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不 本科毕业论文论文题目：电动汽车锂电池管理系统的设计 专业班级： 电气2010 学生姓名： 指导教师： 2012年5月28 日 浙江工业大学毕业论文电动汽车锂电池管理系统的设计摘 要电动汽车作为传统燃油汽车的替代方案逐渐成为研究热点。但是电池及电池管理却是制约电动汽车发展的瓶颈，因为有限的续驶能量不能满足电动汽车市场化、实用化的要求。在电池自身容量已经确定的情况下，对电池组有效地监控、管理，成为延长电池组使用寿命，从而提升电动汽车续驶里程的重要手段。本文针对锂离子电池组的工作特点，详细的设计了一套功能完善的电动汽车电池管理系统。系统根据所需实现的功能，实现了对电池组及组内单体的监控和管理。本文首先介绍了电池管理系统的整体功能和结构，并详细说明了系统内各模块的硬件设计原理。其次，建立电池管理系统内部 CAN 通讯网络，实现系统内各节点之间的通讯，并设计了 CAN 应用层协议，完成系统内数据和命令的有效传输。此外，根据系统硬件资源，扩展独立 CAN 收发模块实现电池管理系统与整车 CAN 网络通讯。关键词： 电动汽车 电池管理系统 CAN总线 均衡充电35目 录第1章绪论11.1课题研究的背景11.2国内外研究现状21.3课题研究内容3第2章电池管理系统的硬件设计42.1电池管理系统的功能及结构42.1.1 锂离子电池的工作原理及工作特性42.1.2 电池管理系统的基本功能52.1.3 电池管理系统的结构52.2系统硬件设计72.2.1 主控制板硬件设计72.2.2 采集板硬件设计15第3章电池管理系统 CAN 通讯设计203.1CAN 总线技术介绍203.2电池管理系统 CAN 通讯协议设计213.2.1 CAN 总线通讯协议简述213.2.2 CAN模块外围硬件设计223.2.3 电池管理系统内部 CAN 网络应用层协议设计233.2.4 电池管理系统与整车 CAN 通讯协议27结 束 语29参考文献30附录：管理系统实物照片33图 例图 21电池管理系统结构图6图 22 PCA21125读时序图9图 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口电路9图 24备用电池充电电路10图 25主控板总电压采集电路11图 26主控板总电流采样电路12图 27电源滤波电路12图 28 TLE8366EV50电路设计13图 29硬件唤醒电路14图 210 CAN唤醒电路14图 211 LTC6802-2基本结构框图16图 212采样电路的设计17图 213温度传感器采样电路18图 214外部均衡电路18图 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60电路连接19图 216 LTC6802-2读写时序图19图 31 CAN 节点的分层结构和功能22图 32 TJA1040基本通讯电路22图 33 TJA1041基本通讯电路23图 34电池管理系统内部CAN网络节点24第1章 绪论1.1 课题研究的背景当今，传统燃油汽车在国外发达国家已经大范围普及，我国的燃油汽车数量也成高速增长的趋势，一些大城市的家庭汽车拥有率已经很高。然而，面对日益减少的燃油数量和持续上涨的燃油价格，以及由于汽车尾气排放所造成的环境问题，人们希望能够找到传统燃油汽车的替代产品。目前，较为热点的研究车型包括燃料电池汽车（FCV）、混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（PEV）。电动汽车（EV）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。与传统内燃机汽车相比，电动汽车具有如下优点：无污染，可以做到零排放；噪声低，电动机的噪声远小于内燃机车；能源效率高，尤其适合于城市工况下频繁地起步停车；能源多样化，向蓄电池充电的电力可由煤炭、风力、水力、核能、太阳能等能源转化；结构简单易维修，传动部件少，且电动机的操纵简单，无需换档。上述优点决定了电动汽车发展的优势。电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成，是区别于内燃机汽车的最大不同点。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。目前，在驱动电机设计以及电动机的调速控制方面，技术相对较为成熟、完善，相比之下，由于动力电池的寿命短，成本高，使其成为电动汽车技术发展中的瓶颈。电池的作用是为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。电池是电动汽车发展的首要关键，要想较大范围内应用，甚至普及电动汽车，就要依靠安全、可靠、持久、低廉的电池组。目前比较看好的是镍氢电池、锂离子电池和锂聚合物电池。