（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的电动汽车电池管理技术研究.pdf

j 东t 业人学t 学硕十论文 a b s t r a c t c a ni n d u s t r i a ll o c a la r e an e t w o r k s ，c a l l e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ， w h i c hi sas e r i a lb u sw i t hh i g hs p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t y ，a n dl o wc o s t f o rd i s t r i b u t e dr e a lt i m ec o n t r o la p p l i c a t i o n sa r ew i d e l yu s e di nt h e f r a m e w o r ko fr e a l t i m ed i s t r i b u t e di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa n dd i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gs y s t e m s a na p p l i c a t i o nm e t h o do fb a t t e r ym a n a g e m e n t f o re l e c t r i cv e h i c l eb a s e do nc a nb u si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，w h i c h i su n i v e r s a l 、p r o g r a m m a b l ea n di n t e l l i g e n t t h ep a p e rf i r s t l yg a v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt h ec o n c e p to fe v ，t h e c u r r e n ts t a t eo fb m s ，a sw e l1a st h eb a s i cc o n c e p t i o no fc a nb u s t h e r e a r et h r e ep a r a m e t e r st ob em e a s u r e d ，a f t e rc o m p a r i n gm a n ym e t h o d sa n d a c c o r d i n gt ot h ea v a il a b l ec o m p o n e n t s ，t h em e a s u r e m e n tm e t h o da n ds p e c i f i c s e n s o ri sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r ，ar e l a t i v e l yc o m m o nm e t h o di sc h o s e n b yt h es t a t eo ft h ea p p l i c a t i o no b j e c t ，t h eb u sn o d ei sc o n s i s to fm c u 、 s j a l 0 0 0a n dp c a 8 2 c 2 5 0 t om e a s u r ev o l t a g ep a r a m e t e r ，t h em e t h o do fr e l a y a n da d ci ss e l e c t e d ，a n dd i g i t a lt h e r m o m e t e rb a s e do fs i n g l ew i r eb u si s s e l e c t e dt om e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r e t h eh a r d w a r eo ft h ec a nb u sa n d m e a s u r e m e n tc i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nt h e s es e n s o r sa n dc o m p o n e n t s ， a n dt h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e d ，a sw e l la st h ef l o wc h a r ti sg i v e n t o d i s p l a ya l lp a r a m e t e r s ，p cs o f t w a r eb a s e do nu s b c a ni sd e s i g n e dw i t hv i s u a l c + + f o rm o n i t o r i n ga 1 1p a r a m e t e r so ft h ec a nb u sn o d e s t h en e w l yd e v e l o p e db m sc a ns a f e l ys e p a r a t et h em e a s u r i n g ( 1 0 