基于CAN總線的分布式電池管理系統(tǒng)

摘要：主要探討了汽車和電動汽車數(shù)字化技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場通訊的相關(guān)問題。以蓄電池能源系統(tǒng)為應(yīng)用背景，研究和設(shè)計(jì)出采用雙CAN總線作為內(nèi)外通訊方式及具有多模塊分布式結(jié)構(gòu)的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為若干模塊，分別實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的功能，包括數(shù)據(jù)采集、測量多路電壓、電流和溫度、進(jìn)行電量估算和通訊管理以及大液晶屏的顯示。

為滿足系統(tǒng)發(fā)展所需要的高性能、安全性和可擴(kuò)展的要求，提出雙CAN總線通訊、分布處理的管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)思想。重點(diǎn)介紹了CAN總線設(shè)計(jì)、電路和應(yīng)用的技術(shù)問題。關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；CAN總線；分布結(jié)構(gòu)；電動汽車

Distributed Battery Management System Basedon CAN Bus

LIAN Zi-feng,ZHENG Hang-bo,QI Guo-guang

Abstract:The digital technology of vehicle and electronic vehicle (EV), with the emphasis on the structure of the system controlled by computer and something about the communication are mainly discussed.The management system which has been studied and designed uses double CAN(Controller Area Network) bus as its interior and exterior communication method. The system adopts distributed structure and consists of several modules, each of which realizes its special function, such as data collection, the measure of multi loop voltage,current and temperature, the computing of the SOC(State of Charge), the management of communication and liquid crystal display.

In order to fulfill the need of high performance, security and extend for the system,some ideas, including communication with double CAN bus and distributed process are putted forward. The CAN bus design,the circuit and the technological problem in the application of CAN bus are also discussed.

Keywords:Battery management system (BMS); CAN bus; Distributed structure； EV

1 前言

隨著高科技及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，大存儲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)——電動汽車及混合動力車的研究及產(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?？梢园呀o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CPU80C552為公用模塊平臺來設(shè)計(jì)的，由于CPU存儲空間及運(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?？傠妷?、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