基于CAN總線電池性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海龍，左付山，楊 柳，張 營(yíng)

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

0 引言

插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)具有動(dòng)力輸出方式復(fù)雜、電池充放電狀態(tài)多樣以及電池容量大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得PHEV在使用過程中電池的安全性能需求更高，使用壽命需要更長(zhǎng)，因此對(duì)于動(dòng)力電池的運(yùn)行性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)診斷很有必要[1]。CAN總線是一種具有高性能和可靠性的串行通信協(xié)議[2]，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶等[3]?；趧?dòng)力電池通信高安全性、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、容錯(cuò)性高等要求，CAN總線的數(shù)據(jù)通信性能好，成為首選的通信方式。同時(shí)，在對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行運(yùn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)，電池參數(shù)的采集與獲取是第一步也是最重要的一步。然而，由于一般的PHEV中電池的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)是保密的，為了獲取診斷參數(shù)進(jìn)行后期的故障診斷，本文以一款PHEV的三元鋰電池為研究對(duì)象，以提高電池使用過程中的安全性和可靠性為目標(biāo)，基于CAN總線通信方式，進(jìn)行了動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)。

1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

PHEV的動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)[4-5]主要由電池?cái)?shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信控制模塊2部分組成。硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖[6]如圖1所示。本文選擇MC9S08DZ60作為電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，以DS2438作為電池采集模塊的監(jiān)測(cè)芯片，MC9S08DZ60主控芯片與DS2438監(jiān)測(cè)芯片之間采用CAN總線的通信方式。DS2438監(jiān)測(cè)芯片可以對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的信息通過單總線傳遞給主控芯片；主控芯片可先將相應(yīng)的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并做出基礎(chǔ)的處理，然后通過CAN控制器和收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸至CAN總線，并通過USBCAN分析儀傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)可以顯示電池的數(shù)據(jù)以及利用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)診斷。

圖1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用集成型數(shù)據(jù)采集方案[7]，選用智能電池監(jiān)測(cè)芯片DS2438對(duì)于電池的電壓、電流、溫度、電阻等狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將這些信息傳遞給主控芯片。DS2438監(jiān)測(cè)芯片具有體積小、檢測(cè)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的電池模組共有8組，以1個(gè)電池模組作為1個(gè)監(jiān)測(cè)單元，配置1個(gè)監(jiān)測(cè)芯片。為了提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確度以及簡(jiǎn)化采集電路，該監(jiān)測(cè)方案需要將采集芯片安置在每個(gè)電池模組上。圖2為采集模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 采集模塊結(jié)構(gòu)圖

由于電池模組電壓與電池總電流超過了DS2438芯片的監(jiān)測(cè)范圍，所以電壓與電流的采集分別通過分壓電路和電流傳感器再與監(jiān)測(cè)芯片管腳進(jìn)行連接；當(dāng)監(jiān)測(cè)芯片接收到轉(zhuǎn)換命令后，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)將電壓和電流A/D轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)電池的電壓與電流數(shù)據(jù)采集。DS2438芯片還可實(shí)現(xiàn)溫度的直接測(cè)量，其內(nèi)部具有集成的溫度傳感器，因此需要將芯片緊貼在被測(cè)電池模組上。與電壓、電流采集一樣，溫度采集并不是自動(dòng)采集，因此需要先由控制器發(fā)出控制命令后才能采集，并將采集后的溫度信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再通過溫度寄存器輸出。絕緣電阻的檢測(cè)方法是通過測(cè)量電壓值與電流值來間接求得絕緣電阻值，其測(cè)量電路圖[8]如圖3所示。

圖3 電池絕緣阻值測(cè)量方式

1.2 數(shù)據(jù)通信模塊

飛思卡爾單片機(jī)MC9S08DZ60[9]主控芯片具有性價(jià)比高、功耗低、性能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車控制和工業(yè)控制。選擇該芯片的最大優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)部具有MSCAN控制器，這就使得CAN控制器的設(shè)置和控制工作更加簡(jiǎn)化，省去了選用單獨(dú)CAN控制器的工作以及設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路[10-11]。

