【正文】 工程與自動化 專 業(yè) 電氣工程與自動化 年 級 2021級電氣一班 學 號 20210801012 姓 名 指導(dǎo)老師 武漢大學珞珈學院 2021 年 5 月 16 日 I 摘 要 隨著全世界汽車數(shù)量的增加 ,人類對能源的需求越來越大。就目前使用的動力電池來說 ,怎樣建立對電池有利的充放電控制模型、實時監(jiān)控電池荷電狀態(tài)、防止電池過充與過放來延長電池的使用壽命 ,怎樣對電池進行實時或定 期的自動故障診斷和維護 ,最大層度地保證電池的可靠運行 ,這些問題都需要通過開發(fā)有效合理的基于實時總線的電池管理系統(tǒng)來加以解決。硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的巧妙結(jié)合 ,是提高系統(tǒng)可靠性的有力手段 。經(jīng)過試驗驗證 ,改進后的通信系統(tǒng)可以安全可靠的運行 ,從而保證電池管理系統(tǒng)可靠運行完成預(yù)定功能。作為一項新興的技術(shù)，從 20 世紀 90年代初期開始，混合動力交通工具的研發(fā)就得到了美、日以及西歐等許多發(fā)達國家的高度重視，到目前為止已經(jīng)獲得了很多的豐碩成果與專利技術(shù) ，許多大型的汽車制造企業(yè)已經(jīng)打出了自己的品牌[4]。我國在混合動力電動汽車的研發(fā)上，己經(jīng)取得了較好的成績。其主要性能指標包括能量密度、功率密度與使用壽命等 [6]。 電動汽車電池管理系統(tǒng)是電動汽車中一個越來越重要的關(guān)鍵部分，是一個處于監(jiān)控運行及保護電池關(guān)鍵技術(shù)中的核心部件，能給出剩余電量和功率強度預(yù)測、進行智能充電和電池診斷安全等功能集合的綜合系統(tǒng) [10]。如今汽車領(lǐng)域較為先進的 CAN 總線就可以解決復(fù)雜的汽車網(wǎng)絡(luò)的通信問題，而 CAN 是唯一取得國際標準的現(xiàn)場總線，以它優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用在汽車與其它工業(yè)控制領(lǐng)域 [13]。 、電機運行狀態(tài)與荷電狀態(tài)等能同時在總線上共享，這樣就可以去除了多余的傳感器，讓局域網(wǎng)內(nèi)的線束減少，智能節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速 率更快。改進的方向包括硬件與軟件兩個方面，該問題在后續(xù)章節(jié)中將會講到，這里不再贅述。它們當中較為典型的電池管理系統(tǒng)包括 :由美國通用汽車公司研發(fā)的“ EV1”型電動汽車上使用的電池管理系統(tǒng)；美國Averovironment公司開發(fā)的 LongLife Battery Using Intelligent Modular Control System(通常被稱為 SmartGuard 電池管理系統(tǒng) )；德國 MentzerElectronic GmbH 和Werner Retzlaff 研發(fā)的 BADICHEQ 電池管理系統(tǒng)和 BADICOACH 電池管理系統(tǒng)；德國 設(shè)計的 BATTMAN 系統(tǒng)；美國 AC Propulsion 公司推出的 BatOpt 高級蓄電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電池管理、電機控制等模塊采用的控制總線是 CAN總線。系統(tǒng)的基本功能是對過充電控制與測量，電池歷史數(shù)據(jù)的紀錄，提 供荷電狀態(tài)最不理想的電池單體的參數(shù)信息。 除此之外，許多西歐國家與日本的汽車制造商也研發(fā)出了自主知識產(chǎn)權(quán)的蓄電池能量管理系統(tǒng)，在此就不再作過多介紹。 國內(nèi)的發(fā)展狀況 中國在十五期間新型電動汽車設(shè)立為重大的專門研究項目，通過數(shù)年的研究與努力，在電池管理及其相關(guān)技術(shù)方面取 得很大的突破，就目前來說，我們的技術(shù)與國外水平比較接近。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，在近年來雖然有很大的提高，很多方面都己經(jīng)進入實際應(yīng)用階段，但有些部分仍然不夠完善，尤其是在系統(tǒng)通信的可靠性等方面存在著問題，有待進一步改進和提高。