基于6802-2的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 不 本科畢業(yè)論文論文題目：電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 電氣2010 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2012年5月28 日 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要電動(dòng)汽車作為傳統(tǒng)燃油汽車的替代方案逐漸成為研究熱點(diǎn)。但是電池及電池管理卻是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，因?yàn)橛邢薜睦m(xù)駛能量不能滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)化、實(shí)用化的要求。在電池自身容量已經(jīng)確定的情況下，對(duì)電池組有效地監(jiān)控、管理，成為延長(zhǎng)電池組使用壽命，從而提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的重要手段。本文針對(duì)鋰離子電池組的工作特點(diǎn)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)了一套功能完善的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組及組內(nèi)單體的監(jiān)控和管理。

2、本文首先介紹了電池管理系統(tǒng)的整體功能和結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)說明了系統(tǒng)內(nèi)各模塊的硬件設(shè)計(jì)原理。其次，建立電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的通訊，并設(shè)計(jì)了 CAN 應(yīng)用層協(xié)議，完成系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)和命令的有效傳輸。此外，根據(jù)系統(tǒng)硬件資源，擴(kuò)展獨(dú)立 CAN 收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車 電池管理系統(tǒng) CAN總線 均衡充電35目 錄第1章緒論11.1課題研究的背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3課題研究?jī)?nèi)容3第2章電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)42.1電池管理系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)42.1.1 鋰離子電池的工作原理及工作特性42.1.2 電池管理系統(tǒng)的基本功能52.1

3、.3 電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)52.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)72.2.1 主控制板硬件設(shè)計(jì)72.2.2 采集板硬件設(shè)計(jì)15第3章電池管理系統(tǒng) CAN 通訊設(shè)計(jì)203.1CAN 總線技術(shù)介紹203.2電池管理系統(tǒng) CAN 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)213.2.1 CAN 總線通訊協(xié)議簡(jiǎn)述213.2.2 CAN模塊外圍硬件設(shè)計(jì)223.2.3 電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)233.2.4 電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 通訊協(xié)議27結(jié) 束 語29參考文獻(xiàn)30附錄：管理系統(tǒng)實(shí)物照片33圖 例圖 21電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6圖 22 PCA21125讀時(shí)序圖9圖 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口電路

4、9圖 24備用電池充電電路10圖 25主控板總電壓采集電路11圖 26主控板總電流采樣電路12圖 27電源濾波電路12圖 28 TLE8366EV50電路設(shè)計(jì)13圖 29硬件喚醒電路14圖 210 CAN喚醒電路14圖 211 LTC6802-2基本結(jié)構(gòu)框圖16圖 212采樣電路的設(shè)計(jì)17圖 213溫度傳感器采樣電路18圖 214外部均衡電路18圖 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60電路連接19圖 216 LTC6802-2讀寫時(shí)序圖19圖 31 CAN 節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)和功能22圖 32 TJA1040基本通訊電路22圖 33 TJA1041基本通訊電路23圖 34電池管理系統(tǒng)內(nèi)

5、部CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)24第1章 緒論1.1 課題研究的背景當(dāng)今，傳統(tǒng)燃油汽車在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大范圍普及，我國(guó)的燃油汽車數(shù)量也成高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，一些大城市的家庭汽車擁有率已經(jīng)很高。然而，面對(duì)日益減少的燃油數(shù)量和持續(xù)上漲的燃油價(jià)格，以及由于汽車尾氣排放所造成的環(huán)境問題，人們希望能夠找到傳統(tǒng)燃油汽車的替代產(chǎn)品。目前，較為熱點(diǎn)的研究車型包括燃料電池汽車（FCV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）和純電動(dòng)汽車（PEV）。電動(dòng)汽車（EV）是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車具有如下優(yōu)點(diǎn)：無污染，可以做到零排放；噪聲低，電動(dòng)機(jī)的噪聲遠(yuǎn)小于內(nèi)燃機(jī)車

6、；能源效率高，尤其適合于城市工況下頻繁地起步停車；能源多樣化，向蓄電池充電的電力可由煤炭、風(fēng)力、水力、核能、太陽能等能源轉(zhuǎn)化；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維修，傳動(dòng)部件少，且電動(dòng)機(jī)的操縱簡(jiǎn)單，無需換檔。上述優(yōu)點(diǎn)決定了電動(dòng)汽車發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車的組成包括電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電源和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成，是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電動(dòng)汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。目前，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)以及電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面，技術(shù)相對(duì)較為成熟、完善，相比之下，由于動(dòng)力電池的壽命短，成本高，使其成為電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展中的瓶