MSCAN作為系統(tǒng)CAN控制器,內(nèi)置于芯片MC9S08DZ60中，其主要功能是初始化、報(bào)文的發(fā)送與接收，內(nèi)部由配置寄存器、報(bào)文濾波與緩沖、接收/發(fā)送引擎、低通濾波器等組成。該芯片具有支持CAN2.0A/B協(xié)議、可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)信令傳輸與中斷等特點(diǎn)。當(dāng)主控芯片對(duì)CAN總線控制器進(jìn)行配置時(shí)，可以通過設(shè)置MSCAN各寄存器來實(shí)現(xiàn)。

本文選用CTM1050T CAN收發(fā)器[12-13]作為CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，可實(shí)現(xiàn)報(bào)文的收發(fā)以及差分電平信號(hào)與邏輯電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。選擇該芯片的優(yōu)勢(shì)在于其自帶隔離功能，省去了外部隔離電路設(shè)計(jì)，同時(shí)具有接口簡(jiǎn)單、通信速率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。CAN收發(fā)器與控制器連接電路圖如圖4所示。

圖4 CAN收發(fā)器與控制器連接電路圖

由于CAN總線與上位機(jī)并不能直接通訊，因此需要配置相應(yīng)的CAN總線適配器，本文選用了基于USB接口的CAN總線分析儀[14]。其實(shí)物圖如圖5所示。該分析儀可使用USB2.0接口與上位機(jī)直接連接，并支持CAN2.0協(xié)議及雙向傳輸，連接簡(jiǎn)單方便，通信穩(wěn)定可靠，最高傳輸速率可以達(dá)到1 Mbit/s。通過上位機(jī)自編程，USBCAN分析儀可以實(shí)現(xiàn)CAN總線與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信[15]，傳輸速率的調(diào)整以及收發(fā)模式的選擇，從而達(dá)到動(dòng)力電池狀態(tài)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)與后期檢測(cè)診斷的目的。

圖5 CAN分析儀實(shí)物外觀圖

2 CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由CAN通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可知，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)被ISO的標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定并且被硬件驅(qū)動(dòng)控制[16]。然而，為了便于使用者根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)適合自己的通訊協(xié)議，其應(yīng)用層并沒有規(guī)定具體的格式與內(nèi)容。因此，根據(jù)不同的對(duì)象及通訊要求需要使用者自己定義和編寫通訊內(nèi)容。基于本文通訊的特點(diǎn)，采用了數(shù)據(jù)幀中具有11位ID號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，在CAN2.0B應(yīng)用層通信協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的CAN通訊協(xié)議。

2.1 通訊信息的確定

CAN總線通信傳輸?shù)男畔⑹怯刹杉K采集的電池狀態(tài)信息，主要包括2部分：一是電池整體狀態(tài)信息，包括電池組的總電壓、總電流、電池溫度、絕緣電阻；二是電池模組狀態(tài)信息，包括每個(gè)模組的電壓、溫度。

2.2 幀結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀[17]中應(yīng)用層的規(guī)定，結(jié)合本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸消息種類和數(shù)量不多的特點(diǎn),為了提升通訊傳輸速率，采用了字節(jié)較少的標(biāo)準(zhǔn)幀格式,設(shè)計(jì)了適合本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 本文幀結(jié)構(gòu)

由表(1)可知，標(biāo)準(zhǔn)幀字節(jié)1～3為信息段，字節(jié)4～11為數(shù)據(jù)段，每個(gè)字節(jié)為8位。其中，第1個(gè)字節(jié)是幀信息，包含幀格式、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息；第2～3個(gè)字節(jié)為仲裁段，其前11位為標(biāo)識(shí)符，包含數(shù)據(jù)的屬性和位置信息，還剩下5位可以保留備用。報(bào)文結(jié)構(gòu)中4～11字節(jié)共含有8個(gè)字節(jié)，可用來存儲(chǔ)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

2.3 ID分配

根據(jù)CAN2.0B協(xié)議和本文系統(tǒng)傳輸需求，需要將11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符分別定義為數(shù)據(jù)與位置屬性2部分。根據(jù)數(shù)據(jù)屬性與位置屬性，便可以確定每個(gè)報(bào)文傳輸?shù)氖请姵啬膫€(gè)位置的什么類型數(shù)據(jù)。其ID分配格式如表2所示。