此外考慮到安全性的因素，要求通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須具有極高的可靠性。 。 5 ，開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議的方式靈活，占用總線時間短，從而保證了通信過程中極高的實時性。只要在軟件開發(fā)的過程當中設(shè)置錯誤定時計數(shù)器，在發(fā)送的信息遭到破壞或者干擾后，節(jié)點觸發(fā)恢復(fù)機制而自動重發(fā)，同時會在判斷自身錯誤嚴重的情況下，具備自動退出總線的功能，這些特點保證了系統(tǒng)極高的可靠性和安全性。在自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，為了達到高實時性需求，理論上可以設(shè)置 CAN的位速率可達 1Mbps。所以，傳統(tǒng)的 CAN總線系統(tǒng)具有如下缺點： ，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費； ，消息的調(diào)度不可管理與預(yù)測，不適合于硬實時系統(tǒng)的需要； CAN 原始的非破壞性位仲裁機制，由于總線非搶占性特點，可能低優(yōu)先級的消息正在傳輸，造成了對高優(yōu)先級消息的阻塞，即使最高優(yōu)先級也 可能存在延時響應(yīng)。 圖 電池能量管理系統(tǒng)框圖 CAN 總線的通信協(xié)議由 CAN 通信控制器完成。在某一時刻， 8 個巡檢開關(guān)采樣到的電池組內(nèi)某一個電池的電壓送入 A/D 轉(zhuǎn)換器， 8 組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個 數(shù)據(jù)幀送入發(fā)送緩沖器。在某一時刻，巡檢開關(guān)作用的一節(jié)電池被選中，此時該電池電壓信號被采樣，送入 A}轉(zhuǎn)換器，一次采集就完成了。 電池充放電保護模塊 電池充放電保護模塊主要是蓄電池充放電保護執(zhí)行機構(gòu)。 圖 充放電保護電路示意圖 充放電操作是對電池組中所有電池進行的。每一組由 8個電池電壓數(shù)據(jù)構(gòu)成，在傳輸時將這 8個數(shù)據(jù)打包成一個數(shù)據(jù)幀，反映電池的采樣電壓值。智能管理模塊的設(shè)計思路會在下一節(jié)詳細說明。 CAN 通信模塊相當于接 口控制器，負責電池管理器與智能電源管理器的通信。 微控制器和接口控制器構(gòu)成一個 CAN節(jié)點，智能電源管理器是 CAN 總線系統(tǒng)的另一個節(jié)點。這部分的設(shè)計將作為今后工作的重點，根據(jù)工作實際需要設(shè)計 CAN 總線通信過程。 圖 充放電保護模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 采樣后的 8 組數(shù)據(jù)被送入寄存器控制模塊的發(fā) 送緩沖器，經(jīng)過判斷，如果電壓在正常范圍內(nèi)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線 。驅(qū)動系統(tǒng)采用并聯(lián)驅(qū)動方式，即發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)分開，并能獨立工作。動力總成控制器從傳感器網(wǎng)絡(luò)中讀取駕駛員的行車操作與車輛在運行中各職能機構(gòu)的狀態(tài)信息，經(jīng) CAN 總線與其它控制節(jié)點交換數(shù)據(jù)跟傳輸控制命令達到整車動力能量的分配的目的 。 在前兩節(jié)中所討論的消息具體到我們的電池管理系統(tǒng)中就包括電池組電壓、電流、和溫度信息數(shù)據(jù)以及各種故障報警代碼，其消息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 11 圖 消息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 電池工作總電流信息采集，在電池充放電主回路中嵌入一個分流器，通過分流電阻將總電流的信號轉(zhuǎn)化成電壓信號再經(jīng) CS5460 轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。