1、基于CAN總線的分布式電池管理系統             基于CAN總線的分布式電池管理系統 連子峰1，鄭杭波2，齊國光2 (1. 廈門大學自動化系，福建 廈門 361005） (2. 清華大學，北京 100084）    摘  要 ： 主 要 探 討 了 汽 車 和 電 動 汽 車 數 字 化 技 術 、 計 算 機 控 制 系 統 的 結 構 以 及 現 場 通 訊 的 相 關 問 題 。 以 蓄 電 池 能 源 系 統 為 應

2、用 背 景 ， 研 究 和 設 計 出 采 用 雙 CAN總 線 作 為 內 外 通 訊 方 式 及 具 有 多 模 塊 分 布 式 結 構 的 管 理 系 統 。 該 系 統 分 為 若 干 模 塊 ， 分 別 實 現 各 自 獨 立 的 功 能 ， 包 括 數 據 采 集 、 測 量 多 路 電 壓 、 電 流 和 溫 度 、 進 行 電 量 估 算 和 通 訊 管 理 以 及 大 液 晶 屏 的 顯 示 。    為 滿 足 系 統 發 展 所 需 要 的 高 性 能 、 安 全 性 和 可 擴 展 的 要 求 ， 提 出 雙 CAN總 線 通 訊 、 分

3、布 處 理 的 管 理 系 統 結 構 思 想 。 重 點 介 紹 了 CAN總 線 設 計 、 電 路 和 應 用 的 技 術 問 題 。     關鍵詞： 電 池 管 理 系 統 ； CAN總 線 ； 分 布 結 構 ； 電 動 汽 車 1 前 言    隨 著 高 科 技 及 其 產 業 的 迅 速 發 展 ， 大 存 儲 容 量 的 電 池 組 能 源 系 統 已 經 越 來 越 被 人 們 所 重 視 ， 在 很 多 領 域 中 都 得 到 廣 泛 地 應 用 ， 如 在 汽 車 產 業 發 展 的 新

4、方 向 、 新 熱 點 電 動 汽 車 及 混 合 動 力 車 的 研 究 及 產 業 化 中 ， 將 作 為 車 載 能 源 的 主 要 供 給 者 。    蓄 電 池 組 是 由 一 定 數 量 的 單 體 電 池 串 聯 組 成 的 ， 它 可 以 進 行 百 次 至 千 次 的 充 放 電 ； 在 使 用 中 必 須 注 意 其 各 個 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 ， 因 為 這 些 參 數 直 接 影 響 電 池 的 使 用 壽 命 ， 必 須 做 到 優 化 運

5、行 和 有 效 監 控 ， 防 止 電 池 出 現 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 字 技 術 稱 為 數 字 “ 電 池 電 子 技 術 ” 。 同 樣 在 汽 車 的 電 子 、 數 字 技 術 中 ， 已 經 使 用 多 個 CPU完 成 各 種 參 數 、 功 能 的 控 制 問 題 ， 考 慮 汽 車 的 安 全 性 ， 運 行 必 須 十 分 可 靠 ， 于 是 發 展 了 并

6、 聯 的 獨 立 多 個 系 統 結 構 ， 再 由 現 場 總 線 聯 接 ， 組 成 統 一 的 大 系 統 。2 分 布 式 結 構 的 管 理 系 統2.1 系 統 結 構    系 統 要 實 現 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 構 ； 系 統 的 工 作 環 境 惡 劣 ， 常 處 于 強 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 展 了 高 性 能

7、CAN現 場 總 線 作 為 通 訊 系 統 ； 而 且 CAN總 線 在 汽 車 上 已 使 用 很 久 ， 具 有 很 強 的 抗 干 擾 性 ， 同 時 該 技 術 比 較 成 熟 ， 已 成 為 汽 車 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 來 實 現 。    本 分 布 系 統 是 以 CPU 80C552為 公 用 模 塊 平 臺 來 設 計 的 ， 由 于 CPU存 儲 空 間 及 運 算 的 有 限 性 ， 必 須 采 用 多 CPU來 分 別 實 現 管

8、 理 系 統 所 需 的 各 種 功 能 。 完 成 的 基 本 系 統 由 四 個 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 模 塊 分 別 實 現 其 功 能 ， 通 過 CAN總 線 進 行 數 據 通 訊 ， 能 夠 實 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 ， 系 統 還 具 有 很 強 的 擴 展 性 ， 可 以 進 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

9、發 。 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 。 2.2 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 性 光 耦 法 測 量 單 電 池 的 電 壓 ， 通 過 其 4個 A/D口 將 模 擬 量 轉 換 為 數 字 量 存 入 存 儲 器

10、 ， 溫 度 測 量 采 用 單 總 線 技 術 ， 使 用 Dallas 數 字 芯 片 來 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 。 總 電 壓 、 電 流 信 號 通 過 特 殊 的 傳 感 器 將 其 信 號 轉 換 為 0 10V的 信 號 ， 通 過 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 模 塊 及 外 部 整 車 系

