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摘要 摘要 随着国家经济的迅速发展，使得能源问题在当今社会中受到越来越多的关 注。电动汽车作为汽车工业的发展方向，呈现加速发展的趋势。而电动汽车的动 力能源蓄电池组由于长期处于复杂的工作环境中，不仅不能有效利用能源， 并且还可能加剧电池的损耗。因此如何有效管理蓄电池组成为关系到电动车实用 化、商品化的关键技术之一。 本论文主要从三个方面对蓄电池管理系统进行研究。 采用智能电池监测器d s 2 4 3 8 作为采集芯片，实现对蓄电池电压、电流、温 度等数据的采集，并通过软件编程实现模拟单总线通信与主控模块之间进行数据 的传送。不仅简化了采样电路，并且实现了同时对多节电池的监控。 对蓄电池剩余电量s o c 的计算采用r b f 神经网络算法，可以实现对动态蓄 电池系统的建模以及学习，并把该模型计算的剩余电量结果与实验所得到的结果 进行对比，分析、论证其可行性，基本实现蓄电池在动态工作环境中性能的准确 描述。 c a n 总线作为主控模块与上位机之间通信的方式，详细介绍了c a n 通信协 议及其报文，并对主控模块c a n 总线通信进行了硬件及软件的设计。包括c a n 控制器的选型、控制器的初始化、报文的发送与接收，报文的中止等。通过实验 调试实现了与上位机的通信，并与电动汽车中的车载网络实现并网。 详细介绍蓄电池管理系统三个主要研究部分，并提出调试及实验的方法，经 过验证，每一部分均可以实现预期的结果。 关键词蓄电池管理；d s 2 4 3 8 ；r b f 神经网络；c a n 总线 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m i c ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o e n e r g ys o u r e ep r o b l e m a st h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l e i n d u s t r y , e l e c t r i cv e h i c l e sh a v ea c c e l e r a t e dt h et r e n do fd e v e l o p m e n t b u t ，i ti sl o n g t i m et h a tt h ea c c u m u l a t o r s ，t h ee l e c t r i cv e h i c l e se n e r g y ，w o r ki na c o m p l e xs t a t e n o t o n l ye n e r g y ”s o u r c e sc a nb eu s e di n e f f i c i e n t l y , b u ta c c u m u l a t o r sw o u l db ea g g r a v a t e d s o ，h o we f f e c t i v em a n a g e m e n to fb a t t e r i e sf o re l e c t r i cc a r sh a sb e c a m eo n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e sw h i c hr e l a t e dt oe l e c t r i cc a r sp r a c t i c a l ，a n dc o m m e r c i a l i z i n g t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c hf r o mt h r e ea s p e c t so ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ： u s eas m a r tb a t t e r ym o n i t o rd s 2 4 38a sac o l l e c t i o nc h i p ，t h eb a t t e r yv o l t a g e ， c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r ed a t u mc o u l db es a m p l e d t h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m i n g c o u l ds i m u l a t e1 - w i r eb u sc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ec o n t r o lm o d u l e i ti sn o to n l y s i m p l i f i e st h es a m p l i n gc i r c u i t ，a n dc a ns i m u l t a n e o u s l ym o n i t o rm u l t i p l eb a t t e r i e s r b fn e u r a ln e t w o r ki si n t r o d u c e dt oc o u