【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供電系統(tǒng)，只設置一個電流采集點即可。霍爾技術(shù)廣泛應用于控制領(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 為電池單體負極輸入，經(jīng)過 R1與光禍中的發(fā)光二極管形成回路，將電壓信號 Vin 轉(zhuǎn)換為電流信號 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)是通過采集蓄電池的性能參數(shù)，對電池進行分析和監(jiān)控，從而保證更好地使用電池并保證整個系統(tǒng)的安全。如果由于負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)設計， DSP 最小系統(tǒng)是保證設計能夠運行的最基本配置，系統(tǒng)的其他功能將在此基 礎(chǔ)上進一步擴展，主要是通過 IO 口實現(xiàn)其功 能?？梢杂蓛蓚€事件管理器來觸發(fā)最多 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。并通過 CAN 總線和電動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。最后文章對傳統(tǒng) CAN 總線系統(tǒng)存在的缺少同步機制、帶寬浪費、消息阻塞的缺陷作了說明。 故障界定 前面介紹到的 5種故障檢測機制應用于 CAN 通信時，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)點突然出現(xiàn)硬件故障或者長時間干擾的情況下，要是沒有其他補救的方法對錯誤的發(fā)出進行合理的管理，由于 CAN 系統(tǒng)采用的是防沖突避讓機制，則錯誤幀會連綿不斷地被發(fā)出，然而連續(xù)發(fā)出這些錯誤幀會極大程度地消耗總線上有效的通信時間，甚至造成有效的信號幀被丟失。 位填充為 CAN 協(xié)議下的系統(tǒng)自動執(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。非實時性消息往往包括各種設備傳輸?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特特點，通常不必符合消息的截止期的限定要求。從實時性角度來分析，網(wǎng)絡節(jié)點傳輸?shù)南⒖梢? 20 劃分為硬實時消息、軟實時消息與非實時消息 。 DM 則以消息的截止期作為優(yōu)先級的設定標準，截止期越大優(yōu)先級越小，截止期越小優(yōu)先級越大。 19 ②幀結(jié)尾都有標志序列界定的第一位和第二位檢測到一個顯性位。和數(shù)據(jù)幀所不同的是遠程幀的遠程發(fā)送請求位是高電平。 CRC 序列之后是 CRC 界定符，它包含一個單獨的隱性位。 表 數(shù)據(jù)幀長度代碼 17 數(shù)據(jù)場故名思意 由報文幀中所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)構(gòu)成。標準格式的控制場和擴展格式的控制場不一樣。其標志符由地址 28位至擴展第 0位。數(shù)據(jù)場長度可以是零。節(jié)點 4發(fā)送完畢，沒有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)情況下，節(jié)點 3正好發(fā)送并成功。也正是因為這一點，才會出現(xiàn)后續(xù)章節(jié)提到的各種針對實時數(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子層 : 介質(zhì)訪問控制子層 MAC(Medium Access Control)是 CAN協(xié)議中的關(guān)鍵內(nèi)容。同時分析了 CAN 總線網(wǎng)絡在外界的干擾下，對系統(tǒng)產(chǎn)生單源和多源消息錯誤模型分別進行建模。 圖 混合動力公交 EQ6110 的輔助動力系統(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)點方面講，它是電池組內(nèi)部參數(shù)信息的唯一來源，我們希望硬件電 路獲得的消息是越詳細越好，這樣做無疑會使系統(tǒng)變得復雜，與我們希望設計的電池管理系統(tǒng)節(jié)點結(jié)構(gòu)簡單可靠的初衷相矛盾，在設計中要根據(jù)具體情況加以斟酌。 電池管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu) 電動汽車輔助動力系統(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)動能量。在本次設計中，微控制器只是完成簡單的數(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，使得對電池的控制具有較好的實時性。 