【正文】 協(xié)議是一種多主通信方式，與其 它許多通信方式不同，在局域網(wǎng)內(nèi)的任一節(jié)點(diǎn)都可在任何時(shí)間主動(dòng)地向總線上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送提出數(shù)據(jù)，而不分主機(jī)與從機(jī)； 網(wǎng)絡(luò)將其上的節(jié)點(diǎn)通過分配標(biāo)識(shí) ID 號(hào)的方法將信息劃分成不同的優(yōu)先級(jí)，在同等條件下競(jìng)爭(zhēng)總線，得到總線制裁，這樣就能滿足不同的實(shí)時(shí)要求，根據(jù)協(xié)議，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)在最差情況下能夠在一百微秒左右發(fā)送數(shù)據(jù) [25]； CAN 總線的分層結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) CAN總線的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是為了能在標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)現(xiàn) CAN 節(jié)點(diǎn)軟硬件的無縫對(duì)接， CAN 器件與 CAN 器件間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確配置，在軟件編程的過程中更 加靈活，可移植性好，大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。 CAN 總線的特點(diǎn) 在混合動(dòng)力汽車上使用 CAN 總線，是由于它技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)獨(dú)特，同其它的通信總線比較，具有較好的通信可靠性、實(shí)時(shí)性，同時(shí)用戶可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)自己的網(wǎng)絡(luò)。 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(jì) CAN 應(yīng)用系統(tǒng)的基本依據(jù)。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。在汽車運(yùn)行中，電池既有充電也有放電，所以電流的值時(shí)正時(shí)負(fù)，變化很大。溫度信息的采集，利用的是分布式測(cè)量模式，在每箱電池的合適位置布置有 3 個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器，在所檢測(cè)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(gè)溫度出錯(cuò)信息。本項(xiàng)目中電池電壓信息的采集，是將七個(gè)電池單體作為一節(jié)，通過一個(gè)帶有 24 位 AD 轉(zhuǎn)化的電量計(jì)量集成芯片 CS5460，把一節(jié)電池的電壓值作為差分信號(hào)進(jìn)行采樣。 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(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。經(jīng)由驅(qū)動(dòng)繼電器組中的不同位置的相應(yīng)開關(guān)量實(shí)現(xiàn) 車輛能量的可靠管理和人車的工作安全，與此同時(shí)把車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)在車載儀表盤上顯示出來。 由圖中可以清晰地看出電池管理系統(tǒng)與電機(jī)控制器通過獨(dú)立的線路進(jìn)行信息的交換。兩種工作方式的切換以現(xiàn)場(chǎng)路 10 況或車速等為基準(zhǔn)。 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。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(shí)，報(bào)告錯(cuò)誤信息模塊輸出出錯(cuò)位置，表明 8 個(gè)電池組中叨卜一個(gè)出現(xiàn)異常。圖 為充放電保護(hù)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 充放電保護(hù)模塊 電池充放電保護(hù)模塊是本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要內(nèi)容。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。電池管理器接收智能電源管理器的管理和控制。智能管理模塊還負(fù)責(zé)錯(cuò)誤管理，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)和故障界定，最終將錯(cuò)誤情況反到錯(cuò)誤幀，發(fā)送到總 9 線上 (錯(cuò)誤幀在數(shù)據(jù)幀之后 )。接收過程包括總線數(shù)據(jù)的采樣，串并轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ) 。 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。 智能管理模塊設(shè)計(jì)思路 智能管理模塊包括通信模塊和電池充放電保護(hù)模塊。 本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)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。 智能管理模塊內(nèi)部各個(gè)模塊的執(zhí)行受到微控制器的協(xié)調(diào)而并行執(zhí)行。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。恒流源和放電電阻的設(shè)置視題目要求而定。如圖 。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(hù)信號(hào)。 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。 8 個(gè)電池組的信息匯集到一起，作為智能管理模塊的輸入信號(hào)。巡檢開關(guān)的位置是由地址譯碼器決定的。