wv o l t a g e ) f r o mt h eo p e r a t i n gc i r c u i t ( h i g hv o l t a g e ) o fb a t t e r y i tc a nn o to n l y c a np r e d i c tt h ee v sd r i v i n gr a n g e ，b u ta l s oc a ne f f e c t i v e l ym o n i t o rt h e s t a t eo fb a t t e r y i tw i i ig i v ea l a r m i n gs i g n a l sw h e na b n o r m a lo c c u r sa n d r e m i n dt h ed r i v e rt or e p l a c et h ed e t e r i o r a t e db a t t e r y e a c he l e c t r i c c o n t r o lu n i t ( e c u ) o fb m su s e sh i g hp r e c i s i o ns e n s o rt oc o l l e c td a t a a d d i t i o n a l l y ，am i c r o c o n t r o l l e rw i t hc a np o r tw a st a k e na st h ec p ui nt h e i i a b s t r a c t n e wb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m t h ee c us e r v e da s a ni n t e lli g e n td a t a c o l l e c t i n gn o d e e a c hn o d ew a sc o n n e c t e dw i t hac a nb u st os h a r et h ed a t a w i t he a c ho t h e r t h i sk i n do fl i n k a g ei sn o to n l yu s e f u lf o rr e d u c i n gt h e w i r i n gh a r n e s s ，b u ta l s oc a np r o v i d ef l e x i b l el a y o u to fb a t t e r i e sa n d f u r t h e r m o r ei m p r o v e m e n ts e c u r it ya n dr e li a b ili t y t h es t u d yi nt h i sp a p e rw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i c v e h i c l e sa n ds e c u r i t yo ft h eb a t t e r i e s i ti sa l s oag o o dr e f e r e n c ef o r f u t u r er e s e a r c hi nt h isa r e a k e y w o r d s ：c a nb u s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ：b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ： i n t e l l i g e n tn o d e 1 1 1 独创降声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 5 论文作者签名：，l 曼锋 】 指导教师签名：李饥珂 硼年歹月刁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 日益增长的环境和能源问题使得电动汽车迎来了发展的良机。在蓄电池及其 它能源装置尚不能完全取代传统的内燃机时，混合动力电动汽车( h e v ) 作为一种 目前最佳解决方案，很好的解决了车辆的燃油经济性和排放性能，也逐渐成为了 当前汽车工业发展的战略重点之一，它的出现改善了车辆的经济性和排放性，促 进了电动汽车的能源技术和控制策略与手段的发展。 本课题来源于国家8 6 3 科技攻关项目一一五洲龙混合动力客车开发与产业 化，也是该项目的重要的组成部分之一，本课题的主要目是将先进的汽车总线技 术引进到混合动力大客车电池管理技术当中，取代现有的控制方式，提高混合动 力大客车的电气安全系统可靠性，从而提高大客车的整车性能。 电气安全是整车性能的一个重要指标，其重要意义不言而喻，电池管理系统 是混合动力车的电气安全系统重要的部分，由于电池组就象一根链条，每只单体 电池是其中的一节。链条的强度取决于其中最弱的一节，电池组的品质也同样取 决于由其中质量最差的一只。一只电池特性变差不仅影响了整个电池组的性能， 还会引起恶性的链锁反应。因此在实际工况下如何迅速、准确地判断和预测电池 组中某些电池的故障将有效地延长整组电池的使用寿命，因而能有效降低电动汽 车的运行成本。 深圳市五洲龙汽车有限公司是本课题的合作单位，该公司生产的混合动力大 客车己在深圳、广州和澳门等地的公交线路上长期运行，该公司的混合动力大客 车整车性能在全国处于领先水平，即节能2 5 以上，达到欧i 以上排放标准。但 是，该公司的混合动力大客车车身控制系统采用传统的控制方式，由于大客车的 车身较长，分布于车身各处的微控制器之间的连线复杂且线束沉重，而且每当需 要增加功能的时候，需要跟现有的每一个微控制单元建立一对一的连线，工作量 非常大，维护工作相当繁琐。