较其它类型的二次电池，锂离子蓄电池具有如下的优点：单体电压较高，比能量大，比功率高，自放电小，无记忆效应，循环特性好，可快速放电且效率高。这些优点使其成为较有前景的储能方案。但是，锂离子电池由于其自身的化学特性和物理特性限制，以及应用于工况下的实际要求，作为电池组串接使用的时候需要配以动力电池管理系统，以实现对电池组的监控、管理、保护和报警等功能。例如，电动汽车行使过程中电池组过流放电的保护，单体电池欠压使用、过压充电等的判断和报警。因此，除了电池自身的质量提高外，使用过程中的监控和管理也是对电池组的有效保护，同样可以提高电池组的使用寿命和使用效率。此外，准确的电池荷电状态（SOC）的估算，可以对电池续驶能量做出及时、准确地预测，驾驶人员可依据此参数选择充电时机。由上可见，电池管理系统作为电动汽车技术研究当中的一个重要组成部分，也是关键部分，在电动汽车的产业化、市场化发展中起到重要的意义。因为，功能完善、荷电状态（SOC）估算准确、成本低廉的电池管理系统不仅可以为电动汽车的动力电池组提供安全良好的运行保证，还可以降低电动汽车的整车成本以普及电动汽车的大众化要求。1.2 国内外研究现状上世纪末开始凸现的能源问题、环境保护问题成为了社会关注的重要问题，同时也促进了电动汽车的发展。于是，具有零排放、无污染的电动汽车逐渐被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1993 年 9 月，美国政府提出了 10 年完成的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。我国在电动汽车发展方面也取得了长足的进步。由国家科学技术部立项的 863 电动汽车专项取得了显著的进展。整车方面已初步形成了产品开发系统，纯电动、混合动力和燃料电池汽车功能样车均已实现。电池及电池管理是电动汽车发展的瓶颈。我国在电池管理方面才刚刚起步，在电动汽车研究水平比较发达的一些国家，他们的研究工作也不完善，电池管理还不是很成熟。如何实现无损、低损的电池充电监控、电池组工况下放电监控、避免过放电现象等，同时对电池进行实时的或定期自动检测、诊断和维护，最大限度地保证电池的可靠运行，国内外都在进行研究。在德国，西门子公司在其开发的电动汽车上安装了一个电池管理系统，电动汽车充电时，电池管理系统能跟踪电池充电特性，控制充电器对电池进行优化充电。法国电动汽车计划设计了一个随车电池管理系统来管理电动汽车上的电池组，进行电池寿命记录、充电监控、行驶过程中的电池组管理以及剩余电量显示等功能。日本的新能源汽车发展也非常迅速，且技术较成熟完善。本田公司在其电动汽车上安装的电池管理模块包括了管理控制模块、车载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置等。我国电池管理研究及设计方面这些年有了明显的进步。国内一些工科强校都有了较成熟的设计方案。清华大学对电动汽车电池管理系统基本结构的设想中，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(MCU)；输入输出电路；RS-232 串行口通信电路。北京航空航天大学，北京理工大学，北京交通大学，哈尔滨工业大学以及上海交通大学，同济大学等高校都对电池管理方案有了较深入的研究，电池组涉及镍氢电池，铅酸电池，锂离子电池等，都取得了长足的进步，有的设计成果已经成功装配于电动汽车样车进行实验应用。1.3 课题研究内容本文研究对象为电动汽车动力电池组，研究目标为对动力电池组进行有效地监控和管理，保证电池组的使用安全。根据上述的研究目标，本文首先根据锂离子电池的化学、物理特性和电池成组后的特点，对管理方案的功能实现、拓扑结构、器件选择进行了设计并优选。最终确定了分布式的电池管理结构，系统分采集板，控制板两个部分：采集板完成对电池组单体电池参数的采集；控制板负责检测主回路，以及核心计算和监控。同时，建立管理系统内部 CAN 通讯网络，实现电池管理系统内部数据传输；扩展 CAN 模块，使电池管理系统与整车 CAN 网络通讯。第2章 电池管理系统的硬件设计本章将具体描述电池管理系统的功能、结构以及各部分的组成。着重介绍系统各部分的硬件设计，分析硬件原理和实现功能。根据管理系统的设计结构，对系统的控制板、采集板的硬件设计分别进行了详细地说明。2.1 电池管理系统的功能及结构2.1.1 锂离子电池的工作原理及工作特性目前最常用的锂离子电池负极材料为石墨晶体，正极为锂钴氧化物（LiCoO2 ）。主要的化学反应方程为：负极反应：Li+e-+6CLiC6正极反应：LiMO2Li(1-X)MO2+ xLi+ xe-总反应式：LiMO2+ 6xC Li(1-X)MO2+ xLiC6充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子，在电解液中由能量较低的正极向能量较高的负极迁移，并且锂离子和电子在负极上复合成锂原子。重新形成的锂原子插入到石墨晶体的晶状层之间。