n tt h es o c ( s t a t eo fc h a r g e ) o fb a t t e r y i ti sr e a l i z a t i o nt h a td y n a m i ca c c u m u l a t o rs y s t e mi sf o r m e da n d t r a i n e d c o m p a r et h e r e s u l tw h a tt h en e u r a lm o d e lc o m p u t ea n dt h er e s u l tc o m ef r o me x p e r i m e n t a t i o n a n a l y z ea n dd e m o n s t r a t ei t sf e a s i b i l i t y a sar e s u l t ，t h ea c c u m u l a t o r sp e r f o r m a n c e c o u l db cp r e c i s ed e s c r i b e dd u r i n gi t sd y n a m i cw o r k i n g p r o c e s s c a nb u si st h ec o m m u n i c a t i o nm o d eb e t w e e nt h ec o n t r o lm o d u l ea n dt h ep c t h e n ，d e t a i l e dd e s c r i b et h ec a nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm e s s a g e c a nb u sp a r t o fc o n t r o lm o d u l ei sd e s i g n e do nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i ti si n c l u d ec a nc o n t r o l l e r s e l e c t i o n ，t h ec o n t r o l l e ri n i t i a l i z a t i o n ，t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gm e s s a g e ，b r e a k i n g d o w nt r a n s m i t t i n gm e s s a g ea n ds oo n k e y w o r db a t t e r ym a n a g e ；d s 2 4 3 8 ；r b fn e u r a ln e t w o r k ；c a nb u s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的职究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书丽使用过的材料。与我一阁工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲盟吼盟扛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 傈留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阗；学校可以公布论文的全部或部 分癍容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主氐叁铷签名：燃日期： 第l 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 自从跨入2 1 世纪以来能源的危机就一直是社会的热点问题。在能源消费中， 汽车的占世界能源总消费的近四分之一【l 】。而随着发展中国家经济水平的提高， 汽车的保有数量还在急剧增加，由此引起的能源与环境问题就显得更加严重。因 石油危机的影响，发达国家率先开展了节能技术的开发，目的是将产业部门的能 源消费停留在的一半水平。当今世界面临能源与环境的双重危机，这就要求汽车 工业提高汽车的能源使用效率，减少污染物质的排放量。尽管电控技术和代用燃 料技术能够在一定程度上改善内燃机的经济性能和排放性能，但是能源和环境危 机压力仍然很大。开发电动汽车是解决这一问题的有效途径之一。 电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动汽 车、燃料电池汽车和混合动力汽车三种类型 2 】。从维护我国能源安全，改善大气 环境，提高我国汽车工业竞争力，实现我国汽车工业跨越式发展的战略高度，经 国家科技教育领导小组批准，“十五 期间设立电动汽车重大科技专项，选择新 一代电动汽车技术作为主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、产、 学、研四位一体的方式，联合进行攻关p j 。 “十五”期间，以燃料电池汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车的产业化 技术为工作重点，在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重 大突破建立燃料电池汽车产品技术平台实现混合动力电动汽车的批量生产，开发 的产品通过国家汽车产品型式认证推动纯电动汽车在特定区域的商业化运作。