基于CAN总线的分布式电池管理系统

1 前 言
    随 着 高 科 技 及 其 产 业 的 迅 速 发 展 ， 大 存 储 容 量 的 电 池 组 能 源 系 统 已 经 越 来 越 被 人 们 所 重 视 ， 在 很 多 领 域 中 都 得 到 广 泛 地 应 用 ， 如 在 汽 车 产 业 发 展 的 新 方 向 、 新 热 点 — — 电 动 汽 车 及 混 合 动 力 车 的 研 究 及 产 业 化 中 ， 将 作 为 车 载 能 源 的 主 要 供 给 者 。
    蓄 电 池 组 是 由 一 定 数 量 的 单 体 电 池 串 联 组 成 的 ， 它 可 以 进 行 百 次 至 千 次 的 充 放 电 ； 在 使 用 中 必 须 注 意 其 各 个 单 体 电 池 的 各 种 特 性 、 电 池 温 度 、 电 池 的 剩 余 电 量 及 总 电 流 等 参 数 ， 因 为 这 些 参 数 直 接 影 响 电 池 的 使 用 寿 命 ， 必 须 做 到 优 化 运 行 和 有 效 监 控 ， 防 止 电 池 出 现 过 充 、 过 放 及 温 度 过 高 等 问 题 ， 从 而 延 长 电 池 的 使 用 寿 命 和 降 低 成 本 ， 特 别 是 提 高 电 池 的 可 靠 性 。 可 以 把 给 电 池 组 配 套 的 电 子 、 控 制 及 数 字 技 术 称 为 数 字 “ 电 池 电 子 技 术 ” 。 同 样 在 汽 车 的 电 子 、 数 字 技 术 中 ， 已 经 使 用 多 个 CPU完 成 各 种 参 数 、 功 能 的 控 制 问 题 ， 考 虑 汽 车 的 安 全 性 ， 运 行 必 须 十 分 可 靠 ， 于 是 发 展 了 并 联 的 独 立 多 个 系 统 结 构 ， 再 由 现 场 总 线 联 接 ， 组 成 统 一 的 大 系 统 。
2 分 布 式 结 构 的 管 理 系 统
2.1 系 统 结 构
    系 统 要 实 现 不 同 类 型 的 多 种 功 能 ， 集 中 的 或 中 央 处 理 方 式 无 法 满 足 安 全 性 要 求 ， 自 然 要 采 用 分 布 式 结 构 ； 系 统 的 工 作 环 境 恶 劣 ， 常 处 于 强 电 磁 干 扰 及 脉 冲 电 流 的 干 扰 下 ， 为 了 确 保 可 靠 性 ， 考 虑 采 用 和 发 展 了 高 性 能 CAN现 场 总 线 作 为 通 讯 系 统 ； 而 且 CAN总 线 在 汽 车 上 已 使 用 很 久 ， 具 有 很 强 的 抗 干 扰 性 ， 同 时 该 技 术 比 较 成 熟 ， 已 成 为 汽 车 使 用 通 讯 的 标 准 。 因 此 ， 在 系 统 的 内 部 通 讯 以 及 跟 外 部 通 讯 都 采 用 CAN总 线 来 实 现 。
    本 分 布 系 统 是 以 CPU 80C552为 公 用 模 块 平 台 来 设 计 的 ， 由 于 CPU存 储 空 间 及 运 算 的 有 限 性 ， 必 须 采 用 多 CPU来 分 别 实 现 管 理 系 统 所 需 的 各 种 功 能 。 完 成 的 基 本 系 统 由 四 个 模 块 并 行 组 成 ： 数 据 采 集 、 均 衡 充 电 、 电 量 估 计 及 通 讯 显 示 ； 各 个 模 块 分 别 实 现 其 功 能 ， 通 过 CAN总 线 进 行 数 据 通 讯 ， 能 够 实 现 单 电 池 电 压 、 总 电 压 、 充 放 电 电 流 、 温 度 的 采 集 和 测 量 ， 电 量 估 算 。 同 时 ， 系 统 还 具 有 很 强 的 扩 展 性 ， 可 以 进 行 具 体 的 电 池 诊 断 和 电 池 安 全 性 能 保 护 等 功 能 的 研 究 和 开 发 。 在 锂 电 池 的 管 理 系 统 中 ， 108只 电 池 采 用 9块 测 量 主 板 ， 再 加 上 4块 基 本 板 ， 共 计 13块 板 。

