 由 于 不 同 節(jié) 點(diǎn) 的 CAN系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 是 由 不 同 振 蕩 器 提 供 的 ， 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 的 實(shí) 際 CAN系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 頻 率 與 實(shí) 際 位 時(shí) 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(zhǔn) 確 地 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 ， 必 須 保 證 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 對 CAN系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 頻 率 都 在 特 定 的 頻 率 容 差 限 值 以 內(nèi) ， 因 此 ， 在 選 擇 振 蕩 器 時(shí) 要 以 對 振 蕩 器 容 差 范 圍 要 求 最 高 的 節(jié) 點(diǎn) 為 準(zhǔn) 。 而 且 ， 在 一 個(gè) 可 以 擴(kuò) 展 的 總 線 結(jié) 構(gòu) 中 ， 最 大 節(jié) 點(diǎn) 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(shí) 際 運(yùn) 行 中 ， 經(jīng) 常 會(huì) 遇 到 CAN總 線 不 通 或 者 總 線 突 然 關(guān) 閉 現(xiàn) 象 ， 其 主 要 原 因 是 由 于 在 數(shù) 據(jù) 傳 輸 過 程 中 出 現(xiàn) 丟 幀 現(xiàn) 象 ， 從 而 引 起 出 錯(cuò) ， 當(dāng) 錯(cuò) 誤 計(jì) 數(shù) 器 達(dá) 到 一 定 時(shí) 會(huì) 自 動(dòng) 關(guān) 閉 總 線 ， 因 此 ， 必 須 在 軟 件 設(shè) 計(jì) 的 過 程 中 ， 及 時(shí) 對 其 錯(cuò) 誤 狀 態(tài) ES位 進(jìn) 行 判 別 ， 在 出 現(xiàn) 錯(cuò) 誤 時(shí) 需 對 SJA1000進(jìn) 行 軟 件 復(fù) 位 ， 恢 復(fù) 通 訊 。
6 結(jié) 語
    在 “ 863重 大 專 項(xiàng) ” 電 動(dòng) 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(jié) 構(gòu) 。 通 過 對 鎳 氫 電 池 組 、 鋰 電 池 組 的 臺(tái) 架 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 了 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 先 進(jìn) 性 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 各 模 塊 的 獨(dú) 自 功 能 ， 工 作 正 常 可 靠 ， 鋰 電 池 組 系 統(tǒng) 的 CAN總 線 的 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) 增 加 到 12， 在 強(qiáng) 電 磁 干 擾 下 ， 仍 能 正 常 工 作 ， 而 且 線 路 連 接 十 分 簡 單 、 實(shí) 用 。
    兩 種 電 池 組 的 參 數(shù) 、 測 量 方 法 、 電 池 個(gè) 數(shù) 、 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(yīng) ， 反 映 出 其 具 有 良 好 的 適 應(yīng) 性 和 較 大 的 靈 活 性 。