7、頸。電池的作用是為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電能，電動(dòng)機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，要想較大范圍內(nèi)應(yīng)用，甚至普及電動(dòng)汽車，就要依靠安全、可靠、持久、低廉的電池組。目前比較看好的是鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池。較其它類型的二次電池，鋰離子蓄電池具有如下的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)误w電壓較高，比能量大，比功率高，自放電小，無記憶效應(yīng)，循環(huán)特性好，可快速放電且效率高。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為較有前景的儲(chǔ)能方案。但是，鋰離子電池由于其自身的化學(xué)特性和物理特性限制，以及應(yīng)用于工況下的實(shí)際要求，作為電池組串接使用的時(shí)候需要配以動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的監(jiān)

8、控、管理、保護(hù)和報(bào)警等功能。例如，電動(dòng)汽車行使過程中電池組過流放電的保護(hù)，單體電池欠壓使用、過壓充電等的判斷和報(bào)警。因此，除了電池自身的質(zhì)量提高外，使用過程中的監(jiān)控和管理也是對(duì)電池組的有效保護(hù)，同樣可以提高電池組的使用壽命和使用效率。此外，準(zhǔn)確的電池荷電狀態(tài)（SOC）的估算，可以對(duì)電池續(xù)駛能量做出及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，駕駛?cè)藛T可依據(jù)此參數(shù)選擇充電時(shí)機(jī)。由上可見，電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車技術(shù)研究當(dāng)中的一個(gè)重要組成部分，也是關(guān)鍵部分，在電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化發(fā)展中起到重要的意義。因?yàn)?，功能完善、荷電狀態(tài)（SOC）估算準(zhǔn)確、成本低廉的電池管理系統(tǒng)不僅可以為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組提供安全良好的運(yùn)行保證，還

9、可以降低電動(dòng)汽車的整車成本以普及電動(dòng)汽車的大眾化要求。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)末開始凸現(xiàn)的能源問題、環(huán)境保護(hù)問題成為了社會(huì)關(guān)注的重要問題，同時(shí)也促進(jìn)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。于是，具有零排放、無污染的電動(dòng)汽車逐漸被重視起來，各國(guó)都制定了相關(guān)的鼓勵(lì)政策。典型的例子如美國(guó)，1993 年 9 月，美國(guó)政府提出了 10 年完成的“新一代汽車合作計(jì)劃”(PNGV)，由政府牽頭，組織幾十個(gè)公司和機(jī)構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)電動(dòng)汽車的規(guī)定目標(biāo)。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動(dòng)汽車的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，調(diào)動(dòng)社會(huì)上各種力量參與電動(dòng)汽車的研制。電動(dòng)汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機(jī)、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實(shí)際

10、應(yīng)用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。我國(guó)在電動(dòng)汽車發(fā)展方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由國(guó)家科學(xué)技術(shù)部立項(xiàng)的 863 電動(dòng)汽車專項(xiàng)取得了顯著的進(jìn)展。整車方面已初步形成了產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池汽車功能樣車均已實(shí)現(xiàn)。電池及電池管理是電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。我國(guó)在電池管理方面才剛剛起步，在電動(dòng)汽車研究水平比較發(fā)達(dá)的一些國(guó)家，他們的研究工作也不完善，電池管理還不是很成熟。如何實(shí)現(xiàn)無損、低損的電池充電監(jiān)控、電池組工況下放電監(jiān)控、避免過放電現(xiàn)象等，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的或定期自動(dòng)檢測(cè)、診斷和維護(hù)，最大限度地保證電池的可靠運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行研究。在德國(guó)，西門子公司在其開發(fā)的電動(dòng)汽車上安裝了一個(gè)電池管

11、理系統(tǒng)，電動(dòng)汽車充電時(shí)，電池管理系統(tǒng)能跟蹤電池充電特性，控制充電器對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化充電。法國(guó)電動(dòng)汽車計(jì)劃設(shè)計(jì)了一個(gè)隨車電池管理系統(tǒng)來管理電動(dòng)汽車上的電池組，進(jìn)行電池壽命記錄、充電監(jiān)控、行駛過程中的電池組管理以及剩余電量顯示等功能。日本的新能源汽車發(fā)展也非常迅速，且技術(shù)較成熟完善。本田公司在其電動(dòng)汽車上安裝的電池管理模塊包括了管理控制模塊、車載充電器、慣性控制開關(guān)、高壓系統(tǒng)安全檢測(cè)裝置等。我國(guó)電池管理研究及設(shè)計(jì)方面這些年有了明顯的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)一些工科強(qiáng)校都有了較成熟的設(shè)計(jì)方案。清華大學(xué)對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的設(shè)想中，系統(tǒng)由六個(gè)子電路組成：信號(hào)輸入電路；V/F變換器(電壓/頻率變換電路)；光電

