基于CAN總線的深海鋰電池在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中國船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082）

鋰電池由于其不產(chǎn)生氣體、能量密度比高、壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為水下機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇的能源類型。但與常規(guī)陸上電池相比，水下機(jī)器人使用的電源容量大、電壓高、電池組數(shù)多，其安全性始終是水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)解決的難題[1-3]。在自主研制的小型水下機(jī)器人項(xiàng)目中，采用了基于CAN總線技術(shù)的鋰電池在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可直接暴露在高壓的絕緣油內(nèi)，適合深海環(huán)境，可對每個(gè)電池的電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿聶C(jī)器人的控制系統(tǒng)。

1 水下鋰電池在線檢測系統(tǒng)原理

小型水下機(jī)器人上有推進(jìn)器、水下燈和控制系統(tǒng)等很多用電設(shè)備。其電源為自帶電源150 VDC，共采用了40只單芯鋰電池串聯(lián)連接。電池組在放電和充電的工作狀態(tài)中，當(dāng)發(fā)生過放、過充和過熱的異常情況時(shí)，易發(fā)生爆炸等事故。國內(nèi)外在使用中都有類似的事故發(fā)生，所以對電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)控就非常重要。此外，電池監(jiān)控的參數(shù)除了電池電壓外，溫度也十分重要。監(jiān)控電壓可防止電池出現(xiàn)過放和過充，溫度檢測可有效防止電池起火和爆炸。電池監(jiān)控原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 System theory diagram

作為應(yīng)用于水下充油的鋰電池，其檢測系統(tǒng)與近年來發(fā)展的電動(dòng)車鋰電池管理系統(tǒng)相比，區(qū)別在于：

（1）直接暴漏在高壓絕緣油內(nèi)，其電子元件要求耐高壓，耐油；

（2）電池組數(shù)多達(dá)47只，電壓較高；

（3）體積小，可以和電池緊密地安裝在充油的電池箱內(nèi)；

（4）水下電池檢測系統(tǒng)與水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)傳輸；

（5）水下電池檢測系統(tǒng)除完成電壓檢測外，還需對每一節(jié)電池的溫度進(jìn)行測量。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要實(shí)現(xiàn)電壓和溫度測控，采用CAN總線發(fā)送至水下機(jī)器人控制系統(tǒng)，并通過光纖將所有數(shù)據(jù)傳輸至水面控制臺(tái)。硬件電路中電池電壓、溫度采集以及CAN總線控制器傳輸都可以由一個(gè)C8051F040芯片完成，整個(gè)設(shè)計(jì)的電路集成度較高，結(jié)構(gòu)簡單。與其他現(xiàn)場總線相比，CAN總線有其突出優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為多主總線、無破壞性基于優(yōu)先權(quán)仲裁，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理、對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理，暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的識(shí)別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離等；抗干擾能力強(qiáng)，適于惡劣環(huán)境下大量節(jié)點(diǎn)之間互聯(lián)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中每塊電池配置一塊監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)包括電源、主控制器和CAN隔離收發(fā)3個(gè)部分。為節(jié)約體積和重量，與電池整體安裝在一起。同時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有不同的ID號(hào)碼和檢測的電池對應(yīng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure diagram

2.2 電源設(shè)計(jì)

電池監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的電源取自于被監(jiān)控電池，由一個(gè)外部電源控制光耦繼電器來實(shí)現(xiàn)電池監(jiān)控系統(tǒng)的整體上電，可防止長期存放引起的微漏電導(dǎo)致電池?fù)p壞。電源電路中采用SP6641 DC-DC升壓調(diào)節(jié)器，靜態(tài)電流為10 μA，具有一個(gè)0.3 Ω的N通道充電開關(guān)。SP6641最低啟動(dòng)電壓為0.9 V，并配有0.33 A或1.0 A感應(yīng)電流限制模塊。通過SP6641集成芯片，將電池電壓轉(zhuǎn)換至一個(gè)穩(wěn)定的+5 V電源，給主控制器進(jìn)行穩(wěn)定供電。電源模塊原理如圖3所示。

圖3 電源模塊原理Fig.3 Power module theory diagram

2.3 主控制器

圖4 主控制器原理Fig.4 Master controller theory diagram

主控制器采用Cygnal公司C8051F040單片機(jī)，其原理如圖4所示。C8051F040是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，片內(nèi)集成了電壓AD采集，鋰電池兩極電壓測量直接選用單片機(jī)一個(gè)AD通道，溫度測量則采用該型單片機(jī)片內(nèi)的溫度傳感器。由于C8051F040功耗很低，本身幾乎不產(chǎn)生熱量，而且方便貼在被測物體表面，可以用來直接測量鋰電池的溫度，大大減少元器件的數(shù)量。C8051F040單片機(jī)內(nèi)部集成了振蕩器，可以解決晶體振蕩器無法在高壓絕緣油內(nèi)工作的難題。