以该公司的f d g 6 1 i o h e v 型混合动力公交车为例， 该车有大容量蓄电池2 8 节，由于电池本身体积较大，根据车厢空间需要的安排， 把这2 8 节蓄电池分布在了车厢中部的两边，电池摆放空间的前后两端距离达8 广东，r 业人学一r ：学硕十论文 米。在运行过程中需要对电池数据进行测量和记录，如果每个传感器信号都跟整 车控制e c u 直接连接，则连线可能长达数百米，而且由于线束的过长和复杂，根 据该车实际运行中的经验，这种连接方式的故障率相当高，给维护工作带来相当 大的麻烦。引入汽车总线技术成为提高电池管理系统和整车电气安全性能的最佳 途径。 1 2 国内外电池管理系统研究现状 1 2 1 电动汽车电池应用简介 动力电池是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是电动车辆整车成 本的主要组成部分，其寿命直接影响电动车辆的使用成本。动力电池自身技术的 提高和成组应用技术的发展成为电动车辆市场化和商业化的关键因素之一。当 今，电动车辆可选择的电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。铅酸 电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的电池，但是电池的比能量 和比体积都较小，这导致其一次充电的行程短，运行效率低，这严重的影响到铅 酸电池在车辆上的使用。镍镉电池具有比铅酸电池更高的充放电倍率，推出后得 到一定的发展，但是由于其具有记忆效应、含重金属对环境有污染，所以其发展 受到限制。为此人们一直探索着如何改进电池的性能，开发能量效率更高、稳定 性更好，电荷容量更大的新电池。终于，上世纪9 0 年代，镍氢电池和锂电池出 现让人们看到了曙光。镍氢电池是人们看好的第二代电池之一，是取代铅酸电池 和镍镉电池的产品。镍氢电池以其充放电倍率大、无环境污染隐患、无记忆效应 等优点很快占领了极大的市场。但是镍氢电池内阻小，这在给人们带来充放电倍 率大的同时却又引入了电池不容易实现并联的问题，这限制了镍氢电池通过并联 增加容量，加之其工作电压低( 1 2 v ) ，需要大量的电池串联，随之而来的一致 性问题使得镍氢电池的在大容量场合( 如纯电动大巴等) 的应用受到限制。特别是 锂离子电池推出以后，人们又开始认同锂电池，一些镍氢电池企业纷纷转产生产 锂电池。一时间人们所热崇的镍氢电池似有被冷落的意思。锂电池具有工作电压 等级高、比能量和比体积大、白放电率低、无记忆效应、环保性好和无污染性等 优点。锂电池的能量密度( 体积能和质量能) 几乎是镍镉电池的1 5 - 3 倍；单元 2 第一幸绪论 电池的平均电压为3 6 v ，相当于3 个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能减 少电池组合体的数量，从而因单元电池电压差所造成的电池故障的概率可减少许 多，也就是说大大延长了电池组合体的寿命。这也极大地促进了锂电池技术的发 展。在电动车上它大有取代铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之势，它将随着电动 车的普及发展而成长壮大叫。 在经历了铅酸电池、镍镉电池、钠硫电池等多种类型的发展和探索之后，目 前应用主要集中在阀控铅酸动力电池、镍氢动力电池和包括锂离子和锂聚合物两 大类的锂动力电池。但是无论哪一种电池，其单体的能量、功率等性能参数都不 能满足电动汽车使用要求，所以实际使用时均为成组集成应用目前电池组系统正 逐步向智能化、模块化、集成化、标准化方向发展。p r i u s 、c i v i c 等混合动力轿 车装配的镍氢电池、瑞士m e s 公司的z e b r a 电池、法国s a f t 公司的电动车辆锂 离子电池现均以能量模块形式提供用户使用。目前，我国动力电池在性能、工艺、 安全性等方面都已能基本满足整车需求，部分动力电池研制单位已通过国家测试 认证，并形成了批量产品能力。 总体而言，在国外一些发达国家中，电动汽车上使用最多的电池是动力铅酸 电池和镍氢电池( n i 一删电池) ，而且主要以n i 一姗电池为主，如日本本田的 “i n s i g h t ”与丰田的“p r i u s ”，还有美国通用汽车公司的“c h e v n o l e t t r i a x ”， 福特汽车公司的“p r o d i g y 等纯电动或混合动力车采用的都是n i 一删电池，而 在国内由于镍氢电池成本高，一般使用动力铅酸电池。 1 2 2 国内外电池管理系统发展现状 美国是电动汽车产业最发达的国家之一，其b m s ( b a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e m ) 蓄电池监测系统技术发展于1 9 8 9 年，美国电力研究所与国家电能研究公司合作， 共同研究了无人值守铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4 年的研究与开发 耗资2 0 0 万美元，于1 9 9 4 年完成样机的现场试验。测定的参数包括：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。其方法是采用安装在每一只电池上的多传 感器电池监测模块。这种模块通过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器每一电 池组监测器可监钡i j 2 5 6 个单电池。