基于CAN總線的分布式電池管理系統

摘要：主要探討了汽車和電動汽車數字化技術、計算機控制系統的結構以及現場通訊的相關問題。以蓄電池能源系統為應用背景，研究和設計出采用雙CAN總線作為內外通訊方式及具有多模塊分布式結構的管理系統。該系統分為若干模塊，分別實現各自獨立的功能，包括數據采集、測量多路電壓、電流和溫度、進行電量估算和通訊管理以及大液晶屏的顯示。

為滿足系統發展所需要的高性能、安全性和可擴展的要求，提出雙CAN總線通訊、分布處理的管理系統結構思想。重點介紹了CAN總線設計、電路和應用的技術問題。關鍵詞：電池管理系統；CAN總線；分布結構；電動汽車

Distributed Battery Management System Basedon CAN Bus

LIAN Zi-feng,ZHENG Hang-bo,QI Guo-guang

Abstract:The digital technology of vehicle and electronic vehicle (EV), with the emphasis on the structure of the system controlled by computer and something about the communication are mainly discussed.The management system which has been studied and designed uses double CAN(Controller Area Network) bus as its interior and exterior communication method. The system adopts distributed structure and consists of several modules, each of which realizes its special function, such as data collection, the measure of multi loop voltage,current and temperature, the computing of the SOC(State of Charge), the management of communication and liquid crystal display.

In order to fulfill the need of high performance, security and extend for the system,some ideas, including communication with double CAN bus and distributed process are putted forward. The CAN bus design,the circuit and the technological problem in the application of CAN bus are also discussed.

Keywords:Battery management system (BMS); CAN bus; Distributed structure； EV

1 前言

隨著高科技及其產業的迅速發展，大存儲容量的電池組能源系統已經越來越被人們所重視，在很多領域中都得到廣泛地應用，如在汽車產業發展的新方向、新熱點——電動汽車及混合動力車的研究及產業化中，將作為車載能源的主要供給者。

蓄電池組是由一定數量的單體電池串聯組成的，它可以進行百次至千次的充放電；在使用中必須注意其各個單體電池的各種特性、電池溫度、電池的剩余電量及總電流等參數，因為這些參數直接影響電池的使用壽命，必須做到優化運行和有效監控，防止電池出現過充、過放及溫度過高等問題，從而延長電池的使用壽命和降低成本，特別是提高電池的可靠性。可以把給電池組配套的電子、控制及數字技術稱為數字“電池電子技術”。同樣在汽車的電子、數字技術中，已經使用多個CPU完成各種參數、功能的控制問題，考慮汽車的安全性，運行必須十分可靠，于是發展了并聯的獨立多個系統結構，再由現場總線聯接，組成統一的大系統。

2 分布式結構的管理系統

2.1 系統結構

系統要實現不同類型的多種功能，集中的或中央處理方式無法滿足安全性要求，自然要采用分布式結構 ； 系 統 的 工 作 環 境 惡 劣 ， 常 處 于 強 電 磁 干 擾 及 脈 沖 電 流 的 干 擾 下 ， 為 了 確 保 可 靠 性 ， 考 慮 采 用 和 發 展 了 高 性 能CAN現 場 總 線 作 為 通 訊 系 統 ； 而 且CAN總 線 在 汽 車 上 已 使 用 很 久 ， 具 有 很 強 的 抗 干 擾 性 ， 同 時 該 技 術 比 較 成 熟 ， 已 成 為 汽 車 使 用 通 訊 的 標 準 。 因 此 ， 在 系 統 的 內 部 通 訊 以 及 跟 外 部 通 訊 都 采 用CAN總 線 來 實 現 。

本分布系統是以CPU80C552為公用模塊平臺來設計的，由于CPU存儲空間及運算的有限性，必須采用多CPU來分別實現管理系統所需的各種功能。完成的基本系統由四個模塊并行組成：數據采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示；各個模塊分別實現其功能，通過CAN總線進行數據通訊，能夠實現單電池電壓、總電壓、充放電電流、溫度的采集和測量，電量估算。同時，系統還具有很強的擴展性，可以進行具體的電池診斷和電池安全性能保護等功能的研究和開發。在鋰電池的管理系統中，108只電池采用9塊測量主板，再加上4塊基本板，共計13塊板。

圖1 電 池 管 理 系 總 體 結 構 圖

2.2 管理系統主模塊的設計

系統的主要功能包括數據采集、電量估計及顯示診斷等。由于80C552具有8路10位A/D轉換的功能，因此，采集模塊先采用線性光耦法測量單電池的電壓，通過其4個A/D口將模擬量轉換為數字量存入存儲器，溫度測量采用單總線技術，使用Dallas數字芯片來測量溫度，該芯片具有12位的精度等級，能非常準確地測量到系統的溫度。總電壓、電流信號通過特殊的傳感器將其信號轉換為0～10V的信號，通過14位的A/D轉換器件轉換為數字量存入系統。

通訊及顯示模塊提供了雙CAN通訊接口，能夠與系統內各個模塊及外部整車系統通過CAN進行數據傳輸；同時系統提供RS232接口，能夠實現與PC機通訊；模塊還提供5口寸半液晶顯示驅動功能，和按鍵進行人機友好操作；模塊還設有電壓、電量、電流及溫度的上下限報警及自檢功能，保證系統的安全性。

各個系統模塊的基本結構框圖如圖2所示。

圖2 模 塊 結 構 框 圖