同 时，完善国家电动汽车示范区和相关电动汽车检测基地的建设研究、制定促进电 动汽车产业化的政策、法规和相关标准，完善相关基础设施的建设。为我国在 5 1 0 年内实现电动汽车的产业化奠定技术基础p j 。 蓄电池是1 8 5 9 年由普兰特( p l a n t e ) 发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸 蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势【4 】。蓄电池作为电动汽车的动 力能源而成为电动汽车发展的关键，其主要的性能指标有：比能量、能量密度、 比功率、循环寿命、成本等。目前的研究结果表明，不管是对电动汽车或是电动 助动车的开发，欲取得商业上的成功，就整体技术难度而言，最关键的仍是动力 电源。 目前市场是使用得最为广泛的大型动力蓄电池是阀控铅酸蓄电池，它以其性 能良好、原材料丰富、价格低廉等优势长期在蓄电池行业中独占鳌头【5 j 。然而阀 控电池性能的发挥也需要一个良好的运行环境条件，这是由阀控电池的贫液、阀 控、紧装配等基本特点所决定的。因此开发高质量的蓄电池管理系统是实现动力 北京工业大学工掌硕士学位论文 蓄电池性能最大化的前提条件。 常见的蓄电池失效模式有【4 】： l 、电池失水 铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、导致电池正极栅板的腐蚀，使电池 的活性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。 2 、负极板硫酸化 当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负极栅板上就有p b s 0 4 存在，p b s 0 4 长期存在会失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性 物质的硫酸化，为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态，蓄电 池绝对不能过放。 3 、正极板腐蚀 由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀， 防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。 4 、热失控 热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增 强作用，并逐步损坏蓄电池。造成热失控的根本原因是浮充电压过高 由蓄电池失效引起的系统恶性中断事故在各类事故中所占的比例相当大，究 其原因，大多是忽视了对蓄电池的定期监测、定期维护而造成的。由于维护不当 将导致电池内部极板硫化变硬、电解液干枯失去活性，造成电池性能、寿命大幅 度降低，并出现过早老化。进行定期的充放电维护，一方面可以起到激活电池的 作用，另一方面可以及时发现整组电池中可能存在的落后单体电池，以便采取措 施避免意外事故的发生。目前，在实际操作中一般采用传统的充放电方式，用这 种充放电方式对蓄电池进行充电，不仅所需时间长，而且记录测试数据困难、效 益低、可靠性不高。因此，需要研制开发一套蓄电池智能管理系统，用于提高安 全运行维护水平，具有较大的实用价值。 1 2国内外蓄电池管理系统研究情况 蓄电池管理系统需要实现以下几种功能1 6 1 ： ( 1 ) 电池状态的测量与估计； ( 2 ) 电池的充放电控制； ( 3 ) 电池状态的监视和报警； ( 4 ) 监视管理各种用电装置。 蓄电池是电动车发展的瓶颈，电池的使用寿命很大程度上取决于对蓄电池管 理的技术上。如何有效地利用电池的电能，延长龟池的使用寿命，如何保证蓄电 池组充放电的均衡，如何保证其能量的回收等这些问题都涉及到蓄电池的管理。 第1 章绪论 在不断的有性能更好、价格更便宜、容量更大的蓄电池研制出来的同时，有效地 使用这些电池都是电池管理的问题。 1 2 1国内研究状况 电池管理系统是磁悬浮列车、电动车中一个越来越重要的部分，我国对蓄电 池管理系统的研究还刚刚起步【6 1 。在对蓄电池的使用过程中发现，单个电池的使 用寿命远比电池组长，经研究发现这是由于电池组在使用中处于不均衡状态，充 放电也是不均衡的，而在不断重复的充放电过程就更加剧了这种不均衡现象，从 而使得某节电池寿命缩短，继而引起整个电池组的寿命缩短。随着科学技术的发 展，单片机及计算机在智能控制方面的广泛应用，使得近几年来，很多人开始研 究蓄电池的自动化监测管理。目前比较完善的电池监测系统中，主要的研究内容 和技术都是对单体蓄电池电压的测量，并且还能进行电池温度和电流等参数的常 规测量。目前研究的关键是如何测量串联在一起的电池组中某一单体电池的参 数。 一种方法是采用电磁继电器来切换电池组中每节电池进行参数的测引，使 用该方法有着很多缺点，如采样电路体积大、成本高、使用寿命短、采样速度慢 等。特别是当多节电池串联时，会使得整个电路运行缓慢，并且在继电器切换的 瞬间也容易造成电火花从而产生安全隐患。 另一种方法是采用模拟开关进行多路输入信号的选通，对模拟信号的转换采 用可以采用可编程定时器的v f 转换器，其中在解决输入信号电压高于芯片工作 电压的问题是常见的技术难点。