基于CAN總線的電動汽車動力電池組采集系統(tǒng)設(shè)計

　　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(shí)時性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便、價格低廉等特點(diǎn)[4]，通信速率可達(dá)1 Mbps，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(hù)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1 MHz 串行接口進(jìn)行通信，并包括溫度傳感器輸入、12 位ADC 和一個精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)。每個LTC6802 能測量12 只單獨(dú)電池，實(shí)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(zhǔn)確度，能夠承受60 V 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(jìn)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(jìn)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(jī)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3CAN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?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，并達(dá)到上位機(jī)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(jìn)行軟件編程，按照模塊化設(shè)計思想進(jìn)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(shí)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[next]

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(qiáng)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(jī)制，通過DLLs、共享庫、ActiveX等途徑實(shí)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(jī)設(shè)計采用USB-CAN模塊與電池管理系統(tǒng)BMU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過USB-CAN模塊對CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)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(shí)現(xiàn)對電池組數(shù)據(jù)的實(shí)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(jī)主要功能是對電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)實(shí)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(jìn)行統(tǒng)計分析，包括動態(tài)運(yùn)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(shí)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(shí)時采集的單節(jié)電池電壓與總電流實(shí)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(yùn)行過程中最大放電電流可達(dá)到300 A，電流負(fù)值表示電動車在反向制動時的充電電流，最大可達(dá)－200 A。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(zhǔn)確地判斷電池的實(shí)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(shí)時曲線

圖7 總電流實(shí)時曲線

　　此外，本系統(tǒng)還有一個自動生成運(yùn)行報告的功能，通過實(shí)際路況的數(shù)據(jù)采集對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。運(yùn)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(shí)時性、可靠性和抗干擾能力大大增強(qiáng)， 而且系統(tǒng)易于擴(kuò)展，靈活性好，能夠準(zhǔn)確采集電池的各個參數(shù)，準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)并預(yù)測電池的運(yùn)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(jìn)行上位機(jī)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行報告。