【正文】 壓 VB， U 就輸出低一些的電壓值。 電流采集 蓄電池組所有電池單體串連組成整個(gè)供電系統(tǒng)，只設(shè)置一個(gè)電流采集點(diǎn)即可?；魻柤夹g(shù)廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。而分流器的精度太低，因此霍爾電流傳感器因其性價(jià)比高優(yōu)先選用。這樣， (V0V1)/R1=I11=I22=二 V0/ R4。 圖 電壓采集電路 V0為電池正極輸入， V1 為電池單體負(fù)極輸入，經(jīng)過(guò) R1與光禍中的發(fā)光二極管形成回路，將電壓信號(hào) Vin 轉(zhuǎn)換為電流信號(hào) I11。電池管理系統(tǒng)要求的最低采樣頻率為 20ms。 圖 JTAG 電路連接 采集電路 電池管理系統(tǒng)是通過(guò)采集蓄電池的性能參數(shù)，對(duì)電池進(jìn)行分析和監(jiān)控，從而保證更好地使用電池并保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。如果由于負(fù)載的瞬變或其它情況致使 OUT 的輸出出現(xiàn)欠壓，則 RES 輸出低電平，并保持 200ms。 DSP 的外圍電路按照 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)， DSP 最小系統(tǒng)是保證設(shè)計(jì)能夠運(yùn)行的最基本配置，系統(tǒng)的其他功能將在此基 礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展，主要是通過(guò) IO 口實(shí)現(xiàn)其功 能。可以由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)最多 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。并通過(guò) CAN 總線和電動(dòng)汽車中央控制器建立通信，將電池管理信息傳輸至中央控制系統(tǒng)，為系統(tǒng)的合理操作提供數(shù)據(jù)支持。最后文章對(duì)傳統(tǒng) CAN 總線系統(tǒng)存在的缺少同步機(jī)制、帶寬浪費(fèi)、消息阻塞的缺陷作了說(shuō)明。 故障界定 前面介紹到的 5種故障檢測(cè)機(jī)制應(yīng)用于 CAN 通信時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的誤碼率大幅降低，假如在系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)突然出現(xiàn)硬件故障或者長(zhǎng)時(shí)間干擾的情況下，要是沒(méi)有其他補(bǔ)救的方法對(duì)錯(cuò)誤的發(fā)出進(jìn)行合理的管理，由于 CAN 系統(tǒng)采用的是防沖突避讓機(jī)制，則錯(cuò)誤幀會(huì)連綿不斷地被發(fā)出，然而連續(xù)發(fā)出這些錯(cuò)誤幀會(huì)極大程度地消耗總線上有效的通信時(shí)間，甚至造成有效的信號(hào)幀被丟失。 位填充為 CAN 協(xié)議下的系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行的行為，是為了保證總線系統(tǒng)有足夠的隱性到顯性的跳變沿。非實(shí)時(shí)性消息往往包括各種設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)狀信息，發(fā)送數(shù)據(jù)量大、發(fā)生頻率低等是此類消息的獨(dú)特特點(diǎn)，通常不必符合消息的截止期的限定要求。從實(shí)時(shí)性角度來(lái)分析，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)南⒖梢? 20 劃分為硬實(shí)時(shí)消息、軟實(shí)時(shí)消息與非實(shí)時(shí)消息 。 DM 則以消息的截止期作為優(yōu)先級(jí)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，截止期越大優(yōu)先級(jí)越小，截止期越小優(yōu)先級(jí)越大。 19 ②幀結(jié)尾都有標(biāo)志序列界定的第一位和第二位檢測(cè)到一個(gè)顯性位。和數(shù)據(jù)幀所不同的是遠(yuǎn)程幀的遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位是高電平。 CRC 序列之后是 CRC 界定符，它包含一個(gè)單獨(dú)的隱性位。 表 數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度代碼 17 數(shù)據(jù)場(chǎng)故名思意 由報(bào)文幀中所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)格式的控制場(chǎng)和擴(kuò)展格式的控制場(chǎng)不一樣。其標(biāo)志符由地址 28位至擴(kuò)展第 0位。數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度可以是零。節(jié)點(diǎn) 4發(fā)送完畢，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)情況下，節(jié)點(diǎn) 3正好發(fā)送并成功。也正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，才會(huì)出現(xiàn)后續(xù)章節(jié)提到的各種針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南⒄{(diào)度算法。 數(shù)據(jù)鏈路層含以下的兩個(gè)子層 : 介質(zhì)訪問(wèn)控制子層 MAC(Medium Access Control)是 CAN協(xié)議中的關(guān)鍵內(nèi)容。