远程控制中心通过m o d e n 矛1 3 公用电话线对电池组 监测器进行监测，可监测的电池组监测器的数量不受限制。控制中心p c 机能定期 r “尔【：业人学j ：学硕士论文 查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池状态及其趋 势的信息，能获得每一节电池的参数。其主要特征是运用特定传感器对电池组的 每个电池进行独立监测。单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有稳压的 a d 转换器。电池组电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻器和带有稳压 参考的a d 转换器( 由电池组供电) 。电池组电流的测量用霍尔效应磁场传感器来 测量。电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感 器来测量，并已同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。电池组温度的测量 是用同样的装置来测量。由于蓄电池的监测有多种监测目的。因此，监测的重点 也有差异，在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。 在圣巴巴拉某区的电车上，在蓄电池上安装有b m s 蓄电池监测系统，以评价 蓄电池的运行状况。b m s 能够向操作人员提供有关剩余电量的信息及电池性能接 近极限状态时的报警状态。同样重要的是，为对电池状态进行分析和维护，将数 据进行记录。这里使用的电池单电压是1 2 v ，b m s 的数据采集系统包括1 6 路单电压 通道、测量一个显示电池温度及环境温度的4 路温度通道、电池组电压和电流通 道。a d 采样速率是每秒4 0 个采样点，精度好于0 1 。电源供电部分使用了d c d c 变换器。b m s 通过获得电池的数据来分析电池和车辆的运行状况。 在欧洲，法国是电动汽车发展较快的国家。法国随车电池能量管理系统主功 能为：电池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维护、 剩余电量显示。它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定如何恰当使用 和更换电池，最大限度地提高电池的能量使用效率。在德国，西门子公司开发的 电池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电，提高充 电效率，节约了电能。电池管理系统对电池组的工作状况进行监控，检测电池组 的电量消耗和剩余能量等，并将有关信息反馈到仪表板的仪表和信号装置上。通 过d c - d c 变换器保证电器系统的能源供应和器件正常运行哺1 。 在日本，本田公司开发的车用电池能量管理系统包括：管理控制模块、车载 充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、d c d c 变换器等。如果电动汽 车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保证用电安全。 我国对电动车的发展极为重视，早在1 9 9 2 年就把电动车的开发发展列入国家 的“八五”重点科技攻关项目，研制产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量 4 第一章绪论 使用。但电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力蓄电池管 理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上也将提出更高的要求。北京交通大学 电动汽车专家组也一直致力于电池管理系统、电池充电机站的研究，经过多年 的努力，形成了涵盖铅酸、镍氢和锂离子电池的结构多样的适应不同车型的系列 产品。在系统功能方面，在完善电池基本参数检测、估算、通讯接口、控制和数 据记录的同时，还增加了绝缘检测、充放电次数记录、电池故障分析与在线报警、 电池离散性评价体系、与充电机通讯实现安全充电等功能；北京交通大学电池管 理系统以其性能稳定、可靠性好、检测精度高、功能齐备、方便耐用等优点得到 广大用户的一致好评。至今为止，部分产品已经实现批量生产和使用，用户包括 国家电动汽车运行试验示范区( 纯电动中巴、铅酸) 、东风汽车集团( 混合动力大 巴、镍氢) 、北京公共交通控股( 集团) 有限公司( 双源无轨电车、铅酸) 、北京1 2 1 示范线( 纯电动大巴、铅酸锂电) 银川铁通( 通讯基站，铅酸) 、北京奥运用电动 大巴( 纯电动大巴，锂电) 。经过多年的研究、经验的总结以及实际运行数据的分 析，北京交通大学的电池管理系统取得重要的发展。特别是承接了北京奥运电动 汽车电池管理系统的设计研发工作以来，北京交通大学投入了更大的人力物力， 以奥运锂电池为试验对象，着手搭建电池及其管理系统的试验平台，电子变流技 术等均衡措施。数据库管理方面，由于电池和电动车都处于试验和日益完善的阶 段，电池管理系统多配备了电池运行和充电数据的数据库管理系统，便于对电池 性能进行评价，对车用电池的优化设计提供数据支持。 清华大学对电动汽车电池管理系统基本结构的设想如图1 - 1 所示，系统由六 个子电路组成：信号输入电路；v f 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。来自电池组 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电池 组中各块电池电压、电流、温度等信号大小。