2.4 CAN總線

使用C8051F040單片機(jī)片內(nèi)集成的CAN2.0B控制器，CAN控制器的原理如圖5所示。CAN核提供移位（CANTX和CANRX）、消息的串/并轉(zhuǎn)換及其它與協(xié)議相關(guān)的任務(wù)（如數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾）。消息RAM可存儲(chǔ)32個(gè)可以在CAN網(wǎng)絡(luò)上接收和發(fā)送的消息對象。CAN寄存器和消息處理器為CAN控制器和CIP-51之間的數(shù)據(jù)傳送和狀態(tài)通知提供接口。CAN總線收發(fā)器采用PCA82C250，鑒于鋰電池組電壓較高，在收發(fā)器和控制器之間采用光電隔離器件6N137，隔離速度達(dá)到10 Mb/s，其隔離電路如圖6所示。

圖5 CAN控制器原理Fig.5 Theory diagram of CAN controller

圖6 CAN隔離電路Fig.6 Circuit diagram of CAN isolation

3 軟件設(shè)計(jì)

鋰電池在線檢測系統(tǒng)軟件部分監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信采用CAN總線協(xié)議，水下機(jī)器人控制系統(tǒng)指定采集節(jié)點(diǎn)電池電壓和溫度的數(shù)據(jù)上傳，當(dāng)電池采集節(jié)點(diǎn)收到上傳指令，就產(chǎn)生CAN接收中斷，在中斷服務(wù)程序里完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.7 Software function structure diagram

3.1 程序初始化

系統(tǒng)上電后，C8051F040單片機(jī)首先完成系統(tǒng)初始化，包括時(shí)鐘等待、供電電壓檢測和CAN控制器初始化等工作。其中CAN總線初始化是在系統(tǒng)自檢通過后才執(zhí)行的，具體包括：

（1）將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE。

（2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設(shè)置為1。

（3）設(shè)置位定時(shí)寄存器和BRP擴(kuò)展寄存器中的時(shí)序參數(shù)。

（4）初始化每個(gè)消息對象或?qū)⑵銶sgVal位設(shè)置為NOT VALID（無效）。

（5）將 INIT 位清‘0’。

3.2 CAN總線中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序包括問詢響應(yīng)、溫度檢測和電壓檢測。CAN報(bào)文發(fā)送和接收是由CAN控制器自動(dòng)完成的，接收數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生中斷，程序只需從接收緩存器中讀取接收的數(shù)處理。發(fā)送時(shí)將對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到緩沖器，然后將此報(bào)文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動(dòng)發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件來完成。CAN中斷服務(wù)程序流程如圖8所示。

圖8 中斷服務(wù)程序流程Fig.8 Flow chart of interrupt service routine

3.3 故障處理

將監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集到的電池電壓、溫度值和門檻值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行故障處理。首先將2個(gè)獨(dú)立的端口置為高電平，由2個(gè)紅色LED燈進(jìn)行點(diǎn)亮顯示，表示當(dāng)前電壓或者溫度有問題，提示操作者故障點(diǎn)在什么位置。其次通過C8051F040內(nèi)部的非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)當(dāng)前電壓和溫度異常值，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4 應(yīng)用效果

采用CAN總線技術(shù)開發(fā)的鋰電池在線檢測系統(tǒng)成功地應(yīng)用于光纖型水下機(jī)器人ARV上，解決了鋰電池在使用過程中的安全性。從ARV水下作業(yè)運(yùn)行效果來看：

（1）電池監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測40組電池的電壓和溫度。

（2）通訊采用CAN總線實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)可靠性優(yōu)點(diǎn)，非常適合在惡劣環(huán)境下使用。

（3）電池監(jiān)控系統(tǒng)與ARV控制系統(tǒng)直接相連，將監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)告給控制中心?？刂葡到y(tǒng)將數(shù)據(jù)通過光纖轉(zhuǎn)發(fā)給水面部分。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)方便進(jìn)行組數(shù)的擴(kuò)充和減小，不用修改就可以應(yīng)用到別的系統(tǒng)中。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人鋰電池檢測系統(tǒng)，將電壓、溫度、CAN和存儲(chǔ)高度集成在一個(gè)處理器中，極大地減小了設(shè)備的體積和重量。通過3 MPa模擬壓力試驗(yàn)和實(shí)際工作考核，表明該系統(tǒng)可以應(yīng)用于水下機(jī)器人工作中。

[1]閆茂德，陳金平.基于CAN總線的汽車電子系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：86-89.

[2]陳屹，馬殿光.基于CAN總線的一種系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2008，29（3）：35-40.

[3]孫樹文，楊建武，張慧慧，等.基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（8-2）：55-57.