此過程完成后，繼續(xù)重復(fù)上述操作。 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，通過多路巡檢開關(guān)順序采樣該組的 48 節(jié)電池電壓。 CAN 通信控制器由實(shí)現(xiàn) CAN 總線協(xié)議部分和微控制器的電路組成。原理圖如圖 。 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(shí)現(xiàn)可靠的通信，將會(huì)在后續(xù)章節(jié)逐漸介紹。 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，一般通過降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率來減少總線競(jìng)爭(zhēng)與總線錯(cuò)誤對(duì)消息實(shí)時(shí)性造成的影響。 但是在實(shí)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(shí)時(shí)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(jiǎn)單。 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)。 CAN 總線運(yùn)用在電池管理系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)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(cè)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)。 制。 ，而不是采用一般的地址方式。由于其信號(hào)發(fā)送沖突的解決方案是一種沖突規(guī)避的設(shè)計(jì)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(duì)于發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的重要信息尤為如此。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(shì)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。通過以上分析，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。所以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(qiáng)磁、噪聲和振動(dòng)等干擾的能力和極強(qiáng)的容錯(cuò)性和檢錯(cuò)能 力的總線。汽車在行駛過程中會(huì)因路況原因出現(xiàn)較大的振動(dòng)，點(diǎn)火噴射系統(tǒng)等裝置也會(huì)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(shí)。 CAN 總線在電池管理系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)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(shì) 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(yùn)行的特殊環(huán)境所決定的。 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。 4 在全國“ 863”項(xiàng)目 2021 年最初立項(xiàng)的科研課題之中，就有由北京理工大學(xué)與春蘭集團(tuán)負(fù)責(zé)承擔(dān)的“ EQ7200HEV”混合動(dòng)力轎車用動(dòng)力鎳氫電池組及電池管理模塊、湖南神舟公司與北京交通大學(xué)以及東風(fēng)電動(dòng)汽車股份有限公司共同承擔(dān)的“ EQ611 OHEV 混合動(dòng)力城市公交車用大功率鎳氫動(dòng)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(dòng)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(dòng)力城市客車用鏗離子電池及管理模 塊等課題。電池電子技術(shù)的最終目標(biāo)就是要將蓄電池應(yīng)用推向一個(gè)更高的階段，達(dá)到少維護(hù)、通用性好、無人管理、高安全、智能化與無公害，最大限度的優(yōu)化電池的使用和延長電池的壽命，一定程度上解決目前的能源問題與環(huán)境問題。 電動(dòng)汽車的迅速發(fā) 展與普及為與其它相關(guān)的電子技術(shù)發(fā)展提供了巨大的契機(jī)。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。該系統(tǒng)的智能控制節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，但同樣是采用了 CAN 和 LIN兩種總線的聯(lián)合組網(wǎng) [21]。 系統(tǒng) SmartGuard 系統(tǒng)最突出特點(diǎn)是在蓄電池上裝有一分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò)來測(cè)量電池的電壓、電流與溫度。 系統(tǒng) 該系統(tǒng)最突出特點(diǎn)是在每個(gè)蓄電池單體上裝備有一個(gè)非線性電路據(jù)此來測(cè)量電池電壓，再將電池組每個(gè)單體電池電壓量的信號(hào)通過 一束信號(hào)線傳信號(hào)遞給 BADICOACH系統(tǒng)；剩余電量最少的電池單體的荷電狀態(tài)被顯示來出來；對(duì)最近的 24 充放電周期的電池基本參數(shù)作出相應(yīng)分析與存儲(chǔ)，依據(jù)分析數(shù)據(jù)來對(duì)電池均衡與健康狀態(tài)作出判斷，同時(shí)快速查詢蓄電池的基本信息與錯(cuò)誤使用情況，故障診斷與檢修提供參考 [20]。 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)。 的電池管理系統(tǒng) GE 公司生產(chǎn)的“ EV1”型電池管理系統(tǒng)應(yīng)用了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)對(duì)蓄電池組進(jìn)行智 3 能控制，監(jiān)控蓄電池的充放電狀態(tài)并對(duì)相應(yīng)故障作出相應(yīng)反應(yīng)，運(yùn)用算法估計(jì)蓄電池組的剩余電量 [19]。