采用v f 转换作为a d 转换器，缺点是响应速 度慢、对小信号范围内线性度差、精度低。 在我国，清华大学与全国十多个生产和研究单位密切合作，“八五”期间成 功开发出e v - 6 5 8 0 轻型电动客车【6 】。此电动客车装有较为先进的超级电容器管理 系统。在行驶过程中可对超级电容器的充放电电流、电压等参数进行实时测量和 监控，防止过充电、过放电，提高了超级电容器寿命和效率，同时还开发了与该 系统相匹配的充电系统。清华大学还有一套能量管理系统，它由六个子电路组成： 信号输入电路：v 原变换器( 电压频率变换电路) ：光电隔离电路；微处理器控制 电路( m c u ) ；输入输出电路；r s 2 3 2 串行口通信电路。来自超级电容器组电压、 电流和温度传感器的信号在逻辑开关的控制下进入v f 变换器；这些信号被变换 为频率可变的数字脉冲信号送微处理器处理，微处理芯片就能够判断超级电容器 组中各个单体超级电容器组电压、电流、温度等信号大小，除此之外，能量管理 系统通过r s 2 3 2 串口通信电路，将数据输入到p c 计算机以进行进一步的分析 和处理。另外，哈尔滨工业大学、北京理工大学等多所科研院校也进行了电动汽 车能量管理系统的研究和开发工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 国外研究状况 国外对于蓄电池管理系统的研究从很早就开始了，美国蓄电池监测系统技术 发展于电力应用2 1 2 业t 引。1 9 8 9 年，美国电力研究所与国家电能研究公司共同合作， 研究了无人间空前酸蓄电池综合在线状态监测系统。并于1 9 9 4 年完成样机的现 场试验。该样机测定的参数有：电池组电压、单体电压、( 浮充电) 维持电流、 电池内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情 况等。所采用的方法是在每一只电池上安装多传感器电池监测模块，每一电池组 的监测器可监测2 5 6 节电池。并且远程控制中心可以通过网络对电池组监测器进 行监测，电池组监测器的数量不受限制。每隔一定时间控制中心查询所有运行组 的监测器，从各监测器下载并处理储存的数据，显示个电池状态及其趋势的信息， 并能获得每一节电池的参数。该监测系统最主要的特点是运用特定传感器对电池 组的每节电池进行独立的监测。其中单体电压采用直接带有稳压的a d 转换器； 电池组电流采用霍尔效应磁场传感器来测量；电池内部温度采用直接与电池壁接 触的固态继承温度传感器测量，并于外部环境相隔离。 在韩国研究光伏系统中的蓄电池状态监测系统p j 。该监测雄监测的内容包 括：单体电池电压、电池组电压、电池组的电流、电解液的比重等。每节被选择 的单体电池使用一个便携式的数据采集系统监测，该系统有一个2 0 通道的扫描 器、一个数字多路选择器以及一个笔记本电脑。监测系统不仅要监测以上内容， 还要采用一种“电流中断技术”，以测量电池组充电时电池内部的电阻，并更具 单体电压和电流分析测量内部电阻以监测电池老化的趋势。 v m s ( v r l a b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 阀控密封铅酸蓄电池管理系统的 研究，这个管理系统不是简单的监测蓄电池【l 叭，而是具有管理与控制蓄电池的功 能，其目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。系统监测的内容包括：单体电池 电压、电池内部温度、放电电流击放电过程中测量电池组总电压。它是在监测的 基础上增加了对蓄电池的分析，并能根据分析的结果进行管理和控制。这样更有 利于对蓄电池的维护以及延长蓄电池的使用寿命。 利物浦电气工程学院也对电动汽车能量管理系统进行了研究】，所研究的能 量管理系统包括如下内容：能量载体模型的建立和分析；测量和分析电流、电压 温度及能量载体内阻等数据；动力能量载体组剩余电量状态的确定和电动汽车续 驶里程预测；故障诊断、能量载体性能维护；测试数据显示和报警；系统与p c 机通信及软件分析；能量管理系统优化设计和可靠性分析。 第l 章绪论 1 3 课题研究 1 3 1 课题来源及研究意义 本课题选自大连磁悬浮列车研究项目。该项目主要是针对磁悬浮列车整套管 理系统进行研发，其中包括c a n 总线通信、电力拖动控制、人机交互界面的设 计、动力蓄电池的管理以及其他众多车载电控模块的研发。该项研究不仅仅适用 于磁悬浮列车，对电动汽车也非常适用，特别是随着能源与环境的问题日益受到 各国的重视，在汽车工业中开发以电能为主要动力能源的汽车越来越成为研究的 重点。 本课题主要是对磁悬浮列车中蓄电池管理系统的研究。由于现行各类蓄电池 产品，无论是国产还是进口，通常在几年内就易产生充电困难、容量降低等现象， 过早失效报废，无法使用。这主要是由于蓄电池单体性能的不一致性的存在，以 蓄电池组端电压为基本控制参数的传统充电技术在充电过程中必然发生部分电 池单体严重过充电问题，这是影响新型动力蓄电池充电安全的首要问题。传统的 充放电管理方法已不能适应锂离子等新型电池的特点，已经成为制约新型电池推 广应用的突出问题。 根据对电池管理系统的功能要求和目前研究中的问题可知，如何把握电池内 部状态的变化规律，用更有效的方式和采用更准确的算法来正确估算，减小的估 算误差，这是电池管理系统研究的一个重点。在电池管理系统中，有大量的电池 信息数据需要处理，快速准确的数据处理是正确估算的基础。