【文章內(nèi)容簡介】 的“ EQ611 OHEV 混合動力城市公交車用大功率鎳氫動力電池及其管理模塊、蘇州星恒電源有限公司負(fù)責(zé)承擔(dān)的燃料電池轎車用高功率型鏗離子動力電池組及其管理系統(tǒng)、北京有色金屬總院承擔(dān)的解放牌混合動力城市客車用鏗離子電池及管理模 塊等課題。除此之外還有清華大學(xué)、天津大學(xué)、湖南大學(xué)等承擔(dān)的汽車無刷電機控制系統(tǒng)、 DC/ DC 變換器等大量類似課題項目。 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(shè)計、電機驅(qū)動技術(shù)、動力電池技術(shù)相比，還不是很成熟。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(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)和提高。 CAN 總線在電池管理系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢與存在的問題 汽車網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境采用 CAN 總線通信的優(yōu)勢 適用于汽車系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須滿足許多極其嚴(yán)格的要求，這是汽車運行的特殊環(huán)境所決定的。一般汽車內(nèi) (主要是機艙內(nèi) )變化溫度很大，可達(dá)零下 45 攝氏度到高溫 100 攝氏度。汽車在行駛過程中會因路況原因出現(xiàn)較大的振動，點火噴射系統(tǒng)等裝置也會帶來非常大的電磁干擾，在這樣的情況下就要求電控裝置傳遞信息準(zhǔn)確及時。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。所以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上，除了采用合理的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式外，必須選擇具有極好的抗強磁、噪聲和振動等干擾的能力和極強的容錯性和檢錯能 力的總線。同時該總線需具備故障的診斷和處理能力與高實時性性能，加上考慮成本因素，要求其控制接口結(jié)構(gòu)簡單，易于配置。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(dá) 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。 。由于目前 CAN 己經(jīng)成為車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢許多電子類生產(chǎn)廠商也正在研發(fā)或投入生產(chǎn)集成的 CAN 控制器，這就極 大的減低了成本。 。由于其信號發(fā)送沖突的解決方案是一種沖突規(guī)避的設(shè)計方式，總線網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交互按照規(guī)律有條不紊地進(jìn)行，減少了信息重發(fā)的可能性，從而提高了總線利用率，對于發(fā)送優(yōu)先級高的重要信息尤為如此。 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。 ，而不是采用一般的地址方式。使得網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點的操作和軟件升級變得更加方便。 制。只要在軟件開發(fā)的過程當(dāng)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(yán)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。 CAN 總線運用在電池管理系統(tǒng)通信節(jié)點上中存在的問題 CAN總線是德國 BOSCH公司 80年代為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，目前它己經(jīng)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用上取得重要地位，其總線規(guī)范己被 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)?，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。 CAN 的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。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(dá)到高實時性需求，理論上可以設(shè)置 CAN的位速率可達(dá) 1Mbps。 但是在實際的網(wǎng)絡(luò)通信控制系統(tǒng)，比如我們的電池管理系統(tǒng)當(dāng)中，要想達(dá)到極高的實時性與可靠性又要兼顧理想的傳輸速率，事情往往不是想象的那么簡單。因為一般的通信控制網(wǎng)絡(luò)主要存在著時間觸發(fā) (Time Trigger)與事件觸發(fā) (Event Trigger)兩種通信調(diào)度機制，前者適用于傳輸硬實時周期 性消息，后者主要適合于傳輸非周期性消息。 CAN 總線本質(zhì)上屬于事件觸發(fā)機制，有大量文獻(xiàn)對其消息的調(diào)度進(jìn)行了研究，一般通過降低網(wǎng)絡(luò)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。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)。 文章的研究工作正是在基于以上問題開展的，怎樣用現(xiàn)有的 CAN 標(biāo)準(zhǔn)在改進(jìn)的思路與算法的基礎(chǔ)上克服不足，實現(xiàn)可靠的通信，將會在后續(xù)章節(jié)逐漸介紹。 6 第二章 電池能量管理系統(tǒng)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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。原理圖如圖 。 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。 CAN 通信控制器由實現(xiàn) CAN 總線協(xié)議部分和微控制器的電路組成。本章介紹用 FPGA 實現(xiàn) CAN 通信控制器的功能。 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。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。此過程完成后，繼續(xù)重復(fù)上述操作。 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(yīng) 48組開關(guān)。巡檢開關(guān)的位置是由地址譯碼器決定的。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。 8 個電池組的信息匯集到一起，作為智能管理模塊的輸入信號。這些信息是發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)。 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。 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)。在智能管理模塊接收到數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)和智能電源管理器從總線發(fā)送過來的控制指令后，經(jīng)過判斷直接決定是否輸出保護信號。