對于一個電池組，每一時刻只可能有一節(jié)電池接入電路 中，開關(guān)切換要及時，這對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并行執(zhí)行，每組又受地址信號控制，通過多路巡檢開關(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)機制，有大量文獻對其消息的調(diào)度進行了研究，一般通過降低網(wǎng)絡資源利用率來減少總線競爭與總線錯誤對消息實時性造成的影響。 制。通過以上分析，我們選擇了 CAN 因為它具有十分優(yōu)越的特點，與其它總線相比，總結(jié)起來有以下幾條 : 40米以內(nèi)的情況下，最高速的數(shù)據(jù)傳輸速率可達 1Mbit/s[35]，足以滿足電池管理系統(tǒng)、汽車動力和懸架等高速系統(tǒng)的傳輸要求。 但是就從整個大的項目而言，電池管理系統(tǒng) ((BMS)跟電動機本體設計、電機驅(qū)動技術(shù)、動力電池技術(shù)相比，還不是很成熟。利用控制總線是 twowire 總線，各個電池監(jiān)控節(jié)點向主控制器節(jié)點傳遞各個電池的基本參數(shù)信息，主控制器節(jié)點收集信息后進行最優(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)測量；電池組實時充放電電流監(jiān)測；電池組高電壓自動預警與斷電保護；防止深度放電保護；電量與里程的折算計算；蓄電池組外殼絕緣失效檢測及斷電保護。 但是傳統(tǒng)的 CAN 總線系統(tǒng)具有不適應硬實時系統(tǒng)的需要、網(wǎng)絡資源利用率低、易造成消息的阻塞等缺點，在電池管理系統(tǒng)這樣一個對消息傳輸可靠性和實時性要求極高的狀況下，還難以達到令人滿足的效果 [17]。由此可見，設計智能化的消息節(jié)點，組建新的汽車通信網(wǎng)絡是十分必要的 [12]。 動力蓄電池是混合動力電動汽車 ((HEV , Hybrid Electric Vehicle)的動力來源之一，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程中無氣體排 放無污染，有助于解決當前汽車造成的環(huán)境問題，于是世界上各個主要汽車制造商都紛紛加緊了大功率動力蓄電池的研究工作 [3]，意在開發(fā)出性能優(yōu)越的動力系統(tǒng)，來提高產(chǎn)品的競爭力。還需要采用一些軟件抗干擾的技術(shù)。電動汽車作為未來汽車的發(fā)展方向 ,越來越受到人們的重視。采用了優(yōu)先級提升算法對系統(tǒng)進行了改進設計 ,該算法不但可以提高系統(tǒng)實時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)。 我國是個缺乏能源、環(huán)境污染嚴重的國家。要使各種動力電池能與傳統(tǒng)的燃油動力系統(tǒng)相抗衡，首先應當解決的問題是開發(fā)出能量密度大、功率密度大、使用壽命長的高效蓄電池 [8]。 CAN 總線應用于混合動力電動汽車智能節(jié)點之上具有以下優(yōu)勢 [1416]： 。世界上的許多大型汽車生產(chǎn)商和蓄電池廠家針對各種動力用 車載蓄電池作了大量的理論研究和試驗。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)來說就是針對電池的復雜的電化學的研究，它是化學、自動制動、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)的一個新興交叉領(lǐng)域。一般汽車內(nèi) (主要是機艙內(nèi) )變化溫度很大，可達零下 45 攝氏度到高溫 100 攝氏度。 ?，F(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)設計方案 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、充放電保護模塊、數(shù)據(jù)總線通信模塊組成，實現(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、電池組充放電保護的控制，并通過標準通信接口與智能電源管理器實現(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 ，一個電池組中，所有的電池是串聯(lián)的， 48 節(jié)電池對應 48組開關(guān)。保護信號是直接作用于電池組的，和電池組的充放電保護開關(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，也能將儲存到數(shù)據(jù)存儲器的電池電壓發(fā)送到智能電源管理器中，進行事后分析，以 此實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。發(fā)送過程包括寫發(fā)送緩沖器，并串轉(zhuǎn)換等。這個模塊負責電池電壓的判斷、充放電保護執(zhí)行以及報告錯誤信息。圖 EQ6110 的輔助動力系統(tǒng)模塊的示意圖。再把采樣到的電壓值進行數(shù)字上的相加，得到動力電池總電壓，一旦出現(xiàn)在 總電壓值過低則報出一個電壓錯誤消息。系統(tǒng)開發(fā)者必須清楚其基本結(jié)構(gòu)、概念和規(guī)則，本章僅對課題項目中用到的相關(guān)內(nèi) 容做一個簡單的介紹。