除此之外，电池管理系统通过r s 一2 3 2 串行口通信电路，将数据输入n p c 计算机以进行进一步的分析和处理。 广东一i ：业人学+ i ：学硕十论文 盟呆 l 榆 i 】 l 一 亚小 i 一 硼9 山 l 一 i 毛广 模 v f 光 拟 +变+ 电 微处理器 r s 模+开换隔 ( m c u ) 2 3 2 p c 电压信。 拟 关 器 离 开 关 电池组 光电隔离卜一l 输出卜i 一 t 键盘卜刊输入i r 图卜1电池能量管理系统基本结构( 清华大学) f i g 1 - 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo fb m s 北京理工大学开发的电池管理系统的系统框图如图卜2 所示。图中动力电池 组由3 2 块电池串联而成，在电池箱中安装有检测电池组电流的霍尔传感器，霍尔 传感器把检测到的电池组电流信号输入电池管理系统主体部分；电池组中每块电 池两端的引线也连接入电池管理系统主体部份，以实现电池管理系统对电池组总 电压、每块电池端电压的信号采集；电池组上每块电池表面安装了温度传感器， 它们检测到的各块电池温度信号送入电池管理系统主体部分中。电池管理系统主 体部分对动力电池组输入的各种信号进行分析处理后，发出电动汽车后续里程、 电池组总电压、电池组电流和电池组是否有故障需要报警等信号给驾驶室仪表显 示部分进行相关信息显示；电池管理系统主体部分给电池组中的霍尔电流传感器 和温度传感器提供电源，向电池组提供均衡各块电池电压的控制信号，以改善电 池组中各块电池的均衡性，提高电池组中各块电池的使用寿命；电池管理系统主 体部分留有r s 2 3 2 串行接口，以便与手提式计算机双向交换数据。 池电监信号 图卜2电池管理系统主体部分外接信号框图( 北京理工大学) f i g 1 2 d i a g r a mo ft h em a i np a r to fe x t e m a ls i g n a l f o rb m s 另外，对电池的重要参数s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 的研究，一直以来被认为是 6 第一章绪论 国际性难题，也吸引了众多国内外专家学者的注意并进行了长期的研究，先后提 出了许多解决办法。先进的算法也相继出现，如模糊逻辑算法模型、自适应神经 模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光谱法 等。虽然人们进行了大量的努力，但是效果并不理想，j 都存在缺陷，不能达到实 际使用的要求。这主要是因为电池组的s o c 与温度、充放电倍率、前一时刻充放 电状态、极化效应、电池寿命等因素相关，而且表现出很强的非线性，s o c 实时 在线估算带来很大的困难。人们开始意识到电池的内部工作机理和外特性综合考 虑，对电池进行建模才是解决电池s o c 估算的根本办法。 1 3 电池管理系统任务及主要研究内容 电池管理系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，电池组管理系统最基 本的作用是监控电池的工作状态( 电池电压、电流和温度) ，通过对这些参数的测 量，预测蓄电池的s o c ( 和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况) 避免出现 过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象) 以便最大限度地利用 电池的存储能力和循环寿命h 1 。电池管理系统的主要任务如表1 - 1 所示。 任务传感器件执行器件 防止过充 电压传感器、电流传感器、温度传感器 充电器 避免深放电压传感器、电流传感器、温度传感器电机控制器 温度控制温度传感器冷、热空调 驾驶员信电压传感器、电流传感器j 温度传感器、电显示单元 息量表 。 蓄电池诊电压传感器、电流传感器、温度传感器显示单元，充电状 断 态表 电池组件温度传感器平衡单元 温度平衡 表卜1电池管理系统的主要任务 t a b l e1 1m a i nt a s ko f b m s 电池管理系统包含着检测和控制两个主要部分。检测内容有很多，具体包括： 蓄电池( 组) 的充、放电电压、电流，单体电池温度等控制内容主要有：控制蓄电 池( 组) 的充、放电电压、电流、温度等。国内蓄电池监测系统现状随着科学技术 的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，关于蓄电池的自动化 7 广东：业大学1 ：学硕+ 论文 监测问题也提到日程上来。近几年以来很多人开始研究蓄电池的自动化监测。 蓄电池监测系统中，主要内容是对单电池电压的监测。其中，关于温度和电流的 测量都属常规测量而且在这些方面的测量技术都已成熟。在电压的测量方法上 对单个电压量的测量方法非常简单。其中，最关键的是如何测量电池组中串联在 一起的单电池电压。因此，电池电压、电流和温度等测量方案的选择和设计成为 本课题的一个重要研究内容。 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是8 0 年代初b o s c h 公司为解决 现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信 协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本。经过二十多年的发展和 实践，c a n 总线已经成为汽车行业应用最广泛的总线标准。