實(shí)踐表明，在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，如不及時(shí)檢測(cè)，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個(gè)電池組的高效安全運(yùn)行。電池工作狀態(tài)的檢測(cè)由電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）完成，而電池管理系統(tǒng)的其他功能（包括剩余能量的計(jì)算）都是建立在電池工作狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)之上的。
分布式結(jié)構(gòu)的管理系統(tǒng)
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)不同類型的多種功能，集中的或中央處理方式無(wú)法滿足安全性要求，自然要采用分布式結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，常處于強(qiáng)電磁干擾及脈沖電流的干擾下，為了確?？煽啃?，考慮采用和發(fā)展了高性能CAN現(xiàn)場(chǎng)總線作為通訊系統(tǒng)；而且CAN總線在汽車上已使用很久，具有很強(qiáng)的抗干擾性，同時(shí)該技術(shù)比較成熟，已成為汽車使用通訊的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在系統(tǒng)的內(nèi)部通訊以及跟外部通訊都采用CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本分布系統(tǒng)是以CPU80C552為公用模塊平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)的，由于CPU存儲(chǔ)空間及運(yùn)算的有限性，必須采用多CPU來(lái)分別實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)所需的各種功能。完成的基本系統(tǒng)由四個(gè)模塊并行組成：數(shù)據(jù)采集、均衡充電、電量估計(jì)及通訊顯示；各個(gè)模塊分別實(shí)現(xiàn)其功能，通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)單電池電壓、總電壓、充放電電流、溫度的采集和測(cè)量，電量估算。同時(shí)，系統(tǒng)還具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以進(jìn)行具體的電池診斷和電池安全性能保護(hù)等功能的研究和開(kāi)發(fā)。在鋰電池的管理系統(tǒng)中，108只電池采用9塊測(cè)量主板，再加上4塊基本板，共計(jì)13塊板。
圖1電池管理系總體結(jié)構(gòu)圖
2管理系統(tǒng)主模塊的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、電量估計(jì)及顯示診斷等。由于80C552具有8路10位A/D轉(zhuǎn)換的功能，因此，采集模塊先采用線性光耦法測(cè)量單電池的電壓，通過(guò)其4個(gè)A/D口將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入存儲(chǔ)器，溫度測(cè)量采用單總線技術(shù)，使用Dallas數(shù)字芯片來(lái)測(cè)量溫度，該芯片具有12位的精度等級(jí)，能非常準(zhǔn)確地測(cè)量到系統(tǒng)的溫度?？傠妷骸㈦娏餍盘?hào)通過(guò)特殊的傳感器將其信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10V的信號(hào)，通過(guò)14位的A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入系統(tǒng)。
通訊及顯示模塊提供了雙CAN通訊接口，能夠與系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊及外部整車系統(tǒng)通過(guò)CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)系統(tǒng)提供RS232接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與PC機(jī)通訊；模塊還提供5口寸半液晶顯示驅(qū)動(dòng)功能，和按鍵進(jìn)行人機(jī)友好操作；模塊還設(shè)有電壓、電量、電流及溫度的上下限報(bào)警及自檢功能，保證系統(tǒng)的安全性。
各個(gè)系統(tǒng)模塊的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2模塊結(jié)構(gòu)框圖
3電量估算
電量估算采用實(shí)時(shí)電流積分的安時(shí)法進(jìn)行基本估算，然后通過(guò)對(duì)影響電池電量的溫度、自放電及老化等各種參數(shù)進(jìn)行修正，并考慮單塊電池間的不一致性，從而得到精確的電池組電量。
圖3電池電量估算框圖
CAN總線系統(tǒng)
1CAN簡(jiǎn)介
CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118？8）。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。
CAN總線特點(diǎn)
CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(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(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS.