与此同时，电池管 理系统还有繁重的内外网络数据通信和错误诊断处理任务，这些都对电池管理系 统的主控制器提出了越来越高的要求。 1 3 2 研究内容 鉴于国内外对于蓄电池管理系统的研究，可以看出，现在所研发的蓄电池管 理系统与真正在实际应用中的要求还有很大的差距。其主要存在的技术难点有： 蓄电池的剩余电量精确计算、多节串联蓄电池在充放电过程中的均衡这两个方 面。 蓄电池的剩余电量我们通常用核电荷状态s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 来表示【i 引， 由于它不能通过直接测量所得到，必须通过其他直测参数如：电压、电流、温度、 使用寿命等间接计算得到。如何建立电压、电流等与s o c 之间的数学模型就变 为计算蓄电池剩余电量的重点之一，该数学模型的计算精度、灵活性、通用性、 稳定性等就成为评价一个蓄电池管理系统好坏的重要标准。 多节蓄电池的均衡问题是蓄电池管理系统的难点。通过研究表明，单节蓄电 北京工业大学工学硕士学位论文 池的使用寿命远比蓄电池组长。由于每一节蓄电池在制造过程中的差异使得它们 在内阻、电池容量、电池电压等性能上不可能完全一致，当多节蓄电池串联使用 时，这一差异在反复的充放电过程中，必然会造成蓄电池在充电或者放电时的不 均衡，致使某一节或者某几节电池长时间处于过充或者过放的状态，这必然会最 终导致整个电池组寿命的降低。因此解决多节蓄电池均衡充放电不仅能提高整个 蓄电池组的寿命，还能提高电能的使用效率。 本课题主要研究的内容包括以下三个方面： ( 1 ) 通过单总线技术从电池管理芯片d s 2 4 3 8 中读取串联蓄电池的单体电 压、单体温度、电流等参数，实现对串联蓄电池组的信息的采集及管理。 ( 2 ) 建立径向基函数( r b f ) 神经网络数学模型进行蓄电池剩余电量的计 算，并通过实验验证该算法的正确以及准确性。 ( 3 ) 通过c a n 总线实现c y 7 c 6 8 0 1 3 与上位机的通讯，保证用户可以通过 上位机界面对每节蓄电池进行管理和监控。 在本设计中的蓄电池管理系统需要完成的功能有： 单体电池及电池组电压的实时监测； 单体电池温度实时监测； 单体电池放电电流的实时监测； 单体电池剩余电量的实时计算； 上位机通过c a n 总线对单体电池或电池组状态的显示； 对工作于非正常状态下的电池进行报警。 第2 章蓄电池管理系统整体方案设计 第2 章蓄电池管理系统整体方案设计 2 1 总体设计方案的选择 方案一：分别对蓄电池的电压、电流、温度等参数采集电路进行设计，并 通过模拟开关进行多路信号的选通，分别采集各节电池的状态数据。选用单片 机进行数据的处理，计算蓄电池剩余电量采用a h 法为基础建立数学模型，并 对其进行温度补偿及寿命使用补偿。与上位机通讯采用外扩c a n 控制器及u s b 控制器。 方案二：采用智能电池监视器对每节蓄电池状态进行监控及数据的采集， 通过单总线把蓄电池状态数据发送给单片机进行处理。对蓄电池剩余电量采用 能量算法建立数学模型，并对其进行温度补偿及寿命使用补偿。单片机采用集 成c a n 控制器的p 8 7 c 5 9 1 ，外扩u s b 控制器。 方案三：采用智能电池监视器对每节蓄电池状态进行监控及数据的采集， 通过单总线把蓄电池状态数据发送给单片机进行处理。蓄电池的剩余电量采用 r b f 神经网络模型建模，对其进行模糊计算。单片机采用c y 7 c 6 8 0 1 3 集成u s b 控制器，外扩c a n 控制器用于与上位机通讯。 方案比较：由于实际情况下需要监控的蓄电池数量较多，并且所需要监控 的参数种类也较多，因此分别对蓄电池各种参数的采集电路进行设计，会使得 采样电路过于复杂。同时由于采用模拟开关进行多路信号的选通，也会使得每 节蓄电池的采样周期变长，影响工作的实时性。蓄电池剩余电量是衡量每节蓄 电池工作状态的重要指标之一，采用a h 法与能量法进行数学建模，并对其进 行温度及寿命的补偿来计算剩余电量的方法，其计算公式通常是在经验的基础 上建立的，并且不同种类的电池，甚至是同种电池之间都存在较大差距，因此 同一公式很难满足不同电池组的计算需要，泛化性较差，当蓄电池处于动态工 作或复杂工作状态时，通常的数学模型计算精度很难满足需要。单片机采用集 成c a n 控制器还是集成u s b 控制器均可以简化外部通讯电路接口设计。通过 比较上述三个方案，最终选择方案三作为总体设计方案。 2 2 方案涉及技术及其介绍 由选定的总体设计方案可以看出本设计主要涉及的技术有单总线通讯技 术、神经网络模糊计算方法以及c a n 总线通讯。 单总线通讯：1 - w i r e 单总线是m a x i m 全资子公司d a l l a s 的项专有技术【13 1 。 与目前多数标准串行数据通信方式，如s p i 1 2 c m i c r o w i r e 不同，它采用单 北京工业大学工学硕： 学位论文 根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省i 0 口传输线资源，结构简单，成本低廉，便于总线扩展和维护等诸多优点。1 - w i r e 单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机 位于总线上时，系统可按照单节点系统操作。而当多个从机位于总线上时，则 系统按照多节点系统操作。 