11、 統 通 過 CAN進 行 數 據 傳 輸 ； 同 時 系 統 提 供 RS232接 口 ， 能 夠 實 現 與 PC機 通 訊 ； 模 塊 還 提 供 5口 寸 半 液 晶 顯 示 驅 動 功 能 ， 和 按 鍵 進 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 系 統 模 塊 的 基 本 結 構 框 圖 如 圖 2所 示 。 2.3 電 量 估 算    電 量 估 算 采 用 實 時

12、 電 流 積 分 的 安 時 法 進 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 進 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3.1 CAN簡 介    CAN總 線 是 現 場 總 線 的 一 種 ,是 德 國 Bosch公 司 在 1986年 為 解 決 現 代 汽 車 中 眾 多 的 控 制 與 測 試 儀 器 之 間 的 數 據 交 換 而 開 發 的 一 種 串 行

13、 高 速 數 據 通 信 總 線 。 它 采 用 了 ISO/OSI模 型 的 七 層 結 構 中 的 物 理 層 和 數 據 鏈 路 層 ,具 有 較 高 的 可 靠 性 、 實 時 性 和 靈 活 性 。    CAN總 線 具 有 以 下 獨 特 的 優 點 ：    1） CAN能 以 多 主 方 式 工 作 ， 網 絡 上 任 意 一 個 節 點 均 可 以 在 任 意 時 刻 向 網 絡 上 其 他 節 點 發 送 信 息 ， 而 不 分 主 從 ， 通 信 方 式 靈 活 ；    2） C

14、AN可 以 實 現 點 對 點 、 一 點 對 多 點 及 全 局 廣 播 等 方 式 傳 送 和 接 受 數 據 ， 通 信 介 質 采 用 雙 絞 線 、 同 軸 電 纜 或 光 纖 ， 選 擇 靈 活 ， 通 信 距 離 最 遠 可 達 10km/5kb/s， 通 信 速 率 最 高 可 達 1Mb/s/40m。 CAN上 節 點 數 取 決 于 總 線 驅 動 電 路 ， 實 際 可 達 110個 ；    3） CAN節 點 在 錯 誤 嚴 重 的 情 況 下 ， 具 有 自 動 關 閉 輸 出 的 功 能 ， 切 斷 它 與 總 線 的 聯 系 ， 以

15、 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 。 用 戶 接 口 簡 單 ,編 程 方 便 ,很 容 易 構 成 用戶 系 統 ；    4） CAN采 用 非 破 壞 性 仲 裁 技 術 ， 當 兩 個 節 點 同 時 向 網 絡 上 傳 送 信 息 時 ， 優 先 級 低 的 節 點 主 動 停 止 數 據 發 送 ， 而 優 先 級 高 的 節 點 可 不 受 影 響 地 繼 續 傳 輸 數 據 ,有 效 避 免 了 總 線 沖 突 。    5

16、） CAN采 用 短 幀 結 構 ， 每 一 幀 為 8 bite， 傳 輸 時 間 短 ， 受 干 擾 的 概 率 低 ， 每 幀 信 息 都 有 CRC校 驗 及 其 它 檢 錯 措 施 ， 保 證 了 數 據 的 出 錯 率 極 低 。3.2 CAN總 線 設 計    CAN總 線 總 體 結 構 如 圖 4所 示 ， 在 總 線 的 兩 端 配 置 了 兩 個 120 的 電 阻 ， 其 作 用 是 總 線 匹 配 阻 抗 ， 可 以 增 加 總 線 傳 輸 的 穩 定 性 和 抗 干 擾 能 力 ， 減 少 數 據 傳 輸 中 的 出 錯 率 。 CA

17、N總 線 節 點 結 構 一 般 分 為 兩 類 ： 一 類 采 用 CAN適 配 卡 與 PC機 相 連 ， 實 現 上 位 機 與 CAN總 線 的 通 訊 ； 另 一 類 則 是 由 單 片 機 、 CAN控 制 器 及 CAN驅 動 器 構 成 ， 作 為 一 類 節 點 與 CAN總 線 進 行 數 據 傳 輸 。 在 本 系 統 中 ， CAN 控 制 器 采 用 Philips公 司 生 產 的 SJA1000和 82C200， 它 作 為 一 個 發 送 、 接 受 緩 沖 器 ， 實 現 主 控 制 器 和 總 線 之 間 的 數 據 傳 輸 ； CAN收 發 器 采 用 P

18、CA82C250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 發 送 能 力 和 對 CAN控 制 器 的 差 動 接 受 能 力 。 4 CAN總 線 的 軟 件 設 計    CAN總 線 的 三 層 結 構 模 型 為 ： 物 理 層 、 數 據 鏈 路 層 和 應 用 層 。 其 中 物 理 層 和 數 據 鏈 路 層 的 功 能 由 SJA1000完 成 ， 系 統 的 開 發 主 要 在 應 用 層 軟 件 的 設 計 上 ， 它 主 要 由 三 個 子 程 序 ： 初 始 化