2.2 管 理 系 统 主 模 块 的 设 计
    系 统 的 主 要 功 能 包 括 数 据 采 集 、 电 量 估 计 及 显 示 诊 断 等 。 由 于 80C552具 有 8路 10位 A/D转 换 的 功 能 ， 因 此 ， 采 集 模 块 先 采 用 线 性 光 耦 法 测 量 单 电 池 的 电 压 ， 通 过 其 4个 A/D口 将 模 拟 量 转 换 为 数 字 量 存 入 存 储 器 ， 温 度 测 量 采 用 单 总 线 技 术 ， 使 用 Dallas 数 字 芯 片 来 测 量 温 度 ， 该 芯 片 具 有 12位 的 精 度 等 级 ， 能 非 常 准 确 地 测 量 到 系 统 的 温 度 。 总 电 压 、 电 流 信 号 通 过 特 殊 的 传 感 器 将 其 信 号 转 换 为 0～ 10V的 信 号 ， 通 过 14位 的 A/D转 换 器 件 转 换 为 数 字 量 存 入 系 统 。
    通 讯 及 显 示 模 块 提 供 了 双 CAN通 讯 接 口 ， 能 够 与 系 统 内 各 个 模 块 及 外 部 整 车 系 统 通 过 CAN进 行 数 据 传 输 ； 同 时 系 统 提 供 RS232接 口 ， 能 够 实 现 与 PC机 通 讯 ； 模 块 还 提 供 5口 寸 半 液 晶 显 示 驱 动 功 能 ， 和 按 键 进 行 人 机 友 好 操 作 ； 模 块 还 设 有 电 压 、 电 量 、 电 流 及 温 度 的 上 下 限 报 警 及 自 检 功 能 ， 保 证 系 统 的 安 全 性 。
    各 个 系 统 模 块 的 基 本 结 构 框 图 如 图 2所 示 。

2.3 电 量 估 算
    电 量 估 算 采 用 实 时 电 流 积 分 的 安 时 法 进 行 基 本 估 算 ， 然 后 通 过 对 影 响 电 池 电 量 的 温 度 、 自 放 电 及 老 化 等 各 种 参 数 进 行 修 正 ， 并 考 虑 单 块 电 池 间 的 不 一 致 性 ， 从 而 得 到 精 确 的 电 池 组 电 量 。

3 CAN总 线 系 统
3.1 CAN简 介
    CAN总 线 是 现 场 总 线 的 一 种 ,是 德 国 Bosch公 司 在 1986年 为 解 决 现 代 汽 车 中 众 多 的 控 制 与 测 试 仪 器 之 间 的 数 据 交 换 而 开 发 的 一 种 串 行 高 速 数 据 通 信 总 线 。 它 采 用 了 ISO/OSI模 型 的 七 层 结 构 中 的 物 理 层 和 数 据 链 路 层 ,具 有 较 高 的 可 靠 性 、 实 时 性 和 灵 活 性 。
    CAN总 线 具 有 以 下 独 特 的 优 点 ：
    1） CAN能 以 多 主 方 式 工 作 ， 网 络 上 任 意 一 个 节 点 均 可 以 在 任 意 时 刻 向 网 络 上 其 他 节 点 发 送 信 息 ， 而 不 分 主 从 ， 通 信 方 式 灵 活 ；
    2） CAN可 以 实 现 点 对 点 、 一 点 对 多 点 及 全 局 广 播 等 方 式 传 送 和 接 受 数 据 ， 通 信 介 质 采 用 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 或 光 纤 ， 选 择 灵 活 ， 通 信 距 离 最 远 可 达 10km/5kb/s， 通 信 速 率 最 高 可 达 1Mb/s/40m。 CAN上 节 点 数 取 决 于 总 线 驱 动 电 路 ， 实 际 可 达 110个 ；
    3） CAN节 点 在 错 误 严 重 的 情 况 下 ， 具 有 自 动 关 闭 输 出 的 功 能 ， 切 断 它 与 总 线 的 联 系 ， 以 使 总 线 上 其 它 操 作 不 受 影 响 。 采 用 NRZ编 码 /解 码 方 式 ， 并 采 用 位 填 充 技 术 。 用 户 接 口 简 单 ,编 程 方 便 ,很 容 易 构 成 用户 系 统 ；
    4） CAN采 用 非 破 坏 性 仲 裁 技 术 ， 当 两 个 节 点 同 时 向 网 络 上 传 送 信 息 时 ， 优 先 级 低 的 节 点 主 动 停 止 数 据 发 送 ， 而 优 先 级 高 的 节 点 可 不 受 影 响 地 继 续 传 输 数 据 ,有 效 避 免 了 总 线 冲 突 。
    5） CAN采 用 短 帧 结 构 ， 每 一 帧 为 8 bite， 传 输 时 间 短 ， 受 干 扰 的 概 率 低 ， 每 帧 信 息 都 有 CRC校 验 及 其 它 检 错 措 施 ， 保 证 了 数 据 的 出 错 率 极 低 。
3.2 CAN总 线 设 计
    CAN总 线 总 体 结 构 如 图 4所 示 ， 在 总 线 的 两 端 配 置 了 两 个 120Ω 的 电 阻 ， 其 作 用 是 总 线 匹 配 阻 抗 ， 可 以 增 加 总 线 传 输 的 稳 定 性 和 抗 干 扰 能 力 ， 减 少 数 据 传 输 中 的 出 错 率 。 CAN总 线 节 点 结 构 一 般 分 为 两 类 ： 一 类 采 用 CAN适 配 卡 与 PC机 相 连 ， 实 现 上 位 机 与 CAN总 线 的 通 讯 ； 另 一 类 则 是 由 单 片 机 、 CAN控 制 器 及 CAN驱 动 器 构 成 ， 作 为 一 类 节 点 与 CAN总 线 进 行 数 据 传 输 。 在 本 系 统 中 ， CAN 控 制 器 采 用 Philips公 司 生 产 的 SJA1000和 82C200， 它 作 为 一 个 发 送 、 接 受 缓 冲 器 ， 实 现 主 控 制 器 和 总 线 之 间 的 数 据 传 输 ； CAN收 发 器 采 用 PCA82C250芯 片 ， 它 是 CAN控 制 器 和 物 理 总 线 的 接 口 ， 主 要 可 以 提 供 对 总 线 的 差 动 发 送 能 力 和 对 CAN控 制 器 的 差 动 接 受 能 力 。