在国外已相当普及的 情况下，国内的汽车行业也纷纷加入该领域的技术应用行列中，目前c a n 总线已 经成为解决汽车内部线束繁多和通信需求等问题的重要技术，本课题引入c a n 总 线用于解决众多电池节点和中央控制器之间的通信问题，展开研究工作的主要内 容为： ( 1 ) 根据c a n 总线网络理论，参考各种现有的c a n 总线应用研究成果，搭建硬 件平台，为软件程序设计提供基础。 ( 2 ) 研究电池单体电压、电流和温度等各类参数的测量方案和功能实现，完 成总线节点的构建。 ( 3 ) 基于5 1 系列单片机硬件平台，将以上各基本系统的电气节点挂接在c a n 总线上，再根据电动汽车实际运行工况和控制器软件设计的需要，完成c a n 总线 网络的软件设计。 1 4 本章小结 本章阐述了课题的来源和研究的意义，介绍电动汽车动力电池应用的发展情 况，国内外在电池管理系统方面研究的发展概括和研究现状，着重介绍了发达国 家在电池管理系统方面研究和发展的经验，以及国内顶尖大学在该领域的理论和 实践成果，最后阐述了本课题的主要任务和研究内容，总结性地指出了本课题的 主要工作。 第二章电池管理系统总体方案研究 第二章电池管理系统总体方案研究 2 1 现场总线类型比较与选择 汽车工业是使用微控制器最多的行业之一，现代典型的控制单元有电控燃油 喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统、防滑控制系统、废气再循环控制、 巡航系统空调系统等等。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数 据实行共享，例如大众辉腾使用多达6 0 个微控制器，而新高尔夫也有3 0 个，现代 豪华车辆上可有多至8 0 个电子控制单元( e c u ) ，以满足对其对舒适性、环保性和 安全性越来越高的要求。在传统电控系统设计中，难以实现系统信息共享及信息 处理的智能化，每增加一项功能都要为新的子系统建立相应的一对一的电缆连 接，使得分布车体各处的电缆尤其是主电缆束趋于庞大、沉重和昂贵，并进而导 致设计、安装、调试和维护的困难。因此汽车电气控制系统的传统结构已成为制 约汽车功能增加、性能提高和降低综合成本的瓶颈。 现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑网络，是用做现场控制系统 的、直接与所有受控( 设备) 节点串行相连的通信网络。它作为工业控制领域出现 的一种新兴的控制技术，集成了通信技术、集成电路技术及智能传感技术，是当 今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向和一种有 突破意义的新的控制思想。现场总线从本质上来说是一种数字通信协议，是一种 应用于生产现场、在智能化控制设备之间实现双向串行通信、多节点的数字通信 系统，是一种开放的、数字化的、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统 f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 符合现代t 业控制思想的核心，即“分散控制， 集中监测”，使得“危险分散，控制分散”，把控制彻底地下放到现场，现场的 智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功 能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制任务由上位机来完成。此外，现场总 线还具有互操作性，做到不同品牌的现场设备统一组态，真正实现了“即插即用” 这对于开发大型的测控系统非常重要。 早在上世纪8 0 年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的 研究及应用，如博世的c a n ，s a e 的j 1 8 5 0 、马自达的p a l m n e t 、德国大众的a b u s , 9 广东f ：业人学i 。7 嵋- 硕十论文 美国商用机器的a u t o c a n ，i s o 的v a n 等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采 用总线系统的车辆有b e n z ，b m w ，r o r s c h e ，r o l l s r o y c e ，j a g u a r ，v o l v o 等。控 制器局域网( c a n c o n t r o ll e ra r e an e t w o r k ) 的现场总线标准是现在运用的最广 泛的汽车现场总线标准。它是8 0 年代初由德 b o s c h 公司开发的。目前奔驰、奥 迪、b m w 、雷诺和大众等公司均基于c a n 技术实现了轿车和卡车的发动机管理( 如 电喷控制) 、车体电子、乃至娱乐设备的控制等功能。 现场总线的本质含义表现在以下五个方面： 1 、现场通信网络：现场总线是把通信总线一直延伸到生产现场或生产设备， 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。 2 现场设备互连：现场设备在f c s 系统中己成为由微处理器为控制核心的智 能节点，彼此通过一对串行信号线互连。根据不同需要，传输介质可选择双绞线、 同轴电缆、光缆等。 3 、互操作性：现场设备种类繁多，不同设备之间的互连是不可避免的。由于 遵守统一的通讯协议及行业规范，可以将不同厂商的产品集中在一起实现“即插 即用”。 4 、分散功能块：f c s 废弃- t d c s 的输入输出单元和控制站，把d c s 控制站的功 能分散地分配给现场设备。用户可以灵活地选用功能块，构成不同的控制系统， 实现彻底的分散控制。 