神经网络模糊计算：人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是一个由大量简单处理单元( 神经元) 连接组成的人工网络【l4 1 ，用来模拟大脑 神经系统的结构和功能。它能从已知数据中自动的归纳规律，获得这些数据的 内在规律，具有很强的非线性映射功能。人工神经网络已经广泛的应用与模式 识别、信号处理及人工智能等各个领域。 c a n 总线通讯：c a n 是控制器局部网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 的简称【l 引。 最早由德国b o s c h 公司提出，主要应用于强干扰环境下电器之间的数据通信， 由于其性能优异，在许多领域都被广泛采用和推广，c a n 总线是一种成本低， 有效支持分布式控制、实时控制的串行通信总线。它是一种多主总线，该多主 形式的实现，主要依赖于c a n 总线的无损逐位仲裁机制。主站按照优先权访问 总线，发送期间若丢失仲裁或者由于出错而遭到破坏的帧可自动重新发送，具 有强大的错误处理能力，并能区分暂时性错误和永久性故障，并将故障节点自 动脱离总线，保证其他节点正常工作。 2 3 系统模块设计 根据总体设计方案，蓄电池管理系统可以分为两个模块，即主控模块与数 据采集模块，其总体设计框图如图2 1 所示： f i 薛一1c o i l e v t i v i t yd e s i g n 仃锄e 第2 章莆电池管理系统整体方案设计 数据采集模块安放于每节蓄电池上，用于采集蓄电池在工作状态下的参数， 参数主要包括有蓄电池工作电压、工作电流、温度等，使用的采集芯片为d a l l a s 公司生产的用于蓄电池管理的智能电池监视器d s 2 4 3 8 ，采用的数据传输方式为 单总线通讯。采集模块原理结构如图2 2 所示： 图2 - 2 采集模块结构原理图 f i g2 - 2c o l l e c t i o nm o d u l e s t r u c t u r ep r i n c i p l e 主控模块用于处理数据采集模块传输过来的每节蓄电池的数据，并把采集 到的数据以及计算的结果根据需求通过c a n 总线发送给上位机。其中主控模块 需要根据采集到的蓄电池参数对蓄电池的剩余电量s o c 进行计算，采用的方法 为基于r b f 神经网络的模糊计算。主控模块结构原理如图2 3 所示： r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 单总线 h 光耦隔离卜_ c a n总线厂 采集 - q 单片机卜叫s ，a o o o 卜一上位机 模块 f 一1 光耦隔离卜i 单总线 外部数据存 储器 ： 主控模块 ： 图2 - 3 主控模块结构原理图 f i g2 - 3m a i nc o n t r o lm o d u l es t r u c t u r ep r i n c i p l e 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4本章总结 本章主要通过分析对比确定蓄电池管理系统的总体设计方案，并对其所涉 及到的技术及各个设计模块需要实现的功能进行简单介绍，为接下来的各个模 块设计进行铺垫。 第3 章数据采集模块设计 第3 章数据采集模块设计 3 1 采集模块使用芯片及单总线技术 3 1 1电池管理芯片d s 2 4 3 8 d s 2 4 3 8 是d a l l a s 公司推出的一款智能电池监视器【l6 1 。其主要的特点有： 是单总线器件，仅用一根传输线便能实现电源与数据的双向传输。 芯片内部集成一1 3 位的温度传感器，其分辨率可以达到o 0 3 1 2 5 。 具有1 0 位的电流a d 转换器，可以实现对电池充放电电流的测量。 具有1 0 位二通道的电压a d 转换器，可以实现对电池电压的测量。 芯片内部有4 0 字节的用户存储器，方便用户存储信息。 芯片内部有逝去时间计时器，可以对电池充放电时间进行统计。 芯片内部具有充放电电流累加器，当芯片每2 7 4 6 m s 采样一次电池电流 时，根据该值的正负加减入电流累加器寄存器中，并且还设置两个累加器分别 就充电电流与放电电流进行累加。 d s 2 4 3 8 采用s o i c 表面贴片封装，其外形如图3 1 所示，管脚功能见表3 1 ： g l q d v n e - 陋, 9 毓 v 船 d o m c n c v 图3 1d s 2 4 3 8 外形封装图 f i g3 1p a c k e to f d s 2 4 3 8 表3 1d s 2 4 3 8 管脚功能描述 t a b l e3 1d e t a i lp i nd e s c r i p t i o n 管脚号管脚名称功能描述 lg n d 接地 2v s e n s + 电池测量电流输入( + ) 3v s e n s 电池测量电流输入( ) 4v a d 通用电压a d 采样输入端 5v c c供电电压( 2 4 i o v ) 6 ，7n c 悬空不接 8 d q 数据输入输出，单总线 北京工业大学工学硕士学位论文 j d s 2 4 3 8 作为一款专门用于采集多种电池状态参数的集成芯片，其内部结构 框图如图3 2 所示： 图3 - 2d s 2 4 3 8 功能原理结构框图 f i g3 - 2d s 2 4 3 8f u n c t i o np r i n c i p l es t r u c t u r e 由图3 2 可以看出d s 2 4 3 8 芯片有单总线接口、电压，d 转换器、电流a d 转换器、温度传感器、时钟电路、4 0 字节的e e p r o m 、温度寄存器、电压寄存 器、电流寄存器等相关功能寄存器组成。