放电时，插入到石墨晶状层中的锂原子从石墨晶体内部向负极表面移动，并在负极表面电离成锂离子和电子。锂离子和电子分别通过电解质和负载流向正极，在正极表面复合成锂原子，然后插入到氧化钴锂的晶状层中。在充电过程中，锂离子电池通常采用恒流转恒压的充电方式7。充电开始阶段一般以 1C的充电倍率进行恒流充电，当组内单体电池电压上升到设定值 4.2V时，转入恒压充电，恒压为电池组总电压，充电电流迅速下降。放电过程中，放电电流不同，同样容量的电池放电时间也不同。放电电流越小，也就是放电速率越慢，放电时间越长，反之亦成立。当环境温度为 0 摄氏度时，放电容量可以达到额定容量；高于 0 摄氏度时，放电容量高于额定容量，在 21 摄氏度时放电容量是最高的，此时电池电压下降是最慢的；电池温度过高应断电。充放电循环过程中，在环境温度为 20 摄氏度时，电池能发挥它的最大性能，实验证明经过 700次充放电循环后，电池容量仍可达到额定值的 80%以上。电池长期工作在这个温度附近是比较理想的。由上可见，电池的使用与它的电压、电流、温度，容量等各参数有关，要想最大限度地使用和利用电池放电，电池组就需要配有专门的电池管理系统对各状态参数进行有效地监控和管理。2.1.2 电池管理系统的基本功能根据锂离子电池的化学、物理特性，以及成组工作于工况下的参数限制要求，设计电池管理系统的基本功能如下：1. 电池组内每节电池的单体电压、电池组内固定节点的节点温度采集；电池组总电压，充、放电时总电流的采集。2. 单体电池过压、欠压，充电时电池组总电压过压、总电流过流；汽车行驶中放电时总电压欠压，总电流过流；电池组温度异常等故障信息的判断，以及二级报警；同时采取故障保护措施（如主回路继电器控制、风扇启动控制）。3. 根据采集上来的电压、电流、温度等参数，对电池组的荷电状态 SOC（State of Charge）进行在线估算，并对可续驶里程做出预报，作为驾驶员行驶参考。4. 在调试和维护阶段，与上位 PC 机串行异步口通讯，上传电池组状态信息，接收上位机发送的控制指令和参数修改指令；同时上位机具备电池状态参数自动存储功能，以 Excel 形式存储电池管理系统上传的数据。5. 与电动汽车整车 CAN 网络通讯，上传电池组状态信息、故障信息给整车控制器，同时接收控制指令。电池管理系统内部 CAN 网络各节点间通讯。6. 对电池组内各单体电池间不一致性进行判断，控制均衡充电模块。确定均衡充电时机，计算均衡充电的输出电压值大小，以及填写相应的 PWM 信号占空比实现均衡输出电压的控制，用来减小电池组内单体的不一致性。2.1.3 电池管理系统的结构如上一小节所述，电池管理系统需要实现的功能复杂，采集和处理的数据数量巨大、种类较多，并要求快速、准确地传输，且对运算能力有较高的要求。根据功能要求，设计系统结构如图 2-1 所示。电池管理系统采用分布式结构，由多块采集板和一块主控制板构成，各板之间通过电池管理系统内部 CAN 网络进行通讯。采集板对电池组内每节电池的单体电压、固定节点的节点温度进行采集。每块采集板巡检 32 节单体和 8 个节点的温度传感器。三块采集板共完成 96 节电池单体电压和 24 点节点温度采集。主控制板对电池组总电压、总电流进行采集，同时根据上传的单体电压和温度参数判断系统是否故障。针对故障信息，分级报警，并采取保护动作，控制继电器的通断。与实时时钟模块接口，读取绝对时间，用于计算电池组掉电静置时间。主控制板除了与电池管理系统内部 CAN 网络通讯外，利用扩展的 CAN 模块与整车 CAN 网络通讯。通过串行通讯口，主控制板还完成与上位 PC 机的通讯，实现上位控制界面下的监控和数据存储。图 21电池管理系统结构图2.2 系统硬件设计2.2.1 主控制板硬件设计2.2.1.1 主控芯片的选择如前所述，系统功能复杂，接口方式众多，数据类型多、数量大，且对系统的实时性和运算能力有较高的要求，因此应尽量选用集成度较高，运算速度快，存储量大的芯片作为核心控制器。此外，在电池组重要参数SOC的估算中，要求核心芯片计算速度快、精度高，且编程语言简洁快速。综上，本系统选用了Freescale公司的S12系列的MC9S12XEP100RMV1作为系统的核心控制器。该芯片具有以下优点：1 芯片集成度高，片上自带 AD 采样模块，SCI 通讯模块，SPI 通讯模块，CAN收发模块，同时其112pin提供了充分的I/O口。2 片内高达 1M 字的 FLASH 程序存储器，高达 64K 字的数据/程序 RAM，4K的EEPROM，存储空间充分。3 芯片内核具有在线编程能力和保密机制，无需外加编程电压，最短整体擦除时间仅100ms，1M字节页擦除时间仅40ms。S12内部总线速率最高可达50MHz，即20ns的最小指令周期，可满足运算的快速性和准确性，以及系统监控的实时性，尤其对于多参数变量的 SOC 估算算法。4 带内置采样/保持电路的 12 位 AD 转换模块，可编程的采样时间，具有16通道，多触发源启动 AD 转换。