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。如圖 。 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(jìn)行的。恒流源和放電電阻的設(shè)置視題目要求而定。 8 智能管理模塊 智能管理模塊由 FPGA 實現(xiàn)，具有采樣數(shù)據(jù)的接收、判斷、存儲、轉(zhuǎn)換、傳輸和對數(shù)據(jù)采集模塊的控制和地址譯碼功能。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。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。 智能管理模塊內(nèi)部各個模塊的執(zhí)行受到微控制器的協(xié)調(diào)而并行執(zhí)行。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(jìn)行事后分析，以 此實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 本文的設(shè)計重點是智能管理模塊，也就是電池管理器，它是電池管理系統(tǒng)的核心。智能管理模塊的設(shè)計思路會在下一節(jié)詳細(xì)說明。 智能管理模塊設(shè)計思路 智能管理模塊包括通信模塊和電池充放電保護模塊。智能管理模塊的數(shù)據(jù)輸入是A/D 采樣后的數(shù)字信號，智能管理模塊的設(shè)計是建立在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)采集部分不是本文考慮的重點。 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。 CAN 通信模塊相當(dāng)于接 口控制器，負(fù)責(zé)電池管理器與智能電源管理器的通信。接收過程包括總線數(shù)據(jù)的采樣，串并轉(zhuǎn)換和存儲 。發(fā)送過程包括寫發(fā)送緩沖器，并串轉(zhuǎn)換等。智能管理模塊還負(fù)責(zé)錯誤管理，對數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的各種錯誤進(jìn)行分析統(tǒng)計和故障界定，最終將錯誤情況反到錯誤幀，發(fā)送到總 9 線上 (錯誤幀在數(shù)據(jù)幀之后 )。 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。電池管理器接收智能電源管理器的管理和控制。 微控制器是電池管理器和智能電源管理器之間的橋梁，既能接收到智能電源管理器發(fā)出的指令，經(jīng)過簡單 的分析、處理對電池組進(jìn)行具體操作，也能將電池電壓發(fā)送到智能電源管理器中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。在本次設(shè)計中，微控制器只是完成簡單的數(shù)據(jù)傳遞。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。 充放電保護模塊 電池充放電保護模塊是本次設(shè)計的另一個重要內(nèi)容。這個模塊負(fù)責(zé)電池電壓的判斷、充放電保護執(zhí)行以及報告錯誤信息。圖 為充放電保護模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 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 。如果某一組電池電壓超出系統(tǒng)限定的范圍，就把該組數(shù)據(jù)置零，同時，報告錯誤信息模塊輸出出錯位置，表明 8 個電池組中叨卜一個出現(xiàn)異常。 電池管理器發(fā)出充放電保護信號，結(jié)合智能電源管理器的控制指令，經(jīng)過綜合分析，啟動蓄電池充放電保護執(zhí)行機構(gòu)，其輸出信號控制充電保護和放電保護開關(guān)。 電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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。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。兩種工作方式的切換以現(xiàn)場路 10 況或車速等為基準(zhǔn)。圖 EQ6110 的輔助動力系統(tǒng)模塊的示意圖。 由圖中可以清晰地看出電池管理系統(tǒng)與電機控制器通過獨立的線路進(jìn)行信息的交換。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(dá)到整車動力能量的分配的目的 。經(jīng)由驅(qū)動繼電器組中的不同位置的相應(yīng)開關(guān)量實現(xiàn) 車輛能量的可靠管理和人車的工作安全，與此同時把車輛的運行數(shù)據(jù)參數(shù)在車載儀表盤上顯示出來。數(shù)據(jù)監(jiān)控與診斷接口是為了方便實時故障檢測與記錄和系統(tǒng)驗證所用，有 RS232和 CAN兩種通信接口， RS232 屬于低速總線只做故障檢測與一記錄用，作用僅限于節(jié)點內(nèi)，而 CAN 總線既可做開者的檢測口使用也是汽車網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換的唯一通道。 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(xì)越好，這樣做無疑會使系統(tǒng)變得復(fù)雜，與我們希望設(shè)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(shè)計中要根據(jù)具體情況加以斟酌。 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。本項目中電池電壓信息的采集，是將七個電池單體作為一節(jié)，通過一個帶有 24 位 AD 轉(zhuǎn)化的電量計量集成芯片 CS5460，把一節(jié)電池的電壓值作為差分信號進(jìn)行采樣。再把采樣到的電壓值進(jìn)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。溫度信息的采集，利用的是分布式測量模式，在每箱電池的合適位置布置有 3 個獨立的溫度傳感器，在所檢測到的溫度當(dāng)中只要有任何一只傳感器的溫度超過警戒值 70攝氏度，將出現(xiàn)一個溫度出錯信息。 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。在汽車運行中，電池既有充電也有放電，所以電流的值時正時負(fù)，變化很大。 本章小節(jié) 本章首先介紹了電池管理器的工作原理， 在 CAN 協(xié)議下的消息模型，在消息模型下推導(dǎo)出了消息的最不理想響應(yīng)時間公式以及消息可調(diào)度的充分必要條件。同時分析了 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行建模。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(xì)的分析，建立了蓄電池的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。 12 第三章 CAN 總線技術(shù)分析 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析 CAN 技術(shù)規(guī)范以及 CAN 的國際標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計 CAN 應(yīng)用系統(tǒng)的基本依據(jù)。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。 CAN 總線的特點