表2 11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符ID分配格式

11位標(biāo)識(shí)符中前5位定義為數(shù)據(jù)屬性，主要是辨識(shí)傳遞數(shù)據(jù)內(nèi)容，主要分為電池總體狀態(tài)、模組電池電壓、模組電池溫度；后6位定義為位置屬性，主要辨識(shí)的是數(shù)據(jù)位置，主要區(qū)分后面的數(shù)據(jù)來源于哪些位置。針對(duì)本文電池模組數(shù)量為8組，以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要傳輸?shù)碾姵乜傮w與模組信息，現(xiàn)將其數(shù)據(jù)屬性與位置屬性進(jìn)行具體分配，其ID分配內(nèi)容如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)ID分配

2.4 數(shù)據(jù)格式定義

在CAN總線傳輸中，實(shí)際物理量數(shù)據(jù)一般需要轉(zhuǎn)化為多位二進(jìn)制代碼進(jìn)行傳輸，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中每個(gè)二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)著一個(gè)實(shí)際物理量值。為了提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CAN通訊的利用率，本文采用了定點(diǎn)數(shù)的方式將實(shí)際物理量進(jìn)行表示。其具體的轉(zhuǎn)換公式如下：

實(shí)際物理量=比例因子×(定點(diǎn)數(shù)+偏移量)

2.5 報(bào)文設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，本系統(tǒng)中需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)包括電池總體狀態(tài)數(shù)據(jù)與每個(gè)模組的電壓、溫度信號(hào)。由于傳遞信號(hào)多為數(shù)據(jù)信號(hào)，所以采用定時(shí)周期型發(fā)送方式，即按照固定的時(shí)間周期向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。下文分別給出了電池總體狀態(tài)、模組電池電壓、模組電池溫度具體報(bào)文設(shè)計(jì)樣例。

由于電池總體狀態(tài)中包含4個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)占2個(gè)字節(jié)，考慮到每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)段總共有8個(gè)字節(jié)，綜合發(fā)送間隔，我們將電池總體狀態(tài)參數(shù)發(fā)送分為2組。第1組為電池總電壓、電池總電流，數(shù)據(jù)屬性為0x01，位置屬性為0x01，發(fā)送間隔為50 ms，占用4個(gè)字節(jié)；第2組傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為電池溫度、絕緣電阻，數(shù)據(jù)屬性為0x01，位置屬性為0x02，發(fā)送間隔為750 ms，也需要占用4個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。下文以電池總體狀態(tài)第1組參數(shù)報(bào)文設(shè)計(jì)為例，列出了電池總電壓與總電流的報(bào)文設(shè)計(jì)的具體格式，如表4所示。

表4 電池總體狀態(tài)第1組參數(shù)報(bào)文設(shè)計(jì)

在電池模組報(bào)文中，定義模組電壓、模組溫度的數(shù)據(jù)屬性分別為0x02、0x03，位置屬性均為0x01～0x02，其發(fā)送方式仍為周期型，前者發(fā)送間隔為50 ms，模組溫度的發(fā)送間隔為750 ms。由于電池模組數(shù)量為8組，每個(gè)報(bào)文中8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)需要被全部占據(jù)，同時(shí)每個(gè)模組電池電壓、溫度數(shù)據(jù)都占據(jù)2個(gè)字節(jié)，所以每組報(bào)文可以包含4組模組的電壓/溫度信息。下面以一個(gè)模組電壓報(bào)文設(shè)計(jì)為例，其具體報(bào)文設(shè)計(jì)格式如表5所示。

表5 電池模組電壓報(bào)文設(shè)計(jì)

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的設(shè)計(jì)[18]主要包含2個(gè)模塊，CAN收發(fā)模塊(即通過上位機(jī)編程，控制USBCAN分析儀從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN信號(hào)的接收與發(fā)送)和數(shù)據(jù)解析與顯示模塊(即對(duì)接收的電池報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換成實(shí)際物理量[19]，并通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ))。結(jié)合上述功能，本文基于LabVIEW對(duì)于上位機(jī)進(jìn)行了開發(fā)[20-21]。