可满足采样精度和速度的要求。5 自带看门狗定时器模块和基于锁相环的时钟发生器。6 面向汽车应用的AEC Q100标准认证。在电池管理系统的设计中,单片机采用的8MHz外部有源晶振,总线频率达到50MHz。由于采用5V供电和外部有源晶振,该系统具有较高的抗干扰能力。电动汽车的实际应用环境比较复杂,电磁干扰强烈,为了防止单片机在高干扰情况下死机或工作异常,需采用外部复位芯片来监控单片机的工作,保证单片机在异常情况下能够可靠复位,尽快恢复状态。复位芯片采用MAX706,在正常工作时,每1.6s之内给MAX706输入一个信号,表明CPU的工作状态。当MAX706在1.6s内没有收到信号,会将单片机的复位管脚拉低,使复位,回到正常工作状态。2.2.1.2 实时时钟接口设计在电池组荷电状态 SOC 估算中，需要考虑电动汽车长时间静置时的电池组自放电问题，计算自放电能量损耗。应用实时时钟提供绝对时间，电池组参照当前时间以及前次系统断电时间，可得静置时间，作为自放电计算参数。PCA21125是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，工作温度高达125。数据通过SPI总线传输，最大总线速率高达6.0Mbit/s。报警和定时器功能产生一个唤醒信号，唤醒中断管脚。通过汽车应用的标准认证AEC Q100。主要特性如下：1. 基于32.768kHz的晶振，提供年、月、日、星期、时、分和秒时钟； 2. 分辨：秒到年； 3. 时钟操作电压：1.3V 5.5V； 4. 低工作电流：典型值为0.55A（VDD=3.0V，Tamb=25） 5. 3线的SPI总线，可作为独立的数据输入和输出； 6. 串行接口电压：1.6V5.5V； 7. 1秒或1分钟中断输出； 8. 可编程的定时器中断输出； 9. 可编程的报警功能中断输出； 10. 集成晶振；11. 内部上电复位； 12. 开漏中断管脚。 PCA21125接口方式是3线SPI，即SDO，SDI，SCL，而MC9S12XEP100RMV1自带2路SPI接口，无需外部接口芯片，可直接与芯片进行接口，实现两者之间的通讯。芯片读时序如图2-2所示。图 22 PCA21125读时序图如图2-3所示，芯片采用5V供电，通过SPI通信，外接32.768K晶振，同时有Battery备用电源，在5V电断开的情况下可使PCA21125正常工作，图2-2所示，SPI第一阶段8bit是写命令阶段，把SDI命令写入PCA21125，然后第二、三字节分别是读取年月时间，数据有SDO发出，MC9S12XEP100RMV1接受。图 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口电路图2-3所示，电路中使用了Battery备用电池，最高电压可达4.2V，防止在掉电时PCA21125内部时钟初始化，由于备用电池体积较小，无法长期维持，故设计了针对Battery电池充电电路，对于不需要备用电池时，可以对备用电池进行充电。如图2-4所示。图 24备用电池充电电路图2-4所示，电路中采用linear公司的充电芯片，使用5V供电就可以对电池进行充电，通过1K电阻对充电电流进行调节，最大可达90mA电流，最高充电电压可达4.2V，不会对备用电池造成损害。LTC4054电路充分保证了实时时钟供电的需求。2.2.1.3 采样电路的设计主控制板需要对电池组充、放电过程中的总电压、总电流进行采样、监控，防止电池组出现过充电、过放电的现象。同时，总电压、总电流参数用来计算充、放电安时数以及估算电池组荷电状态 SOC。因此，快速、准确地总电压、总电流采集是管理系统实现监控和保护功能的基础，更是精确估算 SOC 的重要保证。下面分别介绍电池组总电压、总电流采样电路的设计原理。总电压采集设计：电池组为96只单体锂离子电池，每只锂离子电池的电压范围为3.6V到4.2V，因此，电池组总电压的采集范围为 400V 左右。经过比较选择，最后选用LEM公司的电压霍尔传感器LV 28-P。该电压传感器原边与副边绝缘，可用于测量直流、交流和脉冲电压。额定电压 500V，转换率 2500：1000，15 伏供电电压，总精度0.6%，线性度0.2%，响应时间40us。该霍尔传感器具有出色的精度，良好的线性度，快速的反应时间和较强的抗干扰能力，可以满足系统设计要求。总电压采样电路如图 2-5 所示。如图 2-5 所示，电池组总电压经原边输入电阻Rin后产生原边电流，电压霍尔传感器线圈将此电流变比后传感器副边输出电流信号，选择测量电阻Rm使副边侧输出 4.5V以下的电压信号，串接可调电阻接地用于微调。电压信号经RC滤波电路和二极管钳位接入MC9S12XEP100RMV1的AD输入端。AD端测量的电压值乘上变比系数便可得到实际的总电压值。图 25主控板总电压采集电路总电流采样设计：在电池组充电、放电过程中，还需要检测电池组的总电流。根据电流采样值，对充、放电电量进行安时积分，同时还要依据电流值进行 SOC 的估算。