同時(shí)分析了 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)在外界的干擾下，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生單源和多源消息錯(cuò)誤模型分別進(jìn)行建模。 圖 混合動(dòng)力公交 EQ6110 的輔助動(dòng)力系統(tǒng)模塊的示意圖 電池控制模塊中的消息系統(tǒng) 單從電池管理系統(tǒng)的通信節(jié)點(diǎn)方面講，它是電池組內(nèi)部參數(shù)信息的唯一來(lái)源，我們希望硬件電 路獲得的消息是越詳細(xì)越好，這樣做無(wú)疑會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，與我們希望設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的初衷相矛盾，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體情況加以斟酌。 電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)由四箱電池共有 280 單體 (單體電壓最高 ，能量密度70W/kg)組成的高性能鎳氫電池為整車提供驅(qū)動(dòng)能量。在本次設(shè)計(jì)中，微控制器只是完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳遞。 CAN 總線通信模塊 圖 電池管理器結(jié)構(gòu) 電池管理器結(jié)構(gòu)如圖 所示。采用 FPGA 實(shí)現(xiàn)使得采樣數(shù)據(jù)能夠接收一組判斷執(zhí)行一組，以及接收一組發(fā)送到智能電源管理器一組，使得對(duì)電池的控制具有較好的實(shí)時(shí)性。 對(duì)于一個(gè)電池組，每一時(shí)刻只可能有一節(jié)電池接入電路 中，開關(guān)切換要及時(shí)，這對(duì)采集模塊的電路要求比較高。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊由多路巡檢開關(guān)和 A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，分為 8組受智能管理模塊的控制信號(hào)并行執(zhí)行，每組又受地址信號(hào)控制，通過(guò)多路巡檢開關(guān)順序采樣該組的 48 節(jié)電池電壓。 CAN 總線本質(zhì)上屬于事件觸發(fā)機(jī)制，有大量文獻(xiàn)對(duì)其消息的調(diào)度進(jìn)行了研究，一般通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率來(lái)減少總線競(jìng)爭(zhēng)與總線錯(cuò)誤對(duì)消息實(shí)時(shí)性造成的影響。 制。通過(guò)以上分析，我們選擇了 CAN 因?yàn)樗哂惺謨?yōu)越的特點(diǎn)，與其它總線相比，總結(jié)起來(lái)有以下幾條 : 40米以內(nèi)的情況下，最高速的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1Mbit/s[35]，足以滿足電池管理系統(tǒng)、汽車動(dòng)力和懸架等高速系統(tǒng)的傳輸要求。 但是就從整個(gè)大的項(xiàng)目而言，電池管理系統(tǒng) ((BMS)跟電動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、動(dòng)力電池技術(shù)相比，還不是很成熟。利用控制總線是 twowire 總線，各個(gè)電池監(jiān)控節(jié)點(diǎn)向主控制器節(jié)點(diǎn)傳遞各個(gè)電池的基本參數(shù)信息，主控制器節(jié)點(diǎn)收集信息后進(jìn)行最優(yōu)化的控制與處理。 EV1 的電池管理系統(tǒng)最基本的功能有 :單體蓄電池的電壓狀態(tài)測(cè)量；電池組實(shí)時(shí)充放電電流監(jiān)測(cè)；電池組高電壓自動(dòng)預(yù)警與斷電保護(hù)；防止深度放電保護(hù)；電量與里程的折算計(jì)算；蓄電池組外殼絕緣失效檢測(cè)及斷電保護(hù)。 但是傳統(tǒng)的 CAN 總線系統(tǒng)具有不適應(yīng)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需要、網(wǎng)絡(luò)資源利用率低、易造成消息的阻塞等缺點(diǎn)，在電池管理系統(tǒng)這樣一個(gè)對(duì)消息傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性要求極高的狀況下，還難以達(dá)到令人滿足的效果 [17]。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)智能化的消息節(jié)點(diǎn)，組建新的汽車通信網(wǎng)絡(luò)是十分必要的 [12]。 動(dòng)力蓄電池是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 ((HEV , Hybrid Electric Vehicle)的動(dòng)力來(lái)源之一，它的性能的好壞直接決定了整車的質(zhì)量 [5]。由于蓄電池在使用過(guò)程中無(wú)氣體排 放無(wú)污染，有助于解決當(dāng)前汽車造成的環(huán)境問(wèn)題，于是世界上各個(gè)主要汽車制造商都紛紛加緊了大功率動(dòng)力蓄電池的研究工作 [3]，意在開發(fā)出性能優(yōu)越的動(dòng)力系統(tǒng)，來(lái)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。還需要采用一些軟件抗干擾的技術(shù)。電動(dòng)汽車作為未來(lái)汽車的發(fā)展方向 ,越來(lái)越受到人們的重視。