其中电压a d 转换器的输入可以编程 为由v d d 电源端输入或者是由v a d 输入端输入。 表3 - 2d s 2 4 3 8 第0 0 页存储器 t a b l e3 - 2p a g e0 0m e m o r i z e ro fd s 2 4 38 字节内容读写 易失 名称 序号d b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2d b ld b 0特性特性 o状态配置xa d bn vt b a d e ec a i a d 读非 l温度低位 2 l 2 。2 2 3 2 4 2 5o00 读非 2 温度高位 s 2 6 2 52 42 32 22 l2 0 读非 3 电压低位 2 72 62 52 42 32 22 l2 0 读非 4 电压高位 0000002 92 8 读非 5 电流低位 2 72 62 52 42 32 22 i2 0 读非 6 电流高位 sssssss2 8 读非 7阈值t h 2t h l00oooo 读写 易失 第3 章数据采集模块设计 芯片的存储器类型包括易失性的s r a m 和非易失性的e e p r o m 。d s 2 4 3 8 的存储器为一容量6 4 字节的存储器，该存储器共被分为8 页，分别用第0 0 页 第0 7 页表示，每页为8 个字节。其中第o o 页通常是访问最为频繁的页如表3 2 。 第0 0 页第0 字节为状态寄存器，该寄存器主要控制d s 2 4 3 8 的功能【1 6 】，默 认值为1 ，每位的含义如下： i a d 为电流a d 控制位。当i a d = 0 ，禁用电流a 仍采样和i c a 。i a d = 1 ， 启用电流a ，d 采样和i c a ，并且以3 2 h z 的速率采样电流。 c a 为电流累加器配置位。当c a = 0 ，禁用c c a f d c a ，第0 7 页存储器 可用于普通e e p r o m 存储。c a = i ，启用c c a ，d c a 存储数据。 e e 为隐蔽电流累加器位。当e e = 0 ，c c d c a 计数器数据将不隐蔽到 e e p r o m 。e e = i ，将c c a d c a 计数器数据隐蔽到e e p r o m ，电量每 增加0 3 2 ，当前计数器加1 。 a d 为电压a d 输入选择位。当a d = 0 ，电压选择由v a d 端输入。当 a d = i ，电压选择由v d d 端输入。 t b 为温度转换忙标志位。t b = 0 ，温度转换结束。t b = i ，温度转换正 在进行。 n v b 为非易失存储忙标志位。n v b = 0 ，非易失存储空闲状态。n v b = i ， 再从可擦除区复制到e e p r o m 的存储过程中。一次e e p r o m 存储占 用约2 1 0 m s 。 a d b 为a d 转换标志位。当a d b = 0 ，转换结束或无测量。a d b = i ， 电压a d 转换正在进行。一次刖d 转换占用约1 0 m s 。 x 为未定义位。 第0 0 页的第l 、2 字节分别为温度低位、高位寄存器。d s 2 4 3 8 可以在5 5 - + 1 2 5 的范围内进行测量，其分辨率为o 0 3 1 2 5 。温度值以2 的补码形式通过 2 字节温度寄存器输出，片内采用1 3 位温度转换器，其中的s 位为符号位表示 温度值的正负。 第0 0 页的第3 、4 字节分别为电压低位、高位寄存器。d s 2 4 3 8 的电压在0 1 0 v 的范围内进行测量，电压a d c 的输入可以通过状态寄存器的a d 位来选择 由v d d 输入或由v a d 输入。结果放在2 字节电压寄存器中，单位为m v ，片 内采用1 0 位电压转换器。 第页的第5 、6 字节分别为电流低位、高位寄存器。d s 2 4 3 8 通过测量电 流取样电阻r 两端的电压来间接测量电池流过的电流。采用1 0 位a d c ，分辨 率可达到0 0 0 5 c 。电流测量值结果放在2 字节电流寄存器输出，片内采用1 0 位电流转换器。其中的s 位为符号位表示电流的正负，用于表示蓄电池处于充 电或者放电状态。 北京工业大学工学硕士学位论文 第0 0 页的第7 字节为阈值寄存器。其中的t h l 、t h 2 共同表示在不同情 况下温度对电量的补偿。 第0 l 页包含了电流累加器、逝去时间计数器和电流补偿单元寄存器。其中 第0 - 3 字节为逝去时间计数器e t m 数据，第4 字节为8 位的电流累加器，第 5 、6 字节为电流补偿单元寄存器，第7 字节为保留字节。 第0 2 页包含了非易失性时间与充电时间标记。其中第0 3 字节为非易失 性时间，用于判断蓄电池使用寿命。第4 - - - 7 字节为充电时间标记。该页即可进 行读操作也可进行写入操作。 第0 3 - 0 7 页为d s 2 4 3 8 保留的e e p r o m 存储空间，可以根据用户需求存 储数据。此外，第0 7 页的第4 7 字节还可用于存储充入电量累加器c c a 与释 放电量累加器d c a 的数据，其中4 、5 字节为充入电量累加器c c a 的值，6 、 7 字节为释放电量累加器d c a 的值。 3 1 2 单总线技术 单总线只有一根数据显。