本设计中，根据电流范围和精度要求，选用LEM公司的闭环补偿式电流霍尔传感器DHAB S24。该电流霍尔元件可采样直流、交流和脉冲电流，且原边侧强电与副边侧电子电路之间隔离，双通道电压输出，在060A具有更高的精度，双通道偏置电压均为2.5V，通道一主要检测-60A到60A小电流并以偏置电压2.5V输出，例：在充电电流060A以每安26.7毫伏电压升高，同样放电电流-60A0A已每伏26.7毫伏电压下降；通道二主要检测60A到500A和-60A到-500A电流并以偏置电压2.5V输出，例：在充电电流60A500A以每安4毫伏电压升高，同样放电电流-60A0A已每伏4毫伏电压下降。传感器理论边缘额定电流为 500A，单电源5V供电电压，精度1%，线性度0.1%，响应时间1us，工作温度范围在-40125，该模块具有较高的精度和线性度，较低的温漂和较短的响应时间，符合系统设计要求。图 26主控板总电流采样电路总电流采样电路如图2-6所示，电流传感器由5V供电，输出端是电压信号，通道1和通道2分别经过电压跟随然后经过RC滤波电路接入单片机的AD采样口。AD测量的值减去偏移量并乘上比例系数便可得到实际的总电流值。2.2.1.4 电源部分的设计滤波电路：电池管理系统采用整车的低压辅助电池供电,额定电压为24V.但车辆在运行过程中会在辅助电池两端的电压上造成尖峰或跌落(例如发动机点火瞬间!高压继电器闭合和断开瞬间等),因此管理系统的工作范围需要设置在1828V区间。为了保证管理系统的稳定运行,需要在电源输入端加入滤波电路,以去除整车带来的电源干扰。由于整车电气布置的特点为24伏地与车身（机壳）直接相连,因此不宜采用常见的滤波器中间抽头接机壳的方式。图 27电源滤波电路图2-7为电源滤波电路。为了防止现场施工时反接电源线对电池管理系统造成损害,在电源处加入防反接二极管保险在电池管理系统电源短路的情况下使管理系统脱离整车电源,不影响整车低压电源供电为了防止高压继电器闭合断开瞬间在电源上产生的电压尖峰,在电源输入线路前端加入二极管D11吸收尖峰加入共模扼流圈抑制共模电压主控板电源芯片的选用：主控电路的单片机需要5V供电，而车载蓄电池始终是24V或12V供电，为了满足供电要求，本设计采用了infineon公司DC/DC系列TLE8366EV50，如图2-8所示。图 28 TLE8366EV50电路设计图2-8所示，TLE8366EV50车载电源VS端输入增加了一个电感，主要用于差模滤波，EN使能端表面，EN电压不能大于VS电压，LBU和CBU1和CBU2构成了稳压电路，芯片自带370KHz开关频率，可以通过CCOMP和RCOMP来矫正频率。TLE8366EV50主要特点如下：1. 最大输出电流可达1.8A；2. 输出电压精度可达5V2%；3. 集成功率晶体管；4. PWM反馈调节；5. 输入电压最低可达4.5V，最高可达45V6. 工作温度为-401507. 面向汽车应用的AEC Q100标准认证。在电源部分设计中，正常情况下管理系统处理休眠状态，故TLE8366EV50不工作时，管理系统满足最低功耗，锂电池使用中，管理系统处于唤醒状态，唤醒方法主要有二种：1、 硬件唤醒：外部信号通过TLE8366EV50器件上的使能脚对电源芯片直接硬件信号唤醒，如图2-9所示；图 29硬件唤醒电路图2-9所示，在硬件唤醒中，外部输入Charger_KEY是充电枪信号输入，通过两个100K的电阻分压后直接给TLE8366EV50器件的EN脚，对电源芯片进行唤醒，电源唤醒后输出5V电源，to BMU I/O直接通过单片机I/O进行采样，采集信号是否为Charger_KEY信号。2、 CAN唤醒：整车控制系统通过CAN网络层通过CAN唤醒，随后CAN器件输出一个电压信号用来唤醒TLE8366EV50器件，如图2-10所示；图 210 CAN唤醒电路如图2-10所示，在CAN唤醒电路中，常电VS，整车控制器通过CAN总线发送CAN信号，随后CAN收发器响应，在EN输出端输出电压信号，经分压后直接给TLE8366EV50上的EN脚。通过设计比较，在本设计中，电动汽车充电时采用的唤醒方式是硬件唤醒，正常使用中整车控制器对管理系统进行唤醒采用CAN唤醒；本设计的CAN电路会在第三章重点介绍。2.2.2 采集板硬件设计2.2.2.1 单体电压采集芯片的选取电池管理系统需要完成对电池组内多节节串联单体的单体电压进行巡检，系统设计分布式的模块化电压采集结构。每块采集板顺序采集12节单体电池的单体电压。Linear公司的LTC6802-2 是一款完整的电池监视 IC，它内置一个 12 位 ADC、一个精准电压基准、一个高电压输入多工器和一个串行接口。每个 LTC6802-2 能够在总输入电压高达 60V 的情况下测量 12 个串接电池的电压。所有 12 个输入通道上的电压测量都能在 13ms 的时间之内完成。 可以把多个 LTC6802-2 器件串联起来，以监视长串串接电池中每节电池的电压。