【正文】 溫度采集 ......................................................28 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 .................................................29 本章小結(jié) ..........................................................31 第 5 章 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ......................................33 軟件設(shè)計概述 ...................................................... 33 主程序設(shè)計及相關(guān)子程序設(shè)計 .....................................33 主 程 序 設(shè) 計 .................................................33 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序 .............................................34 電池判斷子程序 ............................................. 35 中斷服務(wù)程序 ......................................................36 軟件抗于擾設(shè)計 ....................................................37 本章小結(jié) ..........................................................38 第 6 章 電池管理系統(tǒng)的實驗設(shè)計 ......................................39 實 驗 目 的 ......................................................39 實驗平臺 ..........................................................39 電池信息檢測試驗 ..................................................40 CAN 通信顯示 ..................................................43 實驗結(jié)果 ..........................................................44 本章小結(jié) ..........................................................44 結(jié)論 ...................................................................45 參考文獻 .............................................................. 46 致謝 ...................................................................47 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景 能源消耗在汽車中的比例占主要工業(yè)國 家能源消耗的兩層以上 [1]，由于現(xiàn)代社會的能源危機使人們認識到傳統(tǒng)的內(nèi)燃機需要利用新的能源輔助，混合動力汽車是汽車工業(yè)將要面臨的一場深刻的革命 [2]。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]。 我國是個缺乏能源、環(huán)境污染嚴重的國家。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。在將來，我國的新能源電動汽車會逐漸走向商品化及應(yīng)用階段，必將成為中國汽車的發(fā)展方向。其主要性能指標包括能量密度、功率密度與使用壽命等 [6]。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(yīng)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]。 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]。如采用常用的線束聯(lián)接方法，完成兩種動 2 力的配合，就會增加系統(tǒng)的復(fù)雜層度、重量還有成本，勢必會造成通信可靠性的降低，從而影響汽車的性能。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]。 CAN 總線應(yīng)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]： 。 、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。 另外，經(jīng)過軟件處理，它還能實時監(jiān)控和糾正由電磁干擾導(dǎo)致的 消息傳輸錯 誤同時檢測到故障后存儲故障代碼。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。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。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)。該電動汽車采用的是用 26 節(jié)鉛酸蓄電池串聯(lián)方式來使用的，他們通過深度放電實驗測得電池放 電深度可以到達到 80%，電池使用壽命大概是 450 個電池充放電周期， 110 公里左右的市內(nèi)行駛距離。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。該系統(tǒng)采用的是 CAN與 LIN 的聯(lián)合組網(wǎng)。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。 系統(tǒng) 該系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)，有中心主控制器單元與各蓄電池組的單獨監(jiān)控模塊所構(gòu)成 [22]。 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。電池電子技術(shù)就其本質(zhì)來說就是針對電池的復(fù)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。 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。除此之外還有清華大學、天津大學、湖南大學等承擔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。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。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。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。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。 。 。 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。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。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。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。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。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。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)。 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。 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。本章介紹用 FPGA 實現(xiàn) CAN 通信控制器的功能。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。 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)。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。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)。 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)。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。 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。 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。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。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。智能管理模塊的設(shè)計思路會在下一節(jié)詳細說明。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 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。發(fā)送過程包括寫發(fā)送緩沖器，并串轉(zhuǎn)換等。 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。 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。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。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 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 。 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)。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。圖 EQ6110 的輔助動力系統(tǒng)模塊的示意圖。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 。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。 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