5 、开放式互连网络：现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也 可与不同层的网络互连。开放式的互连网络实现了网络数据共享，通过网络对现 场设备和功能模块统一组态，将不同厂商的网络和设备融为一体。 现场总线从提出至今，己形成了包括p r o f i b u s ，l o n w o r k s ，h a r t 和c a n 等多 个总线标准，各种总线的性能比较见表2 - 1 。 特征 c a nc e b u s p r o f i b u si s p ( f f )l o n w o r k s 应用对象汽车 消费电子自动化过程控制所有方面 o s i 层次1 ，2 ，71 ，2 ，3 ，7l ，2 ，7 l ，2 ，7 1 7 系统类型 总线网络 总线总线网络 介质访问 c s m a c a c s m a c a 主从、令牌主从、令牌 c s m a c a 通讯介质 双绞线、光 双绞线、同双绞线、光双绞线双绞线、光 纤 轴电缆 纤 纤、同轴电缆 寻址方式 广播、单 广播、单 广播、单广播、单广播、单址、 址、多址 址、多址 址、多址址、多址多址 速率( i v l b s ) l o o l1 22 5 1 2 5 1 0 第一二章电池管理系统总体方案研究 表2 一l 常见总线产品特性比较6 ”7 1 t a b l e2 1c o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fb u sp r o d u c t s 由表2 - 1 的比较可以看出，l o n w o r k s 总线完全胜任汽车工业的控制需求但对 于l o n w o r k s 来说，协议较c a n 复杂，而且需要专门的开发工具，它更适合组建大 型监测网络。而c a n 总线从开始出现就应用于汽车领域，是汽车行业应用较为成 熟的总线形式。自从1 9 9 2 年m e r c e d e s - b e n z 在他们的高级客车中使用c a n 以后， v o l v o ，s a a b ，v o l k s w a g e n ，b m l ：i 和f i a t 公司相继在他们的汽车产品中使用c a n a 虽 然c a n 总线的应用早已不再局限于汽车工业，但c a n 在汽车上的应用无疑是它最成 功的案例。 基于上面的分析，系统选用c a n 总线构造电动汽车整车参数监测网络，与其 它总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。测量模块和监 测模块均设计为c a n 总线节点，节点之间通过双绞线的介质连成网络，测量节点 通过c a n 报文的方式将信息发送到总线上，监测节点通过报文滤波的方式有选择 地接收，将收到的信息进行实时的显示并通过合理的压缩算法记录成数据文件， 作为地面数据库的原始数据。 2 2c a n 总线简介8 3 9 1 俐 c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应 用最广泛的现场总线之一。c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，c a n 被设计 作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形 成汽车电子控制网络，比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子 监控系统中，均嵌入c a n 控制装置。c a n 总线最先由德国b o s c h 公司最先提出。当 时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现人多是基于 电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的 连接信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制 装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总 线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1 9 9 3 年，c a n 己成为国际标准 i s o l l 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 。c a n 是一种多主方式的串行通讯总 广东j ：业人学一i ：学硕士论文 线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的 任何错误。当信号传输距离达到lo k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输 速率，其最高的通信速率为1m b i t s ( 此时的距离最一长为4 0 m ) 。由于c a n 总线具 有很高的实时性能，因此，c a n 己经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防 护等领域中得到了广泛应用。一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂 接无数个节点。实际应用中，节点数日受网络硬件的电气特性所限制。例如，当 使用p h i l i p sp 8 2 c 2 5 。作为c a n 收发器时，同一网络中允许挂接1 1 0 个节点。