每个 LTC6802-2 具有一个可单独寻址的串行接口，因而允许把多达 16 个 LTC6802-2 器件连接至一个控制处理器并同时运作。 为了最大限度地降低功率，LTC6802-2 提供了一种测量模式，旨在监视每节电池的过压和欠压条件。另外，该器件还提供了一种待机模式，以把电源电流减小至 50A。 每个电池输入均具有一个相关联的 MOSFET 开关，用于对任何过充电电池进行放电。 相关器件 LTC6802-1 提供了一个串行接口，从而可对多个 LTC6802-1 器件的串行端口进行菊链式连接，而无需使用光耦合器或光隔离器。由于考虑到本设计的复杂程度采用了LTC6802-2器件。如图2-11所示，该芯片主要有以下特点：1. 可测量多达 12 个串联锂离子电池的电压 (最大值为 60V) ；2. 可堆叠式架构实现了高电压电池组的监视 ；3. 可利用 4 位地址进行单独寻址 ，采用SPI通讯；4. 0.25% 的最大总测量误差 ；5. 具固有FIR滤波处理电路的ADC；6. 可在 13ms 的时间里完成一个系统中所有电池的测量 ；7. 电量平衡： 内置无源电量平衡开关；提供片外无源电量平衡 ；8. 具两个热敏电阻输入和内置温度传感器 ；9. 具数据包误差检验功能的 1MHz 串行接口 ；10. 内置精准3V基准和5V稳压器；11. 导线开路连接故障检测 ；12. 低功率模式 ；13. 44 引脚 SSOP 封装；14. 符合AEC-Q100标准。图 211 LTC6802-2基本结构框图2.2.2.1 采集板主控芯片选取如前所述，LTC6802-2只有SPI通讯，不存在CAN通讯，并且LTC6802-2无法直接使用其单体电压采样需要一块核心的单片机作为采集板的主控芯片，对LTC6802-2进行采集电压、温度和进行CAN通讯。本设计采用了freescale公司的HCS08系列的MC9S08DZ60芯片作为采集板的主控芯片，该芯片具有以下优点：1. 20M总线速率2. 整个工作电压和温度范围内可读取/ 编程/ 擦除的Flash 存储器60K，支持2K的EEPROM在线可编程内存，最大4K的随机存取内存（RAM）；3. 芯片集成度高，片上自带 AD 采样模块，SCI 通讯模块，SPI 通讯模块，CAN收发模块，多通道定时器，并支持32pin、48pin和64pin引脚封装； 4. 自带看门狗定时器模块和基于锁相环的时钟发生器。5. 面向汽车应用的AEC Q100标准认证2.2.2.2 单体电压采集电路设计本设计中采样电路采用RC滤波，电阻和电容阻值和容值分别决定了其采样精度，如表2-1所示 表2-1 单体测量误差与RC值RC阻值单体电压精度R=100,C=0.1uFR=1K,C=0.1uFR=1K,C=1uFR=10K,C=3.3uFCell 1 Error(mV)0.14.51.51.5Cell2 to Cell12(mV)1930.5表2-1所示，当R=100，C=0.1uF时，单体电池112串偏差最小，故本设计选择如图2-12设计电路，此电路设计已达到最大的单体电压采样精度。图 212采样电路的设计图2-12所示，分别选用100和0.1uF形成RC滤波电路，由于LTC6802-2的CnC（n+1）耐压值在-0.3V9V之间，故在IC输入端增加了一个7.5V/1W稳压管用于防止在有较高的脉冲电压时损坏器件。2.2.2.3 单体温度采样设计LTC6802-2中自带了两路温度传感器，分别使用内部基准3V作为电源进行设计，如图2-13设计电路，此电路采用100K精密电阻作为标准电阻对温度传感器进行采样，并通过LTC6802-2上的SPI通讯经过MC9S08DZ60运算后把温度信息通过CAN总线传送给主控板。图 213温度传感器采样电路2.2.2.4 均衡方案的设计本设计采用了LTC6802-2中自带的外部均衡方案，如图2-14所示，在CnC（n+1）之间并入一个PMOS管和一个功率电阻，通过LTC6802-2上的Sn管脚进行控制，使用15电阻进行放电，此均衡方案具有电路简单，成本低，效率高，经过计算4.2V电压在经过15电阻放电时最大可达到280mA电流。图 214外部均衡电路2.2.2.5 通讯隔离方案设计如上所述，LTC6802-2的SPI没有自带隔离器件，在和MC9S08DZ60进行SPI通讯时是无法进行隔离的，本设计中有多个采集板（LECU）并联在CAN网络上，电池组的总电压时串联，这样就存在高压短路问题，为了解决这一问题，本设计采用了analog公司的ADUM2401磁隔离芯片，ADUM2401是一款四通道数字隔离器，2500V的隔离电压，支持3V5V供电电压，高达90M bps通讯速率，如图2-15所示，LTC6802-2和MC9S08DZ60进行连接，Vreg使用LTC6802-2上的内置的5V电压，+5V电压使用车载24V通过LDO降压后的电压与单片机同一个5V电压。