基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)研究

肖林京,岳明臣,李洪宇,常 龍,張玉龍

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)研究

肖林京,岳明臣,李洪宇,常 龍,張玉龍

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

為保證鋰離子蓄電池在使用過程中的高可靠性，需對電壓、電流、溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)測。該文設(shè)計一種基于CAN2.0B協(xié)議的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，采用iCoupler磁隔離技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)通信接口的硬件電路設(shè)計，并對CAN通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)報文數(shù)據(jù)格式及擴展標識符的分配方法做統(tǒng)一規(guī)定，在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)軟件設(shè)計。通過現(xiàn)場測試，結(jié)果顯示報文以60ms為周期在整個CAN通信網(wǎng)絡(luò)中準確、不間斷地傳輸，符合鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對于實時性和可靠性的要求。

CAN總線；鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)；iCoupler磁隔離

0 引 言

能源短缺與環(huán)境污染的日益嚴重，使得以傳統(tǒng)能源作為動力源的設(shè)備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。相比鉛酸、鎳氫電池，鋰離子蓄電池是目前理想的新一代綠色能源，具有循環(huán)壽命長、能量密度高和環(huán)保的優(yōu)點[1]。在已投入市場的蓄電池電機車中，很少有以鋰電池作為動力電源，在歐美一些發(fā)達國家中，由于受鋰電池技術(shù)水平的制約，鋰電池在電機車上的應(yīng)用也一直停留在論證階段。隨著近幾年來大容量鋰離子蓄電池研發(fā)和應(yīng)用取得了長足的技術(shù)突破，國內(nèi)外鋰電池電機車的開發(fā)迎來了新的熱潮[2]。

單體鋰電池性能上的差異以及在使用過程中對自身電壓、電流、溫度等參數(shù)實時性的要求，使得通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計成為了鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)中的核心技術(shù)，能夠保證整個電源管理系統(tǒng)實時、高效的運行[3]。本文設(shè)計了一種基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，在對整個電源系統(tǒng)通信過程測試和分析的基礎(chǔ)上，驗證基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計符合鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性的要求。

1 CAN網(wǎng)絡(luò)的鋰離子蓄電池電源管理系統(tǒng)總體設(shè)計

鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對于實時性和穩(wěn)定性都有嚴格要求。在該系統(tǒng)中節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信是最基礎(chǔ)的，因此在選擇數(shù)據(jù)總線時實時性以及穩(wěn)定性是首要考慮的因素[4]。CAN總線是一種高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的現(xiàn)場總線，為本通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持[5]。本設(shè)計的通信方案要求數(shù)據(jù)以60ms為周期在通信網(wǎng)絡(luò)回路中不間斷地準確傳遞，通信速率選為400kb/s，分布距離小于50m。

本文設(shè)計的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)中有3類CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信接口，分別是總成控制器CAN通信接口、模塊控制器CAN通信接口以及液晶顯示模塊CAN通信接口，整個通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。液晶顯示模塊主要用來接收來自模塊控制器和總成控制器的數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)的顯示功能。模塊控制器主要由電壓采集單元、電流采集單元和溫度測量單元構(gòu)成，主要完成電壓、電流和溫度信息采集，并將所獲得的數(shù)據(jù)信息通過CAN總線傳輸給總成控制器和液晶顯示模塊?？偝煽刂破饔筛鞅O(jiān)控單元構(gòu)成，主要完成各種狀態(tài)、故障的監(jiān)視，模塊控制器的控制、調(diào)節(jié)功能?？偝煽刂破鹘?jīng)CAN總線與模塊控制器和液晶顯示模塊進行通信，實現(xiàn)對整個電源系統(tǒng)的監(jiān)測、管理和控制等功能。

2 CAN通信網(wǎng)絡(luò)硬件電路設(shè)計

在CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計中，最為重要和核心的是CAN控制器的選取、CAN收發(fā)器的選取以及信號在傳輸過程中的隔離技術(shù)[6]。