4 CAN总 线 的 软 件 设 计
    CAN总 线 的 三 层 结 构 模 型 为 ： 物 理 层 、 数 据 链 路 层 和 应 用 层 。 其 中 物 理 层 和 数 据 链 路 层 的 功 能 由 SJA1000完 成 ， 系 统 的 开 发 主 要 在 应 用 层 软 件 的 设 计 上 ， 它 主 要 由 三 个 子 程 序 ： 初 始 化 子 程 序 、 发 送 数 据 和 接 收 数 据 程 序 。 同 时 ， 还 包 括 一 些 数 据 溢 出 中 断 以 及 帧 出 错 的 处 理 。
    SJA1000在 上 电 硬 件 复 位 之 后 ， 必 须 对 其 进 行 软 件 初 始 化 之 后 才 可 以 进 行 数 据 通 讯 ， 初 始 化 过 程 主 要 包 括 对 其 复 位 模 式 下 配 置 时 钟 分 频 寄 存 器 CDR、 总 线 定 时 寄 存 器 BTR0和 BTR1、 验 收 代 码 寄 存 器 ACR、 验 收 屏 蔽 寄 存 器 AMR及 输 出 控 制 寄 存 器 OCR等 ， 实 现 对 总 线 的 速 率 、 验 收 屏 蔽 码 、 输 出 引 脚 驱 动 方 式 、 总 线 模 式 及 时 钟 分 频 进 行 定 义 。 具 体 的 流 程 如 图 5所 示 。 

    下 面 为 SJA1000发 送 和 接 收 数 据 的 流 程 ， 基 本 过 程 为 主 控 制 器 将 数 据 保 存 到 SJA1000发 送 缓 冲 器 ， 然 后 对 命 令 寄 存 器 的 发 送 请 求 TR标 志 位 进 行 置 位 开 始 发 送 ； 接 收 过 程 为 SJA1000将 从 总 线 上 接 收 到 的 数 据 存 入 接 收 缓 冲 器 ， 通 过 其 中 断 标 志 位 通 知 主 控 制 器 来 处 理 接 收 到 的 信 息 ， 接 收 完 毕 之 后 清 空 缓 冲 器 ， 等 待 下 次 接 收 ， 具 体 的 流 程 如 图 6和 图 7所 示 。