一些著名企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)還成功地研發(fā)出了比較高效的電池管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了各種各樣的電池?cái)?shù)學(xué)模型，將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車之上。 電池管理系統(tǒng)及其通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國外的發(fā)展?fàn)顩r 近年來新能源概念汽車的應(yīng)用研究大有燎原之勢(shì)，升溫不斷 [18]。 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]。 ，在研發(fā)過程中升級(jí)軟件方便。 ；數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，研發(fā)過程中的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展十分方便。所以文章選用 CAN 總線來進(jìn)行電池管理系統(tǒng)通信 網(wǎng)絡(luò)的研究。由此可見，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]。由于混合動(dòng)力汽車采用內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)兩種動(dòng)力系統(tǒng)并存，若要實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力源的最佳配合，就得采用可靠的通信技術(shù)在汽車網(wǎng) 絡(luò)內(nèi)傳輸消息與數(shù)據(jù) [11]，讓它按照我們事先設(shè)想來主導(dǎo)動(dòng)力控制策略運(yùn)行，顯示混合動(dòng)力汽車的優(yōu)越性。就當(dāng)前的車用動(dòng)力電池來說，怎樣建立對(duì)電池有利的高效充電模型、準(zhǔn)確估測(cè)電池的荷電狀態(tài)、防止過充過放以保證電池組的一致性和使用壽命；怎樣對(duì)電池實(shí)現(xiàn)在線的檢測(cè)維護(hù)和故障信 息保存；以保證動(dòng)力蓄電池組的可靠運(yùn)行，若要解決上述問題，只開發(fā)出一款性能可靠、能精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)、通信精確迅速的電池管理系統(tǒng) (Battery Management System)來加以管理 [9]。動(dòng)力蓄電池之性能不能達(dá)到實(shí)際的需求目標(biāo)，是阻礙其技術(shù)發(fā)展的重要原因之一 [7]。 動(dòng)力蓄電池是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 ((HEV , Hybrid Electric Vehicle)的動(dòng)力來源之一，它的性能的好壞直接決定了整車的質(zhì)量 [5]。并且為了實(shí)施能源發(fā)展戰(zhàn)略，國家電網(wǎng)公司擬采取各種有效措施，促進(jìn)新能源汽車的健康發(fā)展。發(fā)展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車將為我國的能源和污染問題、提高民族汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力起到重要的作用。綜上所述，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是必然的。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(dāng)前汽車造成的環(huán)境問題，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)，來提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。最后對(duì)本課題所做的研究工作進(jìn)行了總結(jié) ,在此基礎(chǔ)之上指出了今后該課題進(jìn)一步研究下去的方向 ,提出了展望 關(guān)鍵詞 :電池管理系統(tǒng) CAN 總線 消息模型 調(diào)度算法 II ABSTRACT With the increasing of cars around the world , human39。 在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中 ,構(gòu)建了軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái) ,在 CodeWarrior 環(huán)境下建立了通信工程 ,并進(jìn)行 了程序的調(diào)試。 本課題以混合動(dòng)力公交 EQ6110 為試驗(yàn)平臺(tái) ,以鎳氫動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的通信作為研究對(duì)象 ,通過對(duì)電池管理系統(tǒng)的 CAN 總線通信可靠性分析與設(shè)計(jì) ,深入探討了影響系統(tǒng)可靠性的各方面因素 ,同時(shí)提出了 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)下的調(diào)度消息模型 ,引入同步與異步的概念 ,將各類消息進(jìn)行分門別類的傳輸。還需要采用一些軟件抗干擾的技術(shù)。 可由于電池管理系統(tǒng)所工作的環(huán)境異常惡劣 ,時(shí)時(shí)受到外界強(qiáng)電、噪聲等干擾 ,使提高電池管理系統(tǒng)的通信可靠性成為了系統(tǒng)研制成功的一個(gè)關(guān)鍵。要使各種電動(dòng)汽車能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相競(jìng)爭(zhēng) ,關(guān)鍵是提高動(dòng)力蓄電池的性能。 保 密 類 別 編號(hào) 20210801012 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院 畢 業(yè) 論 文 基于 CAN 總線通信的蓄電池能量管理系統(tǒng)