图 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60电路连接通过图2-15可以看出LTC6802-2和MC9S08DZ60之间使用一个磁隔离芯片进行隔离，隔离之间的通讯使用SPI通讯，读写时序图如图2-16所示。图 216 LTC6802-2读写时序图设置MC9S08DZ60为主工作模式，8位数据长度， SPI口通讯波特率选择 0.8MHz，MC9S08DZ60读取LTC6802-2片上寄存器时，首先拉低CS，然后通过SDI向LTC6802-2发送命令字节（写寄存器命令：0x01；读寄存器命令：0x04,0x08）读数据时发送伪数据MC9S08DZ60的SDO脚接收由LTC6802-2发送的数据。第3章 电池管理系统 CAN 通讯设计3.1 CAN 总线技术介绍CAN，即控制器局部网（CANController Area Network），属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN 最初由德国BOSCH 公司为汽车的监控、控制系统而设计的，具有极高的可靠性，现场抗干扰能力强，是国际上应用最广泛的现场总线之一。具体来讲，CAN具有如下特点：1. CAN 为多主工作方式，网络上的任意节点在任何时刻都可以主动地向其他节点发送信息，不分主从，方式灵活。2. 可以进行点对点、一点对多点和全局广播方式传递信息。3. CAN 网络节点可以安排优先级顺序，以满足和协调各自不同的实时性要求。4. 采用非破坏性的总线仲裁技术，多点同时发送信息时，按优先级顺序通信，节省总线冲突仲裁时间，避免网络瘫痪。5. 通信速率快，最高可达 1Mbps（40m 以内），最长传输距离达 10km（速率为 5kbps）。6. 网络节点最多可达 110 个，报文标识符可为标准标识符（11 位）或扩展标识符（29 位），标识符种类丰富。7. 短帧数据结构，传输时间短，抗干扰能力强，校错性能好。8. 通信介质为双绞线、同轴电缆或光纤。9. 网络节点在出现严重错误的情况下，自动关闭输出功能，脱离网络。10. CAN 总线通讯接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层，实现标准化，规范化。基于如上特点，CAN 总线可为工业控制系统提供可靠、快速和灵活的数据传送方案，因此在工业控制领域中被广泛应用。在本课题中，电池管理系统最终应用于电动汽车内部，车辆内部有大量的干扰信号，且不可避免复杂、恶劣的行驶工况。基于前述 CAN 总线的诸多优点，电池管理系统的通讯网络选用了 CAN 总线形式，可以大大地提高系统传输信号的抗干扰性和可靠性，同时高速的传输性能可以保证系统监控的实时性。此外，汽车内部总线多为 CAN 总线，采用 CAN 总线作为电池管理系统内部通讯网络方案有利于将来实现与电动汽车整车通讯标准的统一和匹配。3.2 电池管理系统 CAN 通讯协议设计3.2.1 CAN 总线通讯协议简述CAN总线是一种串行数据通讯协议。在CAN总线通讯接口中，集成了CAN协议的物理层和数据链路层，可完成对通信数据的成帧处理。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种编码的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制。这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为 8 个字节，可满足控制指令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，可保证通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。1991 年，德国 BOSCH 公司发布了 CAN2.0 规范。CAN2.0 规范分为 CAN2.0A和 CAN2.0B。CAN2.0A 支持标准的 11 位标识符；CAN2.0B 同时支持标准的 11位标识符和扩展的 29 位标识符。CAN2.0B 规范的目的是为了在任何两个 CAN-bus 的仪器之间建立兼容性。为使设计透明和执行灵活，遵循 ISO/OSI 参考模型，CAN 分为数据链路层和物理层，其中数据链路层包括逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。CAN 分层结构和功能如图 3-1 所示。LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存在许多灵活性。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构，执行仲裁，错误检测，出错标定和故障标定。MAC子层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。