采用了優(yōu)先級(jí)提升算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì) ,該算法不但可以提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的性能和帶寬利用率 ,還在一定程度上避免了消息死鎖的出現(xiàn)。 我國(guó)是個(gè)缺乏能源、環(huán)境污染嚴(yán)重的國(guó)家。要使各種動(dòng)力電池能與傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力系統(tǒng)相抗衡，首先應(yīng)當(dāng)解決的問(wèn)題是開發(fā)出能量密度大、功率密度大、使用壽命長(zhǎng)的高效蓄電池 [8]。 CAN 總線應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車智能節(jié)點(diǎn)之上具有以下優(yōu)勢(shì) [1416]： 。世界上的許多大型汽車生產(chǎn)商和蓄電池廠家針對(duì)各種動(dòng)力用 車載蓄電池作了大量的理論研究和試驗(yàn)。該系統(tǒng)采用的是 CAN與 LIN 的聯(lián)合組網(wǎng)。電池電子技術(shù)就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)就是針對(duì)電池的復(fù)雜的電化學(xué)的研究，它是化學(xué)、自動(dòng)制動(dòng)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)新興交叉領(lǐng)域。一般汽車內(nèi) (主要是機(jī)艙內(nèi) )變化溫度很大，可達(dá)零下 45 攝氏度到高溫 100 攝氏度。 。現(xiàn)在沃爾沃、奔馳、寶馬 等品牌車型也開始在汽車上使用 CAN 總線。 6 第二章 電池能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 電池管理器工作原理 電池管理系統(tǒng)以智能管理芯片為核心，由數(shù)據(jù)采集模塊、充放電保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)總線通信模塊組成，實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)所有單體電池電壓、充放電電流的數(shù)據(jù)采集、電池組充放電保護(hù)的控制，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信接口與智能電源管理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和控制指令的傳輸。 7 圖 數(shù)據(jù)采集示意圖 如圖 ，一個(gè)電池組中，所有的電池是串聯(lián)的， 48 節(jié)電池對(duì)應(yīng) 48組開關(guān)。保護(hù)信號(hào)是直接作用于電池組的，和電池組的充放電保護(hù)開關(guān)相連。該模塊能接收到智能管理器轉(zhuǎn)發(fā)的指令等其它信息，也能將儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電池電壓發(fā)送到智能電源管理器中，進(jìn)行事后分析，以 此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。發(fā)送過(guò)程包括寫發(fā)送緩沖器，并串轉(zhuǎn)換等。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)電池電壓的判斷、充放電保護(hù)執(zhí)行以及報(bào)告錯(cuò)誤信息。圖 EQ6110 的輔助動(dòng)力系統(tǒng)模塊的示意圖。再把采樣到的電壓值進(jìn)行數(shù)字上的相加，得到動(dòng)力電池總電壓，一旦出現(xiàn)在 總電壓值過(guò)低則報(bào)出一個(gè)電壓錯(cuò)誤消息。系統(tǒng)開發(fā)者必須清楚其基本結(jié)構(gòu)、概念和規(guī)則，本章僅對(duì)課題項(xiàng)目中用到的相關(guān)內(nèi) 容做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。介質(zhì)訪問(wèn)控制子層也受一個(gè)名為“故障界定”的管理實(shí)體監(jiān)管。 CAN 總線技術(shù)基于 協(xié)議規(guī)范， MAC 層發(fā)送數(shù)據(jù)幀遠(yuǎn)程幀與錯(cuò)誤幀需使用 CSMA/CA 機(jī)制訪問(wèn)總線，以減少 由于幀發(fā)送沖突而帶來(lái)的不必要麻煩。 目前 CAN的報(bào)文有兩種，區(qū)別在于位場(chǎng)中標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)短不一樣 :幀頭有 11位標(biāo)識(shí)符的信號(hào)幀叫做標(biāo)準(zhǔn)幀，幀頭有 29 位標(biāo)識(shí)符格式的叫做擴(kuò)展幀。而且所有的站點(diǎn)都必須同步于首先開始發(fā)送信息的站的幀起始前沿，即只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始標(biāo)志，其它節(jié)點(diǎn)都會(huì)被迫與它同步。標(biāo)識(shí)符的最高的 16 7 位不能全為“隱性” (不能全為 1)。 圖 控制場(chǎng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼 DLC 見(jiàn)表 。 圖 循環(huán)冗余碼場(chǎng) CRC 序列校驗(yàn)非常適用于位數(shù)低于 127 位的幀。接收端接收?qǐng)?bào)文無(wú)誤后，就會(huì)在應(yīng)答間隙位向發(fā)送器發(fā)送一低電平應(yīng)答。幀間隔隨總線負(fù)載的不同而變化。額外開銷較小和實(shí)現(xiàn)方便是它的顯著特點(diǎn)。 固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法通俗的說(shuō)就是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)決定 某時(shí)刻執(zhí)行哪個(gè)調(diào)度對(duì)象占用總線的操作。