介質(zhì)訪問控制子層也受一個名為“故障界定”的管理實體監(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)幀遠程幀與錯誤幀需使用 CSMA/CA 機制訪問總線，以減少 由于幀發(fā)送沖突而帶來的不必要麻煩。 目前 CAN的報文有兩種，區(qū)別在于位場中標識符的長短不一樣 :幀頭有 11位標識符的信號幀叫做標準幀，幀頭有 29 位標識符格式的叫做擴展幀。而且所有的站點都必須同步于首先開始發(fā)送信息的站的幀起始前沿，即只要有一個節(jié)點發(fā)送幀起始標志，其它節(jié)點都會被迫與它同步。標識符的最高的 16 7 位不能全為“隱性” (不能全為 1)。 圖 控制場結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)長度代碼 DLC 見表 。 圖 循環(huán)冗余碼場 CRC 序列校驗非常適用于位數(shù)低于 127 位的幀。接收端接收報文無誤后，就會在應答間隙位向發(fā)送器發(fā)送一低電平應答。幀間隔隨總線負載的不同而變化。額外開銷較小和實現(xiàn)方便是它的顯著特點。 固定優(yōu)先級調(diào)度算法通俗的說就是在系統(tǒng)運行時決定 某時刻執(zhí)行哪個調(diào)度對象占用總線的操作。為了討論方便，文章將 CAN 協(xié)議下傳輸?shù)南⒎殖扇?: 。具體的實現(xiàn)的實現(xiàn)方法如圖 所示，通過設置消息標識符的最高位為 0 來使硬實時消息優(yōu)先進行傳輸 。 錯誤 CAN 系統(tǒng)中，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，也將發(fā)送端的冗余碼結(jié)果計算出來，同時通 過總線進行發(fā)送，然后在總線另一頭的接收器端也用相同的方法來計算CRC o 假如節(jié)點通過計算得到的結(jié)果與實際上接收到的 CRC 序列的結(jié)果不相同，就說明總線發(fā)生了一個“ CRC 錯誤”。錯誤主動的通信節(jié)點能夠正常參與總線通信，在自身錯誤被檢測到，也就是發(fā)送幀信號時出錯時，發(fā)出主動錯誤標志。針對此試驗裝置，本設計方案的數(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)電池組電流檢測等 4部分組成，如圖 41。 數(shù)字信號處理器的選擇 本設計使用的是 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP[23]。 16位串行外設接口模塊 (SPI )。作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲非常必要，因此，選擇一款合適的存儲芯片有效安全的存儲數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)的進一步分析處理。如果預期有快速上升時間的大 (數(shù)百毫安 )瞬變負載，那么就有必要使用大容量的電解電容。下面詳細說明。根據(jù)以上采集特點，需要良好的隔離實現(xiàn)監(jiān)測。在整個電壓采樣 電路中，比較器形成一個 反饋。目前待測的蓄電池組的供電電流在 1 OOA 以內(nèi)，所以應選 擇大電流傳感器。特別是用于隔離測量電流、電壓。電池供電是一個直流慢變過程，使用互感器不行；而光纖傳感器因其高昂的價格用在此處也不合適?？芍?I11 = I12 時， I11 = I22。如何解決好既要“共地”，又要防止“短路”的問題是實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)對電池電壓進行 動態(tài)實時檢測的關(guān)鍵，同時也是本采集系統(tǒng) 27 區(qū)別于一般多路巡回檢測系統(tǒng)的特征。要求電壓采集精度控制 在 %以內(nèi)。仿真器提供 JTAG 同目標系統(tǒng)的 DSP相接，通過 DSP 實現(xiàn)對整個目標系統(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。以及存儲數(shù)據(jù)用的 EEPROM。 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為 5OOns。所有這些電池信號采進 入 DSP后進行數(shù)據(jù)的分析、計算。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 CAN 總線的協(xié)議特點、分層結(jié)構(gòu)以及報文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式作了較為詳細的分析，然后分析了 CAN 總線應用在電池管理系統(tǒng)當中表現(xiàn)的高傳輸率、高效率等優(yōu)勢。 在 總線發(fā)送完數(shù)據(jù)幀或者遠程幀后，如果在應答間隙期間所監(jiān)聽的位不為高電平，則發(fā)送器會檢測到一個“應答錯誤”。任何檢測到出錯問 題的節(jié)點會通過發(fā)送出錯標志標定來處理，五種基本錯誤類型說明如下 [32]: CAN 系統(tǒng)中，獲得通道占用權(quán)的節(jié)點在發(fā)送信號位的同時