3.1 CAN收發(fā)模塊

在進(jìn)入LabVIEW程序后，首先需要選擇設(shè)備型號(hào)——USBCAN，再設(shè)置相應(yīng)的CAN參數(shù)，例如通信速率、CAN通道等，然后打開設(shè)備，如果成功打開，就需要進(jìn)一步對(duì)于CAN收發(fā)進(jìn)行設(shè)置，例如幀ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容等，若匹配成功，即可實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送；同時(shí)，CAN收發(fā)模塊通過設(shè)置發(fā)送采集指令，可以直接接收CAN總線中的數(shù)據(jù)。CAN收發(fā)模塊流程圖如圖6所示。

圖6 CAN收發(fā)模塊流程圖

3.2 數(shù)據(jù)解析與顯示模塊

由于接收到的CAN總線數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè)報(bào)文中有可能包含不同位置屬性和數(shù)據(jù)屬性電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此首先需要按照上文設(shè)計(jì)的報(bào)文格式對(duì)ID號(hào)進(jìn)行解析，得到該數(shù)據(jù)來源于哪個(gè)位置，數(shù)據(jù)屬性是屬于電池總體狀態(tài)數(shù)據(jù)、模組電壓數(shù)據(jù)還是模組溫度數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)上述的實(shí)際物理量與定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將報(bào)文中不同字節(jié)的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)解析為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并在LabVIEW界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

為了使得解析后的模組數(shù)據(jù)在界面顯示得更加直觀以及快速地檢測(cè)診斷出模組之間的一致性，本文將電池中每個(gè)模組電壓與模組溫度數(shù)據(jù)在同一個(gè)界面中均通過柱狀圖進(jìn)行顯示。電池總體狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示界面包括了電池總電壓、電池總電流、電池溫度、絕緣電阻信息。其LabVIEW顯示界面圖如圖7所示。

圖7 電池?cái)?shù)據(jù)顯示界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性，通過實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。首先將實(shí)物進(jìn)行了連接，包括測(cè)試板以及USBCAN分析儀。

實(shí)物連接后，打開LabVIEW程序，接著選擇設(shè)備型號(hào)—USBCAN，點(diǎn)擊啟動(dòng)設(shè)備，并設(shè)置相應(yīng)的CAN參數(shù)，通道選擇CAN1，CAN總線的波特率設(shè)置為250 Kbps，點(diǎn)擊打開設(shè)備，顯示成功打開設(shè)備。繼而，按照CAN協(xié)議規(guī)定，幀格式選擇標(biāo)準(zhǔn)幀，幀類型選擇數(shù)據(jù)幀，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。下面以發(fā)送幀ID：0201為例進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)接收界面如圖8所示。

圖8 LabVIEW數(shù)據(jù)接收界面

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的報(bào)文格式可知，ID號(hào)0201表示的是1-4號(hào)模組電池電壓信息，再通過實(shí)際物理量與定位數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，數(shù)據(jù)段中的01 4d 01 4e 01 50 01 51代表的是1～4號(hào)模組電壓值大小，分別為3.33 V、3.34 V、3.36 V、3.37 V。數(shù)據(jù)解析結(jié)果在LabVIEW顯示界面顯示如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)解析結(jié)果界面

當(dāng)發(fā)送ID：0201后，上位機(jī)會(huì)接收到電池1～4號(hào)模組的電池電壓，通過解析后，在LabVIEW界面進(jìn)行顯示。由圖9可知，1～4組模組電壓成功通過柱狀圖顯示出來，并且4組電壓一致性較好。因此，通過該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CAN收發(fā)模塊與解析和顯示模塊上位機(jī)程序的可行性以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。

5 結(jié)束語

本文基于CAN總線設(shè)計(jì)了一套PHEV電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊，軟件部分基于LabVIEW進(jìn)行了開發(fā)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)獲取電池的電壓、電流、電阻等特征參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示，也為后期的電池檢測(cè)診斷提出了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，系統(tǒng)在CAN通信模塊中詳細(xì)規(guī)定了幀結(jié)構(gòu)和報(bào)文格式，并分析說明了報(bào)文內(nèi)容與電池各物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性，采用了一組電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，成功地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的收發(fā)與顯示，系統(tǒng)運(yùn)行良好，滿足設(shè)計(jì)要求。