基于CAN总线的电动汽车能量回收系统研究

1 引言

现场总线技术(field bus)由于其造价低廉又能满足工业现场环境下的通信要求而成为一种新型的通信方式。其中can(controller area network)总线正是当今流行的一种较为先进的、性能出色的现场总线技术。电动汽车能量管理系统需检测和交换大量数据，采用硬接信号线的方式难以解决问题，且繁琐复杂、成本较高，采用can总线来实现其内部的数据通信则是一种有效的方法。文中研究了一个can网络节点-电动汽车能量回收模块，并介绍了一种基于can总线的dc-dc控制器的设计。

2 can总线

can总线是德国bosch公司为汽车监测、控制系统而设计的一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，是一种全数字式现场控制设备互连总线，已成为一种国际标准(iso11898)。philips、intel、motorola等半导体厂商开发了支持can协议的集成器件，如82526、sja1000、68hc05x16等。由于can总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高噪声环境，并具有较远的传输距离。因此，can总线对于许多领域的分布式测控系统很有吸引力，特别适合于基于单片机的小型分布式控制系统。目前已在工业自动化、机床、汽车等诸多领域得到广泛应用。

can具有卓越的性能和高可靠性，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。can总线具有以下突出特点:

(1) 是一种多主总线，可以以多主方式工作，能使系统的各模块实现多主通信，在多主方式工作下，网络上任一节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活;

(2) can网络上的节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时要求;

(3) 非破坏性的基于优先权的总线仲裁和错误界定;

(4) 通信距离可达10km(速率5kb/s),速率可达1mb/s(距离可达40m以内)。

can协议的最大特点是打破了传统的节点地址编码方式，而是对通信数据块进行编码，这种方法可使不同的节点同时接收到相同的数据，可定义211或229个不同的数据类型，网络容量巨大。同时，避免发生总线“冲突”。

3 基于can总线的电动汽车能量管理系统

can通信网络在国内燃油汽车中的应用研究已见诸有关文献。我们提出的基于can总线的电动汽车能量管理系统如图1所示，其中每个模块都成为系统的一个can节点，可以相互通信。它由主控制器、电池管理模块、电机驱动模块、能量回收模块、车况监控模块组成。主要负责维持电动车所有的蓄电池组件工作处于最佳状态;对电机进行监测和控制;对刹车时的瞬时能量进行回收;采集车辆的各子系统的运行数据，进行监控和诊断;控制充电方式和提供剩余能量显示等。

图1 能量管理控制系统功能示意图

4 基于can总线的dc-dc控制器的设计

4.1 能量回收模块系统功能简介

高水平的能量回收是电动汽车研究的一项重要课题。再生制动是将车辆的动能依靠电机的发电机储存在电动汽车的储能装置中重新加以回收利用。我们提出了一种利用超级电容实现再生制动能量回收的方法。电动汽车目前由于蓄电池原因，一次充电续驶里程和运动特性还难以与燃油汽车相比。常多采用向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量，其缺点是蓄电池难于实现短时间大功率充电且充放电循环次数有限，成本高。而超级电容具有比功率高、比重量大、一次储能多等优特点，能大大提高电动汽车的一次续驶里程数并能在汽车启动、加速和爬坡时有效改善电动汽车的运动特性。另外，使用超级电容后，动力电池的使用寿命亦可有较大延长，甚至可延长1.5倍。

在再生制动实验中采用了国内生产的一台永磁无刷直流电机(18kw/288v)和两只超级电容(350v/0.7f/400a，400v /0.58f/400a)，设计了一种能进行双向升、降压变换的小功率斩波器(dc/dc变换器)。 dc/dc变换器是超级电容和电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是通过其主回路的4个igbt管的开关占空比的改变来控制超级电容的充电或放电并提供给负载或超级电容要求的额定电压。电动汽车在起动、加速和恒速运行时，超级电容放电,供给电机电能,电机处在电动状态，实现电能到机械能的变换，驱动车辆前进。当电动汽车减速时，要求直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给作为电源的储能装置超级电容充电，实现机械能到电能的转换。

4.2 dc-dc控制器硬件系统设计

为实现上述控制要求,设计的dc-dc变换器的控制器硬件原理图如图2。

图2 dc-dc控制器硬件原理图

主要功能模块有:

(1) 测量和控制模块

cpu采用80c196kc单片机。电压、电流信号经传感器、信号调理电路整定至适合单片机a/d转换器采集的信号。主要是对电动汽车的油门踏板、刹车踏板，主回路电压、电流及超级电容的电压、电流等信号进行测量及故障监测。

(2) 存储信息模块

扩展eprom32k×8位的紫外线擦除电可编程的只读存储器27256。

(3) 信号输出模块

本系统要求输出四路pwm波形，控制主回路双向升、降压变换的六种控制模式。采用可编程逻辑器件gal16v8与80c196kc的pwm口直接连接，实现四路pwm输出，分时控制主回路的四个igbt管的开关占空比，进行电压调节。

(4) 通信接口模块

控制器扩展的通信接口是can总线接口，can总线接口扩展采用can通信控制器sja1000+高速光耦6n137+can总线收发器 82c250电路，并可通过max232芯片与主计算机的rs232c串行口连接，实现主计算机与控制器的双向通信，其电路原理图如图3所示。

图3 can总线接口电路原理图

4.3 dc-dc控制器软件系统设计

系统软件的功能是对电动汽车的运行状态进行判断。若汽车加速踏板踩下，则超级电容工作在放电方式，调电动升、降压子程序;若汽车刹车踏板踩下，则超级电容工作在充电方式，调制动升、降压子程序。[!--empirenews.page--]

图4 主程序框图

图5 中断服务程序框图1

图6 中断服务程序框图2

为了便于软件的编写和调试、控制算法的改变和分析使用，软件采用了模块化结构。系统软件由主程序、子程序、中断服务程序组成，图4、5、6分别给出了主程序及2个中断服务程序软件框图。

初始化中应设初始值及设定全局变量，初始化各中断服务程序用到的中断向量，并设置软件结构，重置优先级顺序。

a/d采样中断服务程序利用80c196kc的高速输出器hso的cam锁定位，定时启动ach0通道。加减速中断服务程序中使用了80c196kc的高速输入器his记录某一外部事件发生的时间，用于判断加速、减速信号，这使得程序的编写非常简明。

5 结束语

本系统的软硬件均采用了模块化设计，通用性好、灵活性强，可作为开发平台，便于扩展,是一个开放式的分布式控制系统，易于实现人机对话和远程通信。

参考文献

[1] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[m]. 北京:清华大学出版社,1999.

[2] 孙逢春. 电动汽车[m]. 北京:北京理工大学出版社,1997.

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