设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路或三态端 口，连接至该数据线，这样允许设备在不发送数据时释放数据总线，以便总线 被其它设备所使用。单总线端口为漏极开路，其内部等效电路如图3 3 ，单总线 要求外接一约5 k 的上拉电阻，保证当总线空闲时为高电平【1 4 】【17 1 。 图3 3 单总线硬件接口示意图 f i g3 - 3i n t e r f a c eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f1 - w i r eb u s 当需要通过单总线访问单总线器件时，必须严格遵守单总线命令序列 【1 8 】【1 9 】，如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应。典型的单总线命令序列为： 第一步，初始化。第二步，r o m 命令。第三步，功能命令。 ( 1 ) 初始化 基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发 出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道总线上有从机 第3 章数据采集模块设计 设备，且准备就绪。 ( 2 ) r o m 命令 当主机接收到单总线器件发回来的应答脉冲之后，就可以发出r o m 命令， 该命令与每个单总线器件设备的唯一6 4 位r o m 代码相关。该代码在生产时就 已经被固化在器件之中，如同器件的身份证一样。通过该代码，主机可以指定 对某一个单总线器件进行操作。该r o m 码中第一个字节表示族码，最后一个 字节为c r c 校验码。 从机设备可能支持5 种r o m ( 实际情况与具体型号相关，这里通常以 d s 2 4 3 8 为例进行说明) ，每种命令的长度均为8 位。其所支持的5 种r o m 命 令如下： 读r o m 命令 3 3 h ( 仅适用于单节点) ：该命令仅适用于总线上只有一 个从机设备。它允许主机直接读出从机的6 4 位r o m 代码，而无须执 行搜索r o m 过程。如果该命令用于多节点系统，则必然发生数据冲 突，因为每个从机设备都会响应该命令，从而无法识别正确的代码。 匹配r o m 5 5 h ：匹配r o m 命令后跟随6 4 位r o m 代码，从而允许 主机访问多节点系统中某个指定的从机设备，仅当从机完全匹配6 4 位 r o m 代码时才会响应主机，随后发出的功能命令。其它设备将处于等 待复位脉冲状态。 搜索r o m f 0 h ：当系统初始上电时，主机必须找出总线上所有从机设 备的r o m 代码，这样主机就能够判断出从机的数目和类型。主机通 过重复执行搜索r o m 循环( 搜索r o m 命令跟随着位数据交换) ，以 找出总线上所有的从机设备。如果总线只有一个从机设备则可以采用 读r o m 命令来替代搜索r o m 命令。在每次执行完搜索r o m 循环后 主机必须返回至命令序列的第一步( 初始化 。 跳跃r o m c c h 】( 通常用于单节点) ：采用该命令使得主机能同时访问 总线上的所有从机设备，无须发出任何r o m 代码信息。这种命令通 常用于不需要从机设备向主机发送信息。值得注意，如果跳越r o m 命 令跟随的是读操作命令则该命令只能应用于单节点系统，否则将由于 多个节点同时响应该命令而引起数据冲突。 报警搜索 e c h ( 仅用于少数单总线器件) ：除那些设置了报警标志的 从机响应外，该命令的工作方式完全等同于搜索r o m 命令。该命令 允许主机设备判断那些从机设备发生了报警( 如最近的测量温度过高 或过低) 。等同搜索r o m 命令一样，在完成报警搜索循环后，主机必 须返回至命令序列的第一步。 ( 3 ) 功能命令 北京工业大学工学硕士学位论文 功能命令即主机控制某个单总线器件完成某一特定功能。通常在主机发出 r o m 命令之后紧接着发出，常用的功能有读暂存器、写暂存器、复制暂存器、 回读e e p r o m 等命令。其他根据不同的单总线器件还有一些特定命令，现在以 d s 2 4 3 8 为例进行说明，d s 2 4 3 8 的功能命令集如表3 3 所示： 表3 - 3d s 2 4 3 8 的功能命令集 t a b i e3 3d s 2 4 3 8c o m m a n ds e t 命令”功能描述 i 命令代码 单总线上响应备注 存储器命令 读第x x 页9 个字节数 b e h 据信息( 该页8 字节传送9 个字节信息至主 读暂存器 ( p a g e 0 0 h - - 。 与1 字节c r c 校验机 0 7 h ) 码) 4 e h 向第x x 页写入8 个字 主机传送8 个字节信息 写暂存器 ( p a g e 0 0 h - q 节数据信息至d s 2 4 3 8 0 7 h ) 将暂存器中第x x 页 4 8 h 复制暂存器中数据复制到 ( p a g e 0 0 h 无 e e p r o m 由0 7 h ) 将e e p r o m 中的第 b 8 h 回读e e p r o mx x 页数据重新读回 ( p a g e 0 0 h 6 - - 传送回读状态至主机 暂存器中 0 7 h ) 寄存器命令 转换温度 启动温度转换 4 4 h无 转换电压启动电压转换 b 4 h 无 单总线器件要通过单总线进行信号的正确传输、准确性