最后，對蓄電池管理系統(tǒng)所處的整個通信網(wǎng)絡(luò)作了較為詳細的分析，建立了蓄電池的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。它的特點總結(jié)如下 : 總線是惟一獲得國際標準的現(xiàn)場總線 [24]。它把接收到的報文提供給邏輯鏈路控制子層，并且接收來自邏輯鏈路控制子層的報文。 邏輯鏈路控制子層 LLC(Logical Link Control)負責報文濾波、過載通知、以 13 及恢復(fù)管理等，主要是針對 CAN總線中的幀信息的管理。不同的用戶會根據(jù)實際情況開發(fā)出適合自己的應(yīng)用層協(xié)議。沖突避免是指基于發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間片，檢測到?jīng)_突后退避一個時間直到總線空閑。 CAN 總線的報文傳輸 CAN 總線的通信線路只有兩個導(dǎo)線 CANH 與 CANL 組成，任何節(jié)點都掛接在這兩根導(dǎo)線上，基于非破壞性促裁機制競爭總線。 圖 總線上的位電平表示 15 數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌? 圖 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)幀包括下幾個部分的內(nèi)容 : 它標志著數(shù)據(jù)幀或者遠程幀的起始，在圖中用 SOF 表示，僅僅只有一個“顯性”位 (邏輯低電平 )所構(gòu)成。在標準格式中，仲裁場是由 11 位標準格式標識 ID 號和遠程發(fā)送請求位構(gòu)成。 圖 標準格式中的仲裁場結(jié)構(gòu) 圖 擴展格式中的仲裁場結(jié)構(gòu) 在 CAN 協(xié)議標準格式中，仲裁場包括有標識符與 RTR 位。 RTR(Remote Transmission Request Bit)的全稱是“遠程發(fā)送請求位”。標準格式下，控制場包括數(shù)據(jù)長度碼段 DLC 設(shè)置、 IDE 位 (在此為邏輯 0)、保留位 ro。代碼段包含有四個位，在控制場中發(fā)送。是 0到 8個字節(jié)，每字節(jié) 8位，發(fā)送的順序是從高到低，先發(fā)送最高有效位 MSB。循環(huán)冗余校驗碼是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中比較常用的差錯校驗碼之一 [31]，其實質(zhì)是采用多項式編碼的方法，在發(fā)送端對需要傳送的二進制碼序列以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的監(jiān)督碼并附在信息后邊，從而構(gòu)成一個新的二進制碼發(fā)送出去 。循環(huán)冗余碼序列校驗的過程比較復(fù)雜，因此在很多實際的軟件編程過程中為了方 便起見很少采用 CRC 校驗。 遠程幀是 CAN 總線單元節(jié)點發(fā)送的一種幀信號，通過發(fā)送遠 程幀就能夠訪問其它節(jié)點，請求總線另一端的節(jié)點來傳輸它的數(shù)據(jù)。它沒有數(shù)據(jù)場，所以數(shù)據(jù)代碼段的內(nèi)容就不存在任何意義。它包括兩個位場，過載標志和過載界定符，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 ③接收器自身的各樣 原因，需要延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀來發(fā)送數(shù)據(jù)。由于分布式 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具有硬實時性及嚴格時限要求等需求，進行系統(tǒng)信息的調(diào)度分析研究顯得至關(guān)重要。應(yīng)用 RM 方法有一個前提條件，那就是假定任何消息的周期與截止期都相等，即 D=T。