本文設(shè)計的CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列芯片自帶的CAN控制器。該控制器是基于ARM的32位微控制器，其內(nèi)部的CAN接口兼容規(guī)范2.0A和2.0B(主動)協(xié)議，位速率高達1Mb/s。它可以接收和發(fā)送11位標識符的標準幀，也可以接收和發(fā)送29位標識符的擴展幀。具有3個發(fā)送郵箱和2個接收郵箱，3級14個可調(diào)節(jié)的濾波器，其用法靈活可靠，能夠滿足系統(tǒng)進一步擴展的需要。

將PCA82C250作為CAN收發(fā)器，它是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，與ISO 11898標準完全兼容。其芯片內(nèi)部具有限流電路，能夠保護收發(fā)器輸出級，避免陽極和陰極短路。采用雙線差分驅(qū)動，提高對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，有助于抑制惡劣電器環(huán)境下電流的瞬變，使總線具備很強的抗瞬間干擾能力[6]。

傳統(tǒng)的CAN總線隔離采用的是光電耦合器技術(shù),使用光束來隔離和保護檢測電路，但是其不穩(wěn)定的電流傳輸速率、非線性的傳輸函數(shù)、溫度和使用壽命等方面的問題都制約著其在更高要求環(huán)境中的應(yīng)用[7]。本文設(shè)計的CAN網(wǎng)絡(luò)采用的隔離芯片ADuM1201[7]，是基于亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司iCoupler磁隔離技術(shù)的雙通道數(shù)字隔離器，采用了高速CMOS工藝和芯片級的變壓器技術(shù)來集成變壓器驅(qū)動和接收電路，由于其取消了光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，無需驅(qū)動LED的外部電路，因此其功耗僅為光電耦合器的1/50～1/10，數(shù)據(jù)傳輸速率和時序精度是光電耦合器的10倍。同時，ADUM1201的電源電壓為2.7～5.5V，從而進一步降低系統(tǒng)的功耗，并且能夠在一個芯片內(nèi)提供兩個高度匹配的方向相反的隔離通道,這樣大大簡化了硬件連接線路[8]。

圖2給出了CAN總線通信接口硬件設(shè)計電路。ADuM1201的1、4引腳和5、8引腳之間各自加一個旁路電容，濾除高頻噪聲和高頻雜波，2、3引腳分別連接STM32F103系列芯片CAN控制器的CAN_RX和CAN_TX引腳。將PCA82C250的RS引腳通過電阻接地，使其在高速模式下工作。總線末端加上與傳輸電纜特性阻抗接近的120Ω終端匹配電阻,消除信號反射，提高通信網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力[9]。CANH和CANL直接與CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)相連。

3 CAN通信網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議的設(shè)定

現(xiàn)有的CAN2.0B協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況自己開發(fā)應(yīng)用層程序[10]。

本文設(shè)計的整個CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用帶有擴展成29位ID標識符的高級形式的PeliCAN進行數(shù)據(jù)傳輸，并且對這29位擴展標識符做了如表1所示的編碼分配，這種編碼分配方法給出了目標設(shè)備編號、目標設(shè)備類型、報文CID號、源標設(shè)備編號和源標設(shè)備類型等信息，保留的10個位的編碼，能夠增加CAN通信網(wǎng)絡(luò)的通用性和可擴展性。

總線上各節(jié)點的編碼規(guī)則如表2所示，表中編碼數(shù)值越小，說明與之對應(yīng)的設(shè)備優(yōu)先級越高。

設(shè)備編號從0000～1111，共16個編號，單一的目標設(shè)備類型和目標設(shè)備編號組成唯一的報文去向，單一的源標設(shè)備類型和源標設(shè)備編號組成唯一的報文來源。將目標設(shè)備類型和目標設(shè)備編號的組合作為此條報文優(yōu)先級的評估標準，以目標設(shè)備類型編碼為高3位、以目標設(shè)備編號為低4位，二者組成的數(shù)值代表了此條報文的優(yōu)先級數(shù)值，優(yōu)先級數(shù)值越小表示此條報文的優(yōu)先級越高。確定的29位擴展標識符明確了此條報文的來源、去處以及優(yōu)先級等信息。

