基于CAN總線的電動車動力電池組采集系統(tǒng)設(shè)計[圖]

電池是電動汽車的能量來源，電動車發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸就是電池技術(shù)的發(fā)展。目前全世界汽車廠商紛紛開發(fā)使用電動車，電動車的蓬勃發(fā)展及遠大前景，促使了電池技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外各大電池廠商投巨資來發(fā)展電池技術(shù)。而對電池性能的研究就離不開大量的實驗數(shù)據(jù)，動態(tài)采集電動車電池組的參數(shù)是研究電池性能的重要途徑。本系統(tǒng)對電池組的動態(tài)工作過程的參數(shù)變化進行實時采集并存儲分析。通過建立電池模型來預(yù)測電池的容量狀態(tài)與電池健康狀態(tài)，建立電池組的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為研究電池性能提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

1 基于CAN總線的系統(tǒng)硬件設(shè)計

CAN總線是目前世界上最流行的汽車控制與測試間的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，具有實時性強、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便、價格低廉等特點，通信速率可達1Mbps，使得CAN總線在電動汽車應(yīng)用上成為發(fā)展趨勢。

圖1為一般電動車CAN總線網(wǎng)絡(luò)框圖。CAN總線接口電路的核心是使用8位高性能的片內(nèi)含CAN控制器的P87C591作為CAN通信控制器，以完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾(RFI)等。

圖1 一般電動車CAN總線網(wǎng)絡(luò)框圖

本系統(tǒng)中共有16組，每組有10節(jié)電池串聯(lián)，每1個電池組配置1個測量單元。每個單元采用一種設(shè)計非常簡化的電池測量方法，由一個IC集成了大部分電池參數(shù)的采集任務(wù)，結(jié)構(gòu)簡單，精度高，可靠性高。本設(shè)計采用電池管理芯片LTC6802，它通過一個1MHz串行接口進行通信，并包括溫度傳感器輸入、12位ADC和一個精準的電壓基準。每個LTC6802能測量12只單獨電池，實現(xiàn)了0.12%(在室溫條件下)和0.22%(在－40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi))的準確度，能夠承受60V的共模電壓，完全適合在電池組高共模電壓的要求。LTC6802采用串行外部設(shè)備接口(SPI)進行命令和數(shù)據(jù)通信，本論文使用P87C591的IO模擬SPI工作方式與LTC6802進行數(shù)據(jù)通信，此方法可以更充分地使用硬件資源(見圖2所示)。

圖2 基于CAN總線的電池組ECU采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

每個測量單元的控制器均采用內(nèi)部集成了CAN控制器SJA1000和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的單片機P87C591芯片，其主要功能是提供電池組的電壓和溫度信息，并將采集的信號通過CAN總線發(fā)送給電池管理ECU，其中CAN通訊接口電路如圖3所示。

圖3 CAN通訊接口電路

電池組的ECU與電池管理ECU組成一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為總線形，傳輸介質(zhì)為雙絞線，傳輸協(xié)議為CAN2.0B。電池管理ECU為雙CAN控制器結(jié)構(gòu)，一個CAN控制器與電池組ECU組成電池管理系統(tǒng)內(nèi)部的CAN網(wǎng)絡(luò)，另一個CAN控制器與汽車中其他控制系統(tǒng)組成整車光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)多機通信，并達到上位機控制和電池組狀態(tài)信息的采集。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用8051系列的C語言進行軟件編程，按照模塊化設(shè)計思想進行編寫，包括主程序、CAN初始化程序、CAN發(fā)送數(shù)據(jù)程序、CAN接收數(shù)據(jù)程序、A/D轉(zhuǎn)換及定時中斷程序等。CAN初始化程序用來實現(xiàn)CAN工作時的參數(shù)設(shè)置，主要包括工作方式的設(shè)置、時鐘輸出寄存器的設(shè)置、接受屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、總線定時器的設(shè)置、輸出控制寄存器的設(shè)置、中斷允許寄存器的設(shè)置和總線波特率的設(shè)置。系統(tǒng)主程序流程設(shè)計如圖4所示，主要包括初始化和主循環(huán)部分。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3 基于USB-CAN的數(shù)據(jù)采集

