一種基于CAN總線的電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)

張正揚(yáng)，劉 方

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210016)

隨著電池能源的廣泛應(yīng)用，石油資源的枯竭和環(huán)境污染，電動(dòng)汽車以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)引起越來越多的重視，在電動(dòng)汽車的研究和發(fā)展上，車載電池及其管理系統(tǒng)的研究與制造占據(jù)著重要位置［1］。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在應(yīng)用中的主要問題表現(xiàn)在:生產(chǎn)過程中，電池的工藝，技術(shù)以及成組技術(shù)還不能保證其初始性能具有良好的一致性;使用過程中，對(duì)過充電、過放電、過溫度、過電流等非常敏感，這類情況的發(fā)生會(huì)明顯縮短電池壽命，甚至?xí)?dǎo)致電池報(bào)廢。電池組是幾十個(gè)甚至上百個(gè)單體電池串聯(lián)，單體電池之間存在不一致性，隨著連續(xù)的充放電循環(huán)，電池間的不一致性加劇，電池組的可用容量受容量最小的單體電池制約。對(duì)于這些情況，電池的初始性能必須要依靠企業(yè)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)的控制來改善，而使用過程中出現(xiàn)的問題則需要電池管理系統(tǒng)來解決。本設(shè)計(jì)是以STM32F107為核心的主控制器通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)控制以C8051F500單片機(jī)為核心的電池組信息采集和基本控制模塊工作及獲取數(shù)據(jù)［9］。主要實(shí)現(xiàn)了單體電池的過壓放電均衡，過流保護(hù)、過溫保護(hù)、過放電保護(hù)以及通過上級(jí)控制器匯報(bào)并存儲(chǔ)整體電池組的工作狀態(tài)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)所監(jiān)控管理的電池包組成結(jié)構(gòu)為:先將一定數(shù)目的鋰離子電池串聯(lián)，將若干電池串并聯(lián)成一電池組，最后將若干電池組串聯(lián)構(gòu)成整體的電池包，這種串并聯(lián)復(fù)用的組織形式有利于進(jìn)行單串電池的充放電起停操作，降低使用過程中產(chǎn)生的電池容量不一致性。管理系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示，每個(gè)電池串配置一個(gè)二級(jí)控制器監(jiān)測管理，采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)并上傳，控制電池串起停與均衡操作，一級(jí)控制器為雙CAN控制器結(jié)構(gòu)，CAN1控制器與二級(jí)控制器組成電池組的CAN網(wǎng)絡(luò)，CAN2控制器與主控板電池包組成內(nèi)部一級(jí)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)向主控板匯報(bào)該電池組工作情況及向下屬二級(jí)控制器傳達(dá)指令，主控制板的CAN2控制器則接入整車CAN總線。由于各電池組為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電壓的遞增關(guān)系影響到二級(jí)控制器，故而供電時(shí)需經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換。

圖1 電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 主控制器、一級(jí)控制器架構(gòu)

主控制器，一級(jí)控制器的核心控制由意法半導(dǎo)體的STM32F107完成，STM32F107是一款高性能、低成本、低功耗的32位RISC微處理器［6］，采用ARMCortex－M3的內(nèi)核，內(nèi)部含有256 kB的Flash和64 kB的SRAM，有著充足的編程空間，主頻為72 MHz，足以承擔(dān)對(duì)下級(jí)控制器的實(shí)時(shí)管理。所包含外設(shè)有:基本的電源電路、復(fù)位電路、標(biāo)準(zhǔn) JTAG調(diào)試口、雙 CAN物理層電路、EEPROM存儲(chǔ)器，對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說是最佳方案。

1.3 二級(jí)控制器架構(gòu)

由于鋰離子電池單體電壓較小，一般約為4 V，而整體電池包電壓則高達(dá)數(shù)百伏，單串電池長度也在15個(gè)以上，而目前常用的電池測量芯片成本較高且只能監(jiān)測6節(jié)或12節(jié)電池電壓，綜合考慮決定以C8051F500為核心設(shè)計(jì)二級(jí)控制器，這種設(shè)計(jì)相較于專用電池測量芯片而言，缺點(diǎn)是精度較低，優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)所測量的數(shù)據(jù)先進(jìn)行計(jì)算處理，不完全依賴上級(jí)控制器的指令。

C8051F500處理器按 AEC－Q100測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)［7］，具有寬工作電壓、寬工作溫度范圍、抗干擾能力強(qiáng)并內(nèi)置CAN及LIN總線控制器，適合汽車電子及工業(yè)控制方面的應(yīng)用。該芯片具有32路I/O口，接口數(shù)滿足監(jiān)控電池串工作的需要，具有12 bit的ADC，每個(gè)通道的最小建立時(shí)間＜50μs，即巡檢一個(gè)循環(huán)的總時(shí)間＜1 ms，足以支持對(duì)于電池串的實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制器架構(gòu)如圖2所示。

