中心議題：

• 分布式" title="分布式">分布式結(jié)構(gòu)的管理系統(tǒng)
• CAN" title="CAN">CAN總線系統(tǒng)
• CAN總線的軟件設(shè)計
• CAN總線應(yīng)用問題

解決方案：

• 管理系統(tǒng)主模塊的設(shè)計
• CAN總線設(shè)計

隨著高科技及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,，大存儲容量的電池組能源系統(tǒng)已經(jīng)越來越被人們所重視,，在很多領(lǐng)域中都得到廣泛地應(yīng)用，如在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向、新熱點——電動汽車及混合動力車的研究及產(chǎn)業(yè)化中,，將作為車載能源的主要供給者,。
　　
蓄電池組是由一定數(shù)量的單體電池串聯(lián)組成的，它可以進(jìn)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(shù),，因為這些參數(shù)直接影響電池的使用壽命,，必須做到優(yōu)化運(yùn)行和有效監(jiān)控，防止電池出現(xiàn)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,?？梢园呀o電池組配套的電子、控制及數(shù)字技術(shù)稱為數(shù)字“電池電子技術(shù)”,。同樣在汽車的電子,、數(shù)字技術(shù)中，已經(jīng)使用多個CPU完成各種參數(shù),、功能的控制問題,，考慮汽車的安全性，運(yùn)行必須十分可靠,，于是發(fā)展了并聯(lián)的獨立多個系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，再由現(xiàn)場總線聯(lián)接，組成統(tǒng)一的大系統(tǒng),。

分布式結(jié)構(gòu)的管理系統(tǒng)

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
系統(tǒng)要實現(xiàn)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(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總線來實現(xiàn),。
　　
本分布系統(tǒng)是以CPU80C552為公用模塊平臺來設(shè)計的，由于CPU存儲空間及運(yùn)算的有限性,，必須采用多CPU來分別實現(xiàn)管理系統(tǒng)所需的各種功能,。完成的基本系統(tǒng)由四個模塊并行組成：數(shù)據(jù)采集、均衡充電,、電量估計及通訊顯示,；各個模塊分別實現(xiàn)其功能，通過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,、溫度的采集和測量,，電量估算。同時,，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)等功能的研究和開發(fā)。在鋰電池的管理系統(tǒng)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" title="電池管理">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
　　
系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集,、電量估計及顯示診斷等。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量單電池的電壓,，通過其4個A/D口將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入存儲器,，溫度測量采用單總線技術(shù)，使用Dallas數(shù)字芯片來測量溫度,，該芯片具有12位的精度等級,，能非常準(zhǔn)確地測量到系統(tǒng)的溫度?？傠妷?、電流信號通過特殊的傳感器將其信號轉(zhuǎn)換為0～10V的信號，通過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)各個模塊及外部整車系統(tǒng)通過CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時系統(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警及自檢功能，保證系統(tǒng)的安全性,。
　　
各個系統(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
　　
電量估算采用實時電流積分的安時法進(jìn)行基本估算，然后通過對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簡介
　　
CAN總線是現(xiàn)場總線的一種,是德國Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行高速數(shù)據(jù)通信總線,。它采用了ISO/OSI模型的七層結(jié)構(gòu)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,具有較高的可靠性、實時性和靈活性,。
　　
CAN總線具有以下獨特的優(yōu)點：
　　
1）CAN能以多主方式工作,，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從,，通信方式靈活,；
　　
2）CAN可以實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送和接受數(shù)據(jù),，通信介質(zhì)采用雙絞線,、同軸電纜或光纖，選擇靈活,，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kb/s,，通信速率最高可達(dá)1Mb/s/40m。CAN上節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路,，實際可達(dá)110個,；
　　
3）CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉輸出的功能,，切斷它與總線的聯(lián)系,，以使總線上其它操作不受影響。采用NRZ編碼/解碼方式,，并采用位填充技術(shù),。用戶接口簡單,編程方便,很容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)；
　　
4）CAN采用非破壞性仲裁技術(shù),，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時,，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),有效避免了總線沖突,。
　　
5）CAN采用短幀結(jié)構(gòu),，每一幀為8bite,，傳輸時間短，受干擾的概率低,，每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施,，保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低。

2CAN總線設(shè)計
　　
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)傳輸中的出錯率,。CAN總線節(jié)點結(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)動器構(gòu)成，作為一類節(jié)點與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，它作為一個發(fā)送,、接受緩沖器,，實現(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,，主要可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力。


圖4CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　
CAN總線的軟件設(shè)計
　　
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)的開發(fā)主要在應(yīng)用層軟件的設(shè)計上,，它主要由三個子程序：初始化子程序,、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)程序。同時,，還包括一些數(shù)據(jù)溢出中斷以及幀出錯的處理,。
　　
SJA1000在上電硬件復(fù)位之后,，必須對其進(jìn)行軟件初始化之后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,，初始化過程主要包括對其復(fù)位模式下配置時鐘分頻寄存器CDR、總線定時寄存器BTR0和BTR1,、驗收代碼寄存器ACR,、驗收屏蔽寄存器AMR及輸出控制寄存器OCR等，實現(xiàn)對總線的速率,、驗收屏蔽碼,、輸出引腳驅(qū)動方式,、總線模式及時鐘分頻進(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,，基本過程為主控制器將數(shù)據(jù)保存到SJA1000發(fā)送緩沖器，然后對命令寄存器的發(fā)送請求TR標(biāo)志位進(jìn)行置位開始發(fā)送,；接收過程為SJA1000將從總線上接收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖器,，通過其中斷標(biāo)志位通知主控制器來處理接收到的信息，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)用問題
　　
在硬件方面必須考慮合理的供電,，注意對各個CAN器件的電源,、地之間的濾波，以及復(fù)位電路的設(shè)計,；同時在實際進(jìn)行印刷電路板的設(shè)計時,，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)計時，CAN總線定時器的設(shè)置非常關(guān)鍵,，BTR0決定傳播時間段,、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)時鐘tSCL和波特率預(yù)分頻值BRP決定：tq=BRP/tSCL。

同時,，還要注意由于不同節(jié)點的CAN系統(tǒng)時鐘是由不同振蕩器提供的,，每個節(jié)點的實際CAN系統(tǒng)時鐘頻率與實際位時有一容差,，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,，必須保證每個節(jié)點對CAN系統(tǒng)時鐘頻率都在特定的頻率容差限值以內(nèi),，因此，在選擇振蕩器時要以對振蕩器容差范圍要求最高的節(jié)點為準(zhǔn),。而且,，在一個可以擴(kuò)展的總線結(jié)構(gòu)中，最大節(jié)點延遲和總線最大長度必須考慮,，一般情況下,，延遲為5.5ns/m。
　　
在實際運(yùn)行中,，經(jīng)常會遇到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)傳輸過程中出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，從而引起出錯,，當(dāng)錯誤計數(shù)器達(dá)到一定時會自動關(guān)閉總線,，因此，必須在軟件設(shè)計的過程中,，及時對其錯誤狀態(tài)ES位進(jìn)行判別,，在出現(xiàn)錯誤時需對SJA1000進(jìn)行軟件復(fù)位，恢復(fù)通訊,。
　　
在“863重大專項”電動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)。通過對鎳氫電池組,、鋰電池組的臺架試驗結(jié)果表明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性,，實現(xiàn)了各模塊的獨自功能，工作正?？煽?，鋰電池組系統(tǒng)的CAN總線的節(jié)點數(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單、實用,。
　　
兩種電池組的參數(shù),、測量方法、電池個數(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,。