    例 如 ： 电 池 管 理 系 统 向 整 车 系 统 发 送 总 电 压 的 格式 ， 见 表 1所 列 。

    其 中 ， ID为 接 收 节 点 总 线 的 地 址 ， 电 压 值 先 乘 10取 整 再 发 送 ， 0x08表 示 发 送 帧 的 内 容 为 电 池 组 的 电 压 。
5 CAN总 线 应 用 问 题
    在 硬 件 方 面 必 须 考 虑 合 理 的 供 电 ， 注 意 对 各 个 CAN器 件 的 电 源 、 地 之 间 的 滤 波 ， 以 及 复 位 电 路 的 设 计 ； 同 时 在 实 际 进 行 印 刷 电 路 板 的 设 计 时 ， 合 理 布 线 ， 要 加 强 地 线 ， 增 强 系 统 的 抗 干 扰 性 。
    在 软 件 设 计 时 ， CAN总 线 定 时 器 的 设 置 非 常 关 键 ， BTR0决 定 传 播 时 间 段 、 相 位 缓 冲 段 1和 相 位 缓 冲 段 2； BTR1决 定 同 步 跳 转 宽 度 和 分 频 值 。 在 位 定 时 寄 存 器 中 ， TSEG1， TSEG2， SJW和 BRP设 定 的 值 要 比 其 功 能 值 小 1， 因 此 设 定 范 围 是 [0.....N－ 1]而 不 是 [1.....N]。 所 以 位 时 间 可 以 由 [TSEG1＋ TSEG2＋ 3]tq或 者 [同 步 段 ＋ 传 播 段 ＋ 相 位 缓 冲 段 1＋ 相 位 缓 冲 段 2]tq得 到 ， 其 中 ， tq由 系 统 时 钟 tSCL和 波 特 率 预 分 频 值 BRP决 定 ： tq=BRP/tSCL。 同 时 ， 还 要 注 意 由 于 不 同 节 点 的 CAN系 统 时 钟 是 由 不 同 振 荡 器 提 供 的 ， 每 个 节 点 的 实 际 CAN系 统 时 钟 频 率 与 实 际 位 时 有 一 容 差 ， 环 境 温 度 的 变 化 和 振 荡 器 老 化 影 响 起 始 容 差 ， 为 确 保 准 确 地 进 行 数 据 传 输 ， 必 须 保 证 每 个 节 点 对 CAN系 统 时 钟 频 率 都 在 特 定 的 频 率 容 差 限 值 以 内 ， 因 此 ， 在 选 择 振 荡 器 时 要 以 对 振 荡 器 容 差 范 围 要 求 最 高 的 节 点 为 准 。 而 且 ， 在 一 个 可 以 扩 展 的 总 线 结 构 中 ， 最 大 节 点 延 迟 和 总 线 最 大 长 度 必 须 考 虑 ， 一 般 情 况 下 ， 延 迟 为 5.5ns/m。
    在 实 际 运 行 中 ， 经 常 会 遇 到 CAN总 线 不 通 或 者 总 线 突 然 关 闭 现 象 ， 其 主 要 原 因 是 由 于 在 数 据 传 输 过 程 中 出 现 丢 帧 现 象 ， 从 而 引 起 出 错 ， 当 错 误 计 数 器 达 到 一 定 时 会 自 动 关 闭 总 线 ， 因 此 ， 必 须 在 软 件 设 计 的 过 程 中 ， 及 时 对 其 错 误 状 态 ES位 进 行 判 别 ， 在 出 现 错 误 时 需 对 SJA1000进 行 软 件 复 位 ， 恢 复 通 讯 。
6 结 语
    在 “ 863重 大 专 项 ” 电 动 汽 车 的 电 池 管 理 模 块 的 研 制 中 ， 就 是 采 用 CAN总 线 通 讯 的 分 布 式 结 构 。 通 过 对 镍 氢 电 池 组 、 锂 电 池 组 的 台 架 试 验 结 果 表 明 了 系 统 结 构 的 先 进 性 ， 实 现 了 各 模 块 的 独 自 功 能 ， 工 作 正 常 可 靠 ， 锂 电 池 组 系 统 的 CAN总 线 的 节 点 数 增 加 到 12， 在 强 电 磁 干 扰 下 ， 仍 能 正 常 工 作 ， 而 且 线 路 连 接 十 分 简 单 、 实 用 。
    两 种 电 池 组 的 参 数 、 测 量 方 法 、 电 池 个 数 、 安 全 要 求 都 不 相 同 ， 分 组 也 不 一 样 ， 但 系 统 均 能 有 效 地 适 应 ， 反 映 出 其 具 有 良 好 的 适 应 性 和 较 大 的 灵 活 性 。