一種分布式電池管理系統的設計和實(shí)現

蓄電池技術(shù)是下一代汽車(chē)--電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)之一。蓄電池是復雜的電化學(xué)系統，國內外對電池管理技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究，取得了許多成果。一般認為電池管理系統主要有如下功能：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(chē)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(chē)運行過(guò)程中，如不及時(shí)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(gè)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(Battery Management System,BMS)完成，而電池管理系統的其他功能(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

1系統結構

系統要實(shí)現不同類(lèi)型的多種功能，集中的或中央處理方式無(wú)法滿(mǎn)足安全性要求，自然要采用分布式結構;系統的工作環(huán)境惡劣，常處于強電磁干擾及脈沖電流的干擾下，為了確?？煽啃?，考慮采用和發(fā)展了高性能CAN現場(chǎng)總線(xiàn)作為通訊系統;而且CAN總線(xiàn)在汽車(chē)上已使用很久，具有很強的抗干擾性，同時(shí)該技術(shù)比較成熟，已成為汽車(chē)使用通訊的標準。因此，在系統的內部通訊以及跟外部通訊都采用CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現。

本分布系統是以CPU80C552為公用模塊平臺來(lái)設計的，由于CPU存儲空間及運算的有限性，必須采用多CPU來(lái)分別實(shí)現管理系統所需的各種功能。完成的基本系統由四個(gè)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(gè)模塊分別實(shí)現其功能，通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據通訊，能夠實(shí)現單電池電壓、總電壓、充放電電流、溫度的采集和測量，電量估算。同時(shí)，系統還具有很強的擴展性，可以進(jìn)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(kāi)發(fā)。在鋰電池的管理系統中，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管理系統主模塊的設計

系統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(xiàn)性光耦法測量單電池的電壓，通過(guò)其4個(gè)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(xiàn)技術(shù)，使用Dallas數字芯片來(lái)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的溫度?？傠妷?、電流信號通過(guò)特殊的傳感器將其信號轉換為0~10V的信號，通過(guò)14位的A/D轉換器件轉換為數字量存入系統。

通訊及顯示模塊提供了雙CAN通訊接口，能夠與系統內各個(gè)模塊及外部整車(chē)系統通過(guò)CAN進(jìn)行數據傳輸;同時(shí)系統提供RS232接口，能夠實(shí)現與PC機通訊;模塊還提供5口寸半液晶顯示驅動(dòng)功能，和按鍵進(jìn)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，保證系統的安全性。

各個(gè)系統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(shí)時(shí)電流積分的安時(shí)法進(jìn)行基本估算，然后通過(guò)對影響電池電量的溫度、自放電及老化等各種參數進(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(xiàn)系統

1CAN簡(jiǎn)介

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network, CAN)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)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場(chǎng)總線(xiàn)之一。 在北美和西歐，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計算機控制系統和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線(xiàn)，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機械車(chē)輛設計的J1939協(xié)議。近年來(lái)，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(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線(xiàn)特點(diǎn)

CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)OSCH公司從80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、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(xiàn)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(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)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(jìn)制數組成，因此可以定義2或2個(gè)不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這一點(diǎn)在分布式控制系統中非常有用。數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)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(guò)程監控設備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信

CAN總線(xiàn)采用了多主競爭式總線(xiàn)結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線(xiàn)以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)上任意節點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信。CAN總線(xiàn)協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性?xún)r(jià)比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線(xiàn)插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

結構簡(jiǎn)單

只有2根線(xiàn)與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

2CAN總線(xiàn)設計

CAN總線(xiàn)總體結構如圖4所示，在總線(xiàn)的兩端配置了兩個(gè)120Ω的電阻，其作用是總線(xiàn)匹配阻抗，可以增加總線(xiàn)傳輸的穩定性和抗干擾能力，減少數據傳輸中的出錯率。CAN總線(xiàn)節點(diǎn)結構一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)采用CAN適配卡與PC機相連，實(shí)現上位機與CAN總線(xiàn)的通訊;另一類(lèi)則是由單片機、CAN控制器及CAN驅動(dòng)器構成，作為一類(lèi)節點(diǎn)與CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸。在本系統中，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)現主控制器和總線(xiàn)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(xiàn)的接口，主要可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接受能力。