MAC子层不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关电气特性不同节点间位的实际传送。在一个网络内，物理层所有节点必须是相同的。图 31 CAN 节点的分层结构和功能3.2.2 CAN模块外围硬件设计本设计使用了Philips公司的TJA1040和TJA1041，TJA1040的CAN收发器不带CAN唤醒，用于本设计中的主控和采集板之间的通讯，TJA1041的CAN收发器自带CAN唤醒，用于主控板和整车控制器之间的通讯。作为主控板和采集板之间的通讯，主控板时刻对单体电压的监控，波特率必须是高速的，本设计中采用了500K的波特率，如图3-2所示。图 32 TJA1040基本通讯电路图3-2所示，RT1和RT2是终端电阻，增加CEMC1和CEMC2对抗干扰能力的提高和改善，VESD1和VESD2用于ESD保护，由于CAN传输是差分传输，故增加了共模电感，用来虑除共模干扰。主控板和整车控制器进行通讯时采用TJA1041作为可唤醒使能的CAN模块，如图3-3所示。图 33 TJA1041基本通讯电路图3-3所示，主控板处于休眠状态时，VBT是车载24V/12常电，当外部CAN网络有CAN数据，CANH和CANL上产生的差分信号符合CAN网络协议时，INH输出一个高电平对TLE8366EV50的EN时能脚进行唤醒，随后VCC5有5V电源输出，单片机得电，主控板处于正常工作模式。 3.2.3 电池管理系统内部 CAN 网络应用层协议设计CAN2.0B 规范仅定义了 OSI 模型的数据链路层、物理层，而没有规定 OSI模型的上层。当用户要组建一个具有实际工作意义的 CAN 通讯网络时，必须自己制定应用层协议。虽然目前已出台几种流行的高层协议标准，如 CANopen、Devicenet、CAL、CANKingdom、SDS 等，但本设计中 CAN 网络节点的数目不是很多，而且不需要与国际标准设备进行接口，考虑到设计复杂度和成本，本系统自己规定了一个简单的应用层协议，便可实现电池管理系统内部 CAN 子网的通讯需要。3.2.2.1 节点分析在高压系统中，电动汽车总电压最低标准为110V，最高位660V，根据计算最大串数位178串，即采集板总数为15块，一般通用接法如图3-4所示。 图 34电池管理系统内部CAN网络节点图3-4所示总线上分别挂有采集板1、采集板 2、采集板 n、一台充电机以及电池管理系统主控制板。主控制板作为上位节点，控制整个总线网络其他节点。每块采集板向主控制板上传采集的单体电压信息和节点温度信息，以及所监测组内电池故障类型及故障位置。充电机节点接收主控制板发送的充电控制指令，和用于充电机面板显示的当前电池状态。3.2.2.1 报文定义电池管理系统内部报文可分为三种：控制指令报文，状态参数报文和故障信息报文。控制指令报文：控制指令报文主要是主控制板对下位节点的控制信息，如采集板启动上传指令，充电机启动以及充电制式转换指令（恒流充电转恒压充电控制指令）等。状态参数报文：状态参数报文是指表示系统当前状态的各数据变量。主要包括采集板上传的单体电压信息，节点温度信息。充电机上传的充电制式设定信息和当前充电状态信息，以及主控制板发送给充电机用于充电机面板显示的当前电池组 SOC 参数和单体极值信息。故障报警报文：故障报警报文是指系统内部各节点发送的故障报警信息。如采集板上传温度异常、单体过压等故障信息，以及充电机接收来自主控制板的单体和电池组内故障信息等。CAN 报文中标识符和 8 字节数据的使用是用以区分通讯数据的不同种类和功能，并反映出通讯数据的发送方和接收方。报文的标识符决定了报文的优先级，具有较小标识符的帧先发送，较小标识符帧发送完成后，标识符较大的帧才能发送。因此，控制指令报文采用较小的报文 ID 值，故障信息其次，状态信息则采用最大的报文 ID 值。指定标示符下，报文的不同数据字节代表不同的含义，作为指令标志位，故障标志位，或数据参数等。表 3-1 和表 3-2 分别为主控制板与采集板之间通讯报文协议、以及主控制板与充电机之间通讯报文协议。表 3-1 主控制板与采集板之间通讯报文协议主控板与采集板之间的通信报文信息源报文代号报文描述优先权数据字节刷新速率11位标识符采集板BER电池故障信号02时间触发021HDTDY电池单体电压28200ms411HJDWD电池节点温度26500ms主控板QDSC11号采集板上传11200ms210HQDSCnn号采集板上传11200ms200H+n*10报文字节定义信息源报文代号报文描述BYTE0BYTE1BYTE2BYTE3BYTE4BYTE5BYTE6BYTE7采集板BER电池故障故障标识故障位置Byte0.7=1：表示故障标志位；Byte0.0：电压信号；byte0.0=0：温度信号；Byte0.1-byte0.3对应故障类型：单体过压、单体欠压、温度异常；Byte1：故障点编号（使用8位，可表示0号-255号）DTDY电压类型起始单体号码单体电压高位单体电压地位单体电压高位单体电压地位单体电压高位单体电