優(yōu)先級是在運行前預(yù)先設(shè)定的，系統(tǒng)運行時按照設(shè)定好的優(yōu)先級順序依次執(zhí)行，且優(yōu)先級一旦確定在整個調(diào)度過程中就保持恒定不變。但是從時域角度來分則可分為周期性消息、隨機性消息和偶發(fā)性消息。 ，簡稱非周期性消息 。本章討論的調(diào)度算法是電池管理系統(tǒng)通信節(jié)點設(shè)計的理淪基礎(chǔ)，由于它的特殊用途使得第一個周期性和非周期性消息都要滿足實時性要求，我們要通過分配與規(guī)劃冗余帶寬來傳輸非實時性消息，以提高帶寬利用率。 21 圖 分類消息的優(yōu)先級分配圖 CAN 總線的錯誤檢測與處理機制 總線中的錯誤類型 CAN 總線在受外界干擾或內(nèi)部總線延時等條件下難免出現(xiàn)傳輸上的錯誤。填充位一般使用的場合有 :如果 有連續(xù) 5個相同的極性隱性或顯性位出現(xiàn)，那么緊隨其后需要加入一位填充位來填充，而且此時的填充位的極性與它前面的 5 個位值恰好相反 (就是說要是前 5 個位值是“顯性”位，則填充位應(yīng)當是“隱性”，反之，前 5個位值是“隱性”位，則填充位應(yīng)當是“顯性” )。 4，形式錯誤 “形式錯誤 [33]”的判定方法比較容易，總線中的節(jié)點只是對數(shù)據(jù)格式上行 22 校驗。在更加嚴重的情況下，一旦節(jié)點的錯誤恢復(fù) 不了，會因為出錯節(jié)點發(fā)送消息的優(yōu)先級高而長時間占據(jù)總線最終造成總線的擁堵，這是我們所不愿意看到的情形。故障界定詳細規(guī)則可以參閱 CAN 總線標準 ，文章在此不再詳述。關(guān)于 CAN 總線系統(tǒng)在現(xiàn)實復(fù)雜系統(tǒng)中出現(xiàn)的諸多問題的原因以及文章所討論的解決問的方法將在后續(xù)章節(jié)介紹。電池溫度信號采樣使用熱敏電阻，溫度采集的主要作用便是為電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理提供修正依據(jù)。 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案圖 系統(tǒng)的核心為 DSP 數(shù)據(jù)處單元。片內(nèi)有高達 32K 字的FLASH 程序存儲器，高達 K 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM ， 544 字雙口 RAM ( DARAM)和 2K字的單口 RAM ( SARAM )?？刂?器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN ) 模塊。電源管理包括 3 種低功耗模式，并且能獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。在外圍電路設(shè)計中，電源電路必須穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的可靠運行。如圖 31中下半 部分。在此期間，如果 OUT 的輸出恢復(fù)正常值，在 200ms 后，其恢復(fù)輸出高電平。 DSP 仿真器及 JTAG 接口 26 DSP 的仿真器同單片機的不同，仿真器中沒有 DSP，提供 IEEE 標準的 JTAG 口對DSP 進行仿真調(diào)試，所以仿真器必須有仿真對象，及目標系統(tǒng)。所以 BMS 硬件系統(tǒng)中，采集電路是非常重要的一部分。電動汽車電池組由 20 塊 12V鉛酸電池組成。 BMS 電壓采集的特點是采集單體電池端電壓，電池組電壓高 ((216V)，但每個采集點的電壓不高。除此之外，隔離還體現(xiàn)在各個單體電池監(jiān)測通道間的隔離，也就是當后段電壓采集電路出現(xiàn)故障，不能導(dǎo)致前端電池的損壞。根據(jù)光禍的原理， I11應(yīng)該與 I12 正比例關(guān)系。這樣做的目的是 B 點電壓顯然是 15/2=7. 5 V ,VA=VB=，說明上下兩個光禍中的三極管導(dǎo)通情況一樣?？梢?V0 與輸入電壓成比例。 其中光纖傳感器價格太貴影響其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，其它三個的特點簡要描述為 :分流器成本低頻響應(yīng)好但使用麻煩 。另外霍爾型傳感器屬于隔離測量，本身器件的故障不會影響到蓄電池組的正常工 作，