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?yàn)檫@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)。
2.1 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CPU80C552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?qū)崿F(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。
圖1 電池管理系總體結(jié)構(gòu)圖
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、電流信號通過特殊的傳感器將其信號轉(zhuǎn)換為0～10V的信號，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?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
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。
圖3 電池電量估算框圖
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8bite，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?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。
圖4 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
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。
圖 5 CAN總線初始化
圖 6 CAN的發(fā)送數(shù)據(jù)流程
圖 7 CAN接收數(shù)據(jù)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1 BCU_VCU_VOLTAGE(0x08)向VCU送回電池組當(dāng)前的電壓
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。