圖2 二級(jí)控制器主要架構(gòu)

其中帶隔離驅(qū)動(dòng)的CAN總線物理層電路如圖3所示［8］，此外還有DC/DC電源，C2在線調(diào)試接口等外部設(shè)備。

圖3 隔離CAN物理層電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 二級(jí)控制器軟件流程

(1)系數(shù)修正程序。因?yàn)殡姵乜倲?shù)極多，為降低系統(tǒng)的成產(chǎn)成本和占用空間，電壓測量采用較為簡單的電阻分壓［2］，電流測量則采用電阻采樣法，為彌補(bǔ)電阻造成的誤差，預(yù)置了修正系數(shù)的程序，每塊電路板投入使用前，可先在所有電壓測量端口接5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，采樣電阻兩端通10 A標(biāo)準(zhǔn)電流。程序可自動(dòng)根據(jù)所測值修改系數(shù)，提高工作精確度。

(2)軟件流程。如圖4所示，程序開始運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)C8051F500內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘以及一些變量進(jìn)行初始化，然后對(duì)各I/O口、定時(shí)器、中斷、ADC工作方式及CAN總線工作方式初始化，接著根據(jù)測量電流的兩個(gè)I/O數(shù)據(jù)判斷電池組目前是充電還是放電，以選取不同的控制方案，繼而檢測是否有一級(jí)控制器發(fā)出的指令，若有則執(zhí)行指令，否則ADC將巡檢各I/O的輸入電壓［4］，程序通過預(yù)存的系數(shù)將其還原為各電池的端電壓，電池串的電流和溫度。最后計(jì)算各電池的SOC，考慮C8051F500的運(yùn)算能力，采用精確度和運(yùn)算復(fù)雜度都較為中等的安時(shí)積分法［3］，并根據(jù)溫度，電壓，電壓—時(shí)間梯度等量加以修正。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)上報(bào)總電壓、電流、溫度和總SOC共4個(gè)參數(shù)給一級(jí)控制器，充電時(shí)如果有單節(jié)電池電壓過高，則開啟相對(duì)應(yīng)的MOS管，以均衡充電［10］。出現(xiàn)過溫，過流或達(dá)到放電終點(diǎn)時(shí)，斷開該串電池，并將斷開時(shí)的所有數(shù)據(jù)均上報(bào)一級(jí)控制器，否則主程序繼續(xù)判斷是否有指令，循環(huán)上述過程。

2.2 一級(jí)控制器軟件流程

(1)接收二級(jí)控制器上傳的數(shù)據(jù)，這里主要有兩種數(shù)據(jù):一是時(shí)刻上傳的每串電池的電流、電壓、溫度，剩余電量;二是當(dāng)某串電池因故停止工作時(shí)上傳的完整數(shù)據(jù)和停止原因。

(2)SOC計(jì)算，這里計(jì)算的SOC是根據(jù)實(shí)時(shí)上傳的電流、電壓和溫度計(jì)算整串電池的剩余電量，因?yàn)镾TM32F107芯片運(yùn)算能力強(qiáng)于C8051F500，所以這里的計(jì)算模型采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

(3)對(duì)二級(jí)控制器下達(dá)指令，這里的指令有兩種:一是要求其上傳目前工作情況的完整數(shù)據(jù)，主要是停車前保存歷史數(shù)據(jù)或手動(dòng)要求查看;二是在其充放電時(shí)SOC明顯高于/低于其他電池串時(shí)，讓該電池串暫停工作一段時(shí)間，有利于在使用中盡量抹平電池間的不一致性。當(dāng)上傳的SOC和所計(jì)算的SOC之間有較大差異時(shí)，則上傳該情況，方便檢查并修正模型系數(shù)。

(4)向主控制器上傳數(shù)據(jù)，這里的數(shù)據(jù)除了主動(dòng)或應(yīng)主控制器要求上傳的包括電池包整體電壓、電流和SOC，相應(yīng)電池串乃至相應(yīng)電池的電壓、電流、溫度和SOC等一系列工作情況以外，還有各種意外情況的匯報(bào)。

2.3 主控制器軟件流程

主控制器的任務(wù)是向整車控制器匯報(bào)電池組的工作情況，并根據(jù)要求向一級(jí)控制器傳達(dá)指令［5］，與一級(jí)控制器相似，但由于各電池包可能會(huì)切斷某條電池串，造成SOC的突變，所以沒有計(jì)算各電池包SOC的操作。

圖4 二級(jí)控制器流程圖

圖8 不加噪聲定時(shí)同步前星座圖和后星座圖

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