3.2 軟件程序設(shè)計

CAN通信網(wǎng)絡(luò)接口的軟件設(shè)計主要包括CAN控制器的初始化設(shè)置、報文發(fā)送和報文接收3個部分。程序主流程圖如圖3所示。

CAN控制器的初始化是整個CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作的前提[11]，它的配置包括CAN控制器工作方式的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置、過濾器的選擇、過濾器工作方式的選擇、過濾器標識符的設(shè)置、報文接收郵箱的設(shè)置以及各種錯誤中斷使能的設(shè)置，由于ST公司有自己的驅(qū)動函數(shù)庫，因此只需調(diào)用函數(shù)庫中的CAN_DeInit（），CAN_StructInit（），CAN_Init（），CAN_FilterInit（）和CAN_ITConfig（）這5個函數(shù)即可實現(xiàn)對STM32F103系列單片機CAN控制器的初始化配置。

CAN報文在發(fā)送時，需先將編碼分配后的29位擴展標識符填入報文的仲裁場，并將8字節(jié)的數(shù)據(jù)信息填入數(shù)據(jù)場中，數(shù)據(jù)場格式如表3所示，通過發(fā)送函數(shù)發(fā)送給CAN網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點。而對于CAN報文的接收，首先每個節(jié)點通過對29位擴展標識符的解碼分析，由過濾器過濾出有效的報文，然后通過接收函數(shù)將整條的有效報文存放在接收郵箱里，并對報文數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)進行提取解析,得到有效信息。圖4為CAN發(fā)送和接收程序的流程圖。

4 CAN總線通信驗證

對上述的CAN總線通信方案進行驗證。將此CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于4個由78塊串聯(lián)鋰離子蓄電池組成的模塊并聯(lián)、額定電壓為250V的單軌吊動力電源管理系統(tǒng)中。

為模塊控制器、總成控制器和液晶顯示器分別編寫了CAN通信程序，用C#語言編寫了用于監(jiān)測CAN通信的上位機顯示界面，實時監(jiān)測的報文如圖5所示，1所示的部分為CAN原始數(shù)據(jù)的擴展標識符，以擴展標識符為 0X4AA2400為例 （二進制為00100101010100010010000000000），則表示這是一條由總成控制器1發(fā)送給模塊控制器2的CID編號為21的報文，報文的優(yōu)先級是34。2所示的部分為CAN原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，解碼后的數(shù)據(jù)信息顯示在2.8寸液晶顯示屏上。

5 結(jié)束語

以鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)中各功能節(jié)點作為研究對象，設(shè)計基于iCoupler磁隔離技術(shù)的硬件電路，編寫了基于CAN擴展標識符分配方法的軟件程序。對此CAN通信網(wǎng)絡(luò)進行驗證，結(jié)果顯示：報文以60ms為周期在整個CAN通信網(wǎng)絡(luò)中無錯誤不間斷地傳輸。證明基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能夠快速、準確地完成不同節(jié)點之間的信息傳遞，滿足鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對于實時性和可靠性的要求。

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Research of communication network for lithium ion battery management system based on CAN bus

XIAO Lin-jing，YUE Ming-chen，LI Hong-yu，CHANG Long，ZHANG Yu-long
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

In order to satisfy the request of high reliability in using lithium ion battery，monitoring voltage，current and temperature of batteries in real time is necessary.A communication network based on the protocols of CAN2.0B in lithium ion battery management system was designed.With the technology of iCoupler magnetic isolation，the hardware circuit of communication network interface was designed.And also，based on the uniform data format and distribution method of extended identifier in communication network，the software was designed.The authors tested the CAN bus communication network on site.The results are that messages for 60 ms-cycle transmit uninterruptedly and accurately in the communication network.The test results show that the design of the communication network based on the CAN bus can meet the request of high real-time and reliability in lithium ion battery management system.

CAN bus；lithium ion battery management system；communication network；iCoupler magnetic isolation

TP336；TM912.9；TM919.2；TP311.56

：A

：1674-5124（2014）04-0006-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.002

2013-12-03；

：2014-02-16

山東省科技發(fā)展計劃項目（2012GSF11606）

肖林京（1966-），男，山東沂水縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煤礦機電一體化、煤礦新能源車輛方面的研究。