LabVIEW主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，是一個功能強大、方便靈活的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它提供了大量的連接機制，通過DLLs、共享庫、ActiveX等途徑實現(xiàn)與外部程序代碼或軟件系統(tǒng)的連接。

本系統(tǒng)的上位機設(shè)計采用USB-CAN模塊與電池管理系統(tǒng)BMU進行數(shù)據(jù)通信，通過USB-CAN模塊對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行實時采集。Virtual CAN Interface(VCI)函數(shù)庫是專門為ZLGCAN設(shè)備在PC上使用而提供的應(yīng)用程序接口。庫里的函數(shù)從ControlCAN.dll中導(dǎo)出，在LabVIEW中可以通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方法直接使用這些庫函數(shù)實現(xiàn)對電池組數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲與分析，更好的記錄電池組動態(tài)的各個參數(shù)。上位機主要功能是對電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)實時曲線顯示，數(shù)據(jù)記錄與歷史數(shù)據(jù)顯示，并且對電池組參數(shù)進行統(tǒng)計分析，包括動態(tài)運行過程中單節(jié)電池最高電壓、最低電壓、最大輸出電流、最大反向制動電流、瞬時功率、累計消耗能量等參數(shù)。VCI函數(shù)的使用流程如圖5所示。實踐證明此方法高效可靠，能夠很好地滿足數(shù)據(jù)采集的要求。

圖5 VCI函數(shù)的使用流程圖

圖6與圖7是電池組實時采集的單節(jié)電池電壓與總電流實時曲線，可以看出電池在工作過程中電壓會有一定差別，這也是由于電池特性不一致所引起的。從圖7中可以看出，電池組在運行過程中最大放電電流可達到300A，電流負值表示電動車在反向制動時的充電電流，最大可達－200A。由于電池總是工作在充電放電過程中，所以對于電池動態(tài)數(shù)據(jù)的采集與分析是必不可少的一個環(huán)節(jié)。通過數(shù)據(jù)的采集、存儲與分析，可以準確地判斷電池的實際狀態(tài)，為建立電池數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)資源。

圖6 單節(jié)電池電壓實時曲線

圖7 總電流實時曲線

此外，本系統(tǒng)還有一個自動生成運行報告的功能，通過實際路況的數(shù)據(jù)采集對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。運行報告內(nèi)容包括：電池組動態(tài)一致性、最高電壓、最低電壓、平均電壓、輸出最大電流、最大制動電流、輸出能量、反向制動能量、最高溫度、最低溫度等。

4 結(jié)論

根據(jù)鋰離子電池車載系統(tǒng)的特殊環(huán)境及對電池參數(shù)的測試要求，本系統(tǒng)采用CAN和光纖通信技術(shù)，使用電池管理專用IC，使系統(tǒng)的實時性、可靠性和抗干擾能力大大增強，而且系統(tǒng)易于擴展，靈活性好，能夠準確采集電池的各個參數(shù)，準確地采集數(shù)據(jù)并預(yù)測電池的運行狀態(tài)，從而提高了電池組的使用壽命。此外，本文還對系統(tǒng)進行上位機的軟件設(shè)計與開發(fā)，能夠采集并存儲大量的測試數(shù)據(jù)，為建立完善的電池組數(shù)據(jù)庫提供了可靠的數(shù)據(jù)資源，對電池技術(shù)的發(fā)展與完善作出可靠的實驗數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)還可以通過打開保存的數(shù)據(jù)文件，經(jīng)分析計算電池組一致性、電池組容量、電池組內(nèi)阻等重要參數(shù)，統(tǒng)計分析電池狀態(tài)，打印電池運行報告。

作者：王海英 吳鋒 胡宇 賈金林 李革臣 來源：《電源技術(shù)》2010年11期