完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理
CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。
使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制
CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2或2個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信
CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。
2CAN總線設(shè)計(jì)
CAN總線總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，在總線的兩端配置了兩個(gè)120Ω的電阻，其作用是總線匹配阻抗，可以增加總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，減少數(shù)據(jù)傳輸中的出錯(cuò)率。CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與CAN總線的通訊；另一類則是由單片機(jī)、CAN控制器及CAN驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，作為一類節(jié)點(diǎn)與CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，CAN控制器采用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000和82C200，它作為一個(gè)發(fā)送、接受緩沖器，實(shí)現(xiàn)主控制器和總線之間的數(shù)據(jù)傳輸；CAN收發(fā)器采用PCA82C250芯片，它是CAN控制器和物理總線的接口，主要可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接受能力。
圖4CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
CAN總線的軟件設(shè)計(jì)
CAN總線的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由SJA1000完成，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要在應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)上，它主要由三個(gè)子程序：初始化子程序、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)程序。同時(shí)，還包括一些數(shù)據(jù)溢出中斷以及幀出錯(cuò)的處理。
SJA1000在上電硬件復(fù)位之后，必須對(duì)其進(jìn)行軟件初始化之后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，初始化過(guò)程主要包括對(duì)其復(fù)位模式下配置時(shí)鐘分頻寄存器CDR、總線定時(shí)寄存器BTR0和BTR1、驗(yàn)收代碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR及輸出控制寄存器OCR等，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的速率、驗(yàn)收屏蔽碼、輸出引腳驅(qū)動(dòng)方式、總線模式及時(shí)鐘分頻進(jìn)行定義。具體的流程如圖5所示。下面為SJA1000發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的流程，基本過(guò)程為主控制器將數(shù)據(jù)保存到SJA1000發(fā)送緩沖器，然后對(duì)命令寄存器的發(fā)送請(qǐng)求TR標(biāo)志位進(jìn)行置位開(kāi)始發(fā)送；接收過(guò)程為SJA1000將從總線上接收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖器，通過(guò)其中斷標(biāo)志位通知主控制器來(lái)處理接收到的信息，接收完畢之后清空緩沖器，等待下次接收，具體的流程如圖6和圖7所示。
圖5CAN總線初始化
圖6CAN的發(fā)送數(shù)據(jù)流程
圖7CAN接收數(shù)據(jù)的流程
例如：電池管理系統(tǒng)向整車系統(tǒng)發(fā)送總電壓的格式，見(jiàn)表1所列。
表1BCU_VCU_VOLTAGE（0x08）向VCU送回電池組當(dāng)前的電壓
其中，ID為接收節(jié)點(diǎn)總線的地址，電壓值先乘10取整再發(fā)送，0x08表示發(fā)送幀的內(nèi)容為電池組的電壓。
CAN總線應(yīng)用問(wèn)題
在硬件方面必須考慮合理的供電，注意對(duì)各個(gè)CAN器件的電源、地之間的濾波，以及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)；同時(shí)在實(shí)際進(jìn)行印刷電路板的設(shè)計(jì)時(shí)，合理布線，要加強(qiáng)地線，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。
在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，CAN總線定時(shí)器的設(shè)置非常關(guān)鍵，BTR0決定傳播時(shí)間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2；BTR1決定同步跳轉(zhuǎn)寬度和分頻值。在位定時(shí)寄存器中，TSEG1，TSEG2，SJW和BRP設(shè)定的值要比其功能值小1，因此設(shè)定范圍是[0……N-1]而不是[1……N].所以位時(shí)間可以由[TSEG1+TSEG2+3]tq或者[同步段+傳播段+相位緩沖段1+相位緩沖段2]tq得到，其中，tq由系統(tǒng)時(shí)鐘tSCL和波特率預(yù)分頻值BRP決定：tq=BRP/tSCL.
同時(shí)，還要注意由于不同節(jié)點(diǎn)的CAN系統(tǒng)時(shí)鐘是由不同振蕩器提供的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際CAN系統(tǒng)時(shí)鐘頻率與實(shí)際位時(shí)有一容差，環(huán)境溫度的變化和振蕩器老化影響起始容差，為確保準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)CAN系統(tǒng)時(shí)鐘頻率都在特定的頻率容差限值以內(nèi)，因此，在選擇振蕩器時(shí)要以對(duì)振蕩器容差范圍要求最高的節(jié)點(diǎn)為準(zhǔn)。而且，在一個(gè)可以擴(kuò)展的總線結(jié)構(gòu)中，最大節(jié)點(diǎn)延遲和總線最大長(zhǎng)度必須考慮，一般情況下，延遲為5.5ns/m.
在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)遇到CAN總線不通或者總線突然關(guān)閉現(xiàn)象，其主要原因是由于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，從而引起出錯(cuò)，當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器達(dá)到一定時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉總線，因此，必須在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，及時(shí)對(duì)其錯(cuò)誤狀態(tài)ES位進(jìn)行判別，在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)需對(duì)SJA1000進(jìn)行軟件復(fù)位，恢復(fù)通訊。
在“863重大專項(xiàng)”電動(dòng)汽車的電池管理模塊的研制中，就是采用CAN總線通訊的分布式結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)鎳氫電池組、鋰電池組的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性，實(shí)現(xiàn)了各模塊的獨(dú)自功能，工作正?？煽?，鋰電池組系統(tǒng)的CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到12，在強(qiáng)電磁干擾下，仍能正常工作，而且線路連接十分簡(jiǎn)單、實(shí)用。
兩種電池組的參數(shù)、測(cè)量方法、電池個(gè)數(shù)、安全要求都不相同，分組也不一樣，但系統(tǒng)均能有效地適應(yīng)，反映出其具有良好的適應(yīng)性和較大的靈活性。