19、 子 程 序 、 發 送 數 據 和 接 收 數 據 程 序 。 同 時 ， 還 包 括 一 些 數 據 溢 出 中 斷 以 及 幀 出 錯 的 處 理 。    SJA1000在 上 電 硬 件 復 位 之 后 ， 必 須 對 其 進 行 軟 件 初 始 化 之 后 才 可 以 進 行 數 據 通 訊 ， 初 始 化 過 程 主 要 包 括 對 其 復 位 模 式 下 配 置 時 鐘 分 頻 寄 存 器 CDR、 總 線 定 時 寄 存 器 BTR0和 BTR1、 驗 收 代 碼 寄 存 器 ACR、 驗 收 屏 蔽 寄 存 器 AMR及 輸 出 控 制 寄 存

20、 器 OCR等 ， 實 現 對 總 線 的 速 率 、 驗 收 屏 蔽 碼 、 輸 出 引 腳 驅 動 方 式 、 總 線 模 式 及 時 鐘 分 頻 進 行 定 義 。 具 體 的 流 程 如 圖 5所 示 。      下 面 為 SJA1000發 送 和 接 收 數 據 的 流 程 ， 基 本 過 程 為 主 控 制 器 將 數 據 保 存 到 SJA1000發 送 緩 沖 器 ， 然 后 對 命 令 寄 存 器 的 發 送 請 求 TR標 志 位 進 行 置 位 開 始 發 送 ； 接 收 過 程 為 SJA1000將 從 總 線 上 接 收 到

21、 的 數 據 存 入 接 收 緩 沖 器 ， 通 過 其 中 斷 標 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 向 整 車 系 統 發 送 總 電 壓 的 格式 ， 見 表 1所 列 。     其 中 ， ID為 接 收 節 點 總 線 的 地 址 ， 電 壓 值 先 乘 10取 整 再 發 送 ， 0x08表 示 發 送 幀 的 內

22、 容 為 電 池 組 的 電 壓 。5 CAN總 線 應 用 問 題    在 硬 件 方 面 必 須 考 慮 合 理 的 供 電 ， 注 意 對 各 個 CAN器 件 的 電 源 、 地 之 間 的 濾 波 ， 以 及 復 位 電 路 的 設 計 ； 同 時 在 實 際 進 行 印 刷 電 路 板 的 設 計 時 ， 合 理 布 線 ， 要 加 強 地 線 ， 增 強 系 統 的 抗 干 擾 性 。    在 軟 件 設 計 時 ， CAN總 線 定 時 器 的 設 置 非 常 關 鍵 ， BTR0決 定 傳 播 時 間 段 、 相

23、 位 緩 沖 段 1和 相 位 緩 沖 段 2； BTR1決 定 同 步 跳 轉 寬 度 和 分 頻 值 。 在 位 定 時 寄 存 器 中 ， TSEG1， TSEG2， SJW和 BRP設 定 的 值 要 比 其 功 能 值 小 1， 因 此 設 定 范 圍 是 0.N 1而 不 是 1.N。 所 以 位 時 間 可 以 由 TSEG1 TSEG2 3tq或 者 同 步 段 傳 播 段 相 位 緩 沖 段 1 相 位 緩 沖 段 2tq得 到 ， 其 中 ， tq由 系 統 時 鐘 tSCL和 波 特 率 預 分 頻 值 BRP決 定 ： tq=BRP/tSCL。 同 時 ， 還 要 注

24、意 由 于 不 同 節 點 的 CAN系 統 時 鐘 是 由 不 同 振 蕩 器 提 供 的 ， 每 個 節 點 的 實 際 CAN系 統 時 鐘 頻 率 與 實 際 位 時 有 一 容 差 ， 環 境 溫 度 的 變 化 和 振 蕩 器 老 化 影 響 起 始 容 差 ， 為 確 保 準 確 地 進 行 數 據 傳 輸 ， 必 須 保 證 每 個 節 點 對 CAN系 統 時 鐘 頻 率 都 在 特 定 的 頻 率 容 差 限 值 以 內 ， 因 此 ， 在 選 擇 振 蕩 器 時 要 以 對 振 蕩 器 容 差 范 圍 要 求 最 高 的 節 點 為 準 。 而 且 ， 在 一 個 可 以

25、 擴 展 的 總 線 結 構 中 ， 最 大 節 點 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 際 運 行 中 ， 經 常 會 遇 到 CAN總 線 不 通 或 者 總 線 突 然 關 閉 現 象 ， 其 主 要 原 因 是 由 于 在 數 據 傳 輸 過 程 中 出 現 丟 幀 現 象 ， 從 而 引 起 出 錯 ， 當 錯 誤 計 數 器 達 到 一 定 時 會 自 動 關 閉 總 線 ， 因 此 ， 必 須 在 軟 件 設 計 的 過 程 中 ， 及 時 對 其 錯 誤 狀 態 ES位