為了討論方便，文章將 CAN 協(xié)議下傳輸?shù)南⒎殖扇?: 。具體的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)方法如圖 所示，通過(guò)設(shè)置消息標(biāo)識(shí)符的最高位為 0 來(lái)使硬實(shí)時(shí)消息優(yōu)先進(jìn)行傳輸 。 錯(cuò)誤 CAN 系統(tǒng)中，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也將發(fā)送端的冗余碼結(jié)果計(jì)算出來(lái)，同時(shí)通 過(guò)總線進(jìn)行發(fā)送，然后在總線另一頭的接收器端也用相同的方法來(lái)計(jì)算CRC o 假如節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際上接收到的 CRC 序列的結(jié)果不相同，就說(shuō)明總線發(fā)生了一個(gè)“ CRC 錯(cuò)誤”。錯(cuò)誤主動(dòng)的通信節(jié)點(diǎn)能夠正常參與總線通信，在自身錯(cuò)誤被檢測(cè)到，也就是發(fā)送幀信號(hào)時(shí)出錯(cuò)時(shí)，發(fā)出主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。針對(duì)此試驗(yàn)裝置，本設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)采集部分包括電池組單體電壓、電池體溫度、環(huán)境溫度、串聯(lián)電池組電流檢測(cè)等 4部分組成，如圖 41。 數(shù)字信號(hào)處理器的選擇 本設(shè)計(jì)使用的是 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP[23]。 16位串行外設(shè)接口模塊 (SPI )。作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)非常必要，因此，選擇一款合適的存儲(chǔ)芯片有效安全的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析處理。如果預(yù)期有快速上升時(shí)間的大 (數(shù)百毫安 )瞬變負(fù)載，那么就有必要使用大容量的電解電容。下面詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)以上采集特點(diǎn)，需要良好的隔離實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。在整個(gè)電壓采樣 電路中，比較器形成一個(gè) 反饋。目前待測(cè)的蓄電池組的供電電流在 1 OOA 以內(nèi)，所以應(yīng)選 擇大電流傳感器。特別是用于隔離測(cè)量電流、電壓。電池供電是一個(gè)直流慢變過(guò)程，使用互感器不行；而光纖傳感器因其高昂的價(jià)格用在此處也不合適?？芍?dāng) I11 = I12 時(shí)， I11 = I22。如何解決好既要“共地”，又要防止“短路”的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)對(duì)電池電壓進(jìn)行 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)的關(guān)鍵，同時(shí)也是本采集系統(tǒng) 27 區(qū)別于一般多路巡回檢測(cè)系統(tǒng)的特征。要求電壓采集精度控制 在 %以內(nèi)。仿真器提供 JTAG 同目標(biāo)系統(tǒng)的 DSP相接，通過(guò) DSP 實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)的調(diào)試。 RES 是欠壓低電平輸出端，但它是漏極開路輸出端，所以使用了上拉電阻確保邏輯高電平信號(hào)。以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的 EEPROM。 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 5OOns。所有這些電池信號(hào)采進(jìn) 入 DSP后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算。三種狀態(tài)可以在一定的條件下互相轉(zhuǎn)化，圖 圖 故障狀態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖 23 本章小節(jié) 本章首先對(duì) CAN 總線的協(xié)議特點(diǎn)、分層結(jié)構(gòu)以及報(bào)文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式作了較為詳細(xì)的分析，然后分析了 CAN 總線應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)當(dāng)中表現(xiàn)的高傳輸率、高效率等優(yōu)勢(shì)。 在 總線發(fā)送完數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀后，如果在應(yīng)答間隙期間所監(jiān)聽(tīng)的位不為高電平，則發(fā)送器會(huì)檢測(cè)到一個(gè)“應(yīng)答錯(cuò)誤”。任何檢測(cè)到出錯(cuò)問(wèn) 題的節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志標(biāo)定來(lái)處理，五種基本錯(cuò)誤類型說(shuō)明如下 [32]: CAN 系統(tǒng)中，獲得通道占用權(quán)的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信號(hào)位的同時(shí)