c a n 可提供高达1m b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件 的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。c a n 层的定义与开放系统互 连模型0 s i 一致，是基于o s i 的网络层定义的。每一层与另一设备上相同的那一层 通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物 理介质互连。下表3 1 中展示了o s i 开放式互连模型的各层。c a n 的规范主要是采 用三层网络的结构：物理层、数据链路层、应用层。对应物理层的是收发器 ( t r a n s c e i v e r ) ，主要功能是位编码解码、位定时及同步等。对应数据链路层的 器件是c a n 控制器( c o n t r o l l e r ) ，主要功能是数据传输和远程数据请求服务、滤 波及过载通知和恢复管理等。 c a n 总线特点可概括如下： 以多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节 点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一 特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，传输 时延得到保证。 c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级低的会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响的继续 传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能， 以使总线上其他节点的操作不受影响。 c a n 只需通过报文过滤即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 1 2 第一章 电池管理系统总体方案研究 式传送接收数据，无需专门的调度。 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m 5 k b p s ，速率最高可达l g b p s 4 0 m 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达11 0 个；报文标识符可 达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的正确性。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。开发系统低廉， o e m 用户易操作，用户接口简单，很容易构成用户系统。 2 2 1o a n 总线的基本概念 1 发送器和接收器 在进行数据传输时，发出报文的单元称之为该报文的发送器，该单元在总线 空闲或该单元丢失仲裁前恒为发送器。若一个单元不是报文发送器，并且总线不 处于空闲状态，则称该单元为接收器。对于报文发送器和接收器，报文的实际有 效事件是不一样的。对于发送器而言，如果直到帧结束末尾一直没出错，则对于 发送器报文有效：如果报文受损，将允许按照优先权次序自动重新发送；为了能 同其它报文访问总线进行竞争，总线一旦空闲重发送立即开始。对于接收器而言， 如果直到帧结束的最后一位一直没出错，则对于接收器报文有效。 2 位填充、编码和位表达方式 构成一帧的帧起始、仲裁域、控制域、数据域和c r c 序列均借助位填充规则 进行编码，当发送器在被发送的位流中监测到五位连续的相同数值时，将自动地 在实际的发送位流中插入一个补码位。数据帧或远程帧的其余位域采用固定格 式，不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，并且也不用位填充规则进行 编码。报文中的位流按照非归零( n r z n o nr e t u r nt oz e r o ) 码方法编码，这意味 着个完整位的位电平要么是“显性 ( 逻辑o ) ，要么是“隐性”( 逻辑1 ) 。 a 当总线上的c a n 控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性位； b 如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于显性位，即总线上是显性位 状态。 3 帧格式 “东r 业人学i ：学硕十论文 在c a n 2 o b 中存在两种不同的帧格式，其区别在于标识符的长度：具有1 l 位标 识符的帧称之为标准帧，而具有2 9 位标识符的帧称之为扩展帧。如c a n 技术规范 1 2 版本所描述，标准帧格式数据远程帧格式是等效的，而扩展格式是c a n 2 o b 协议新增加的特性。为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展格式， 对于新型控制器而言，必须不加任何限制的支持标准格式。 4 报文滤波 c a n 技术规范2 o b 对于报文滤波特别加以描述。报文滤波以整个标识符为基 准。允许将任何标识符位设置为对报文滤波是“不考虑的”。屏蔽寄存器可用于 选择一组标识符，以便映像至接收缓存器中。如果使用屏蔽寄存器，屏蔽寄存器 的每一位必须是可编程的，并且它们对于报文滤波是可开放或禁止的。屏蔽寄存 器的长度可以是整个标识符，也可以是其中一部分。 2 2 。2c a n 网络协议标准 1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) 。该技术规范 包括a 和b 两