一種分布式電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

蓄電池技術(shù)是下一代汽車--電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一。蓄電池是復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)電池管理技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究，取得了許多成果。一般認(rèn)為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集(包括溫度、電壓、電流等);電池荷電狀態(tài)(State of charge,SOC)的準(zhǔn)確估計(jì);不健康電池的早期診斷;對(duì)電池組安全運(yùn)行全面監(jiān)控，如防止電池的過(guò)充電和過(guò)放電等等。由于電動(dòng)汽車蓄電池組通常是由幾十個(gè)(上百個(gè))單體電池組成，所以，每一個(gè)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(shí)踐表明，在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，如不及時(shí)檢測(cè)，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個(gè)電池組的高效安全運(yùn)行。電池工作狀態(tài)的檢測(cè)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(jì)算)都是建立在電池工作狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)之上的。

分布式結(jié)構(gòu)的管理系統(tǒng)

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(wú)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?？煽啃裕紤]采用和發(fā)展了高性能CAN現(xiàn)場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

本分布系統(tǒng)是以CPU80C552為公用模塊平臺(tái)來(lái)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(lái)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(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)單電池電壓、總電壓、充放電電流、溫度的采集和測(cè)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(cè)量主板，再加上4塊基本板，共計(jì)13塊板。

圖1電池管理系總體結(jié)構(gòu)圖

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(cè)量單電池的電壓，通過(guò)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(cè)量采用單總線技術(shù)，使用Dallas數(shù)字芯片來(lái)測(cè)量溫度，該芯片具有12位的精度等級(jí)，能非常準(zhǔn)確地測(cè)量到系統(tǒng)的溫度?？傠妷?、電流信號(hào)通過(guò)特殊的傳感器將其信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10V的信號(hào)，通過(guò)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(guò)CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;同時(shí)系統(tǒng)提供RS232接口，能夠?qū)崿F(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。

圖2模塊結(jié)構(gòu)框圖

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(guò)對(duì)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。

圖3電池電量估算框圖

CAN總線系統(tǒng)

1CAN簡(jiǎn)介

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO118?8)。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線特點(diǎn)

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

完成對(duì)通信數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2或2個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信

CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。

2CAN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?shù)姆€(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(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接受能力。