12、隔離電路；微處理器控制電路(MCU)；輸入輸出電路；RS-232 串行口通信電路。北京航空航天大學(xué)，北京理工大學(xué)，北京交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及上海交通大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)等高校都對(duì)電池管理方案有了較深入的研究，電池組涉及鎳氫電池，鉛酸電池，鋰離子電池等，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，有的設(shè)計(jì)成果已經(jīng)成功裝配于電動(dòng)汽車樣車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。1.3 課題研究?jī)?nèi)容本文研究對(duì)象為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組，研究目標(biāo)為對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行有效地監(jiān)控和管理，保證電池組的使用安全。根據(jù)上述的研究目標(biāo)，本文首先根據(jù)鋰離子電池的化學(xué)、物理特性和電池成組后的特點(diǎn)，對(duì)管理方案的功能實(shí)現(xiàn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件選擇進(jìn)行了設(shè)計(jì)并優(yōu)選。最終確定了分布式的電

13、池管理結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分采集板，控制板兩個(gè)部分：采集板完成對(duì)電池組單體電池參數(shù)的采集；控制板負(fù)責(zé)檢測(cè)主回路，以及核心計(jì)算和監(jiān)控。同時(shí)，建立管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸；擴(kuò)展 CAN 模塊，使電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。第2章 電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章將具體描述電池管理系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)以及各部分的組成。著重介紹系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì)，分析硬件原理和實(shí)現(xiàn)功能。根據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的控制板、采集板的硬件設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了詳細(xì)地說明。2.1 電池管理系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)2.1.1 鋰離子電池的工作原理及工作特性目前最常用的鋰離子電池負(fù)極材料為石墨晶體，正極為鋰鈷氧

14、化物（LiCoO2 ）。主要的化學(xué)反應(yīng)方程為：負(fù)極反應(yīng)：Li+e-+6CðLiC6正極反應(yīng)：LiMO2ðLi(1-X)MO2+ xLi+ xe-總反應(yīng)式：LiMO2+ 6xC ó Li(1-X)MO2+ xLiC6充電時(shí)，正極中的鋰原子電離成鋰離子和電子。得到外部輸入能量的鋰離子，在電解液中由能量較低的正極向能量較高的負(fù)極遷移，并且鋰離子和電子在負(fù)極上復(fù)合成鋰原子。重新形成的鋰原子插入到石墨晶體的晶狀層之間。放電時(shí)，插入到石墨晶狀層中的鋰原子從石墨晶體內(nèi)部向負(fù)極表面移動(dòng)，并在負(fù)極表面電離成鋰離子和電子。鋰離子和電子分別通過電解質(zhì)和負(fù)載流向正極，在正極表面復(fù)合成鋰原

15、子，然后插入到氧化鈷鋰的晶狀層中。在充電過程中，鋰離子電池通常采用恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電方式7。充電開始階段一般以 1C的充電倍率進(jìn)行恒流充電，當(dāng)組內(nèi)單體電池電壓上升到設(shè)定值 4.2V時(shí)，轉(zhuǎn)入恒壓充電，恒壓為電池組總電壓，充電電流迅速下降。放電過程中，放電電流不同，同樣容量的電池放電時(shí)間也不同。放電電流越小，也就是放電速率越慢，放電時(shí)間越長(zhǎng)，反之亦成立。當(dāng)環(huán)境溫度為 0 攝氏度時(shí)，放電容量可以達(dá)到額定容量；高于 0 攝氏度時(shí)，放電容量高于額定容量，在 21 攝氏度時(shí)放電容量是最高的，此時(shí)電池電壓下降是最慢的；電池溫度過高應(yīng)斷電。充放電循環(huán)過程中，在環(huán)境溫度為 20 攝氏度時(shí)，電池能發(fā)揮它的最大性能，

16、實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過 700次充放電循環(huán)后，電池容量仍可達(dá)到額定值的 80%以上。電池長(zhǎng)期工作在這個(gè)溫度附近是比較理想的。由上可見，電池的使用與它的電壓、電流、溫度，容量等各參數(shù)有關(guān)，要想最大限度地使用和利用電池放電，電池組就需要配有專門的電池管理系統(tǒng)對(duì)各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行有效地監(jiān)控和管理。2.1.2 電池管理系統(tǒng)的基本功能根據(jù)鋰離子電池的化學(xué)、物理特性，以及成組工作于工況下的參數(shù)限制要求，設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)的基本功能如下：1. 電池組內(nèi)每節(jié)電池的單體電壓、電池組內(nèi)固定節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度采集；電池組總電壓，充、放電時(shí)總電流的采集。2. 單體電池過壓、欠壓，充電時(shí)電池組總電壓過壓、總電流過流；汽車行駛中放電時(shí)總電壓

17、欠壓，總電流過流；電池組溫度異常等故障信息的判斷，以及二級(jí)報(bào)警；同時(shí)采取故障保護(hù)措施（如主回路繼電器控制、風(fēng)扇啟動(dòng)控制）。3. 根據(jù)采集上來的電壓、電流、溫度等參數(shù)，對(duì)電池組的荷電狀態(tài) SOC（State of Charge）進(jìn)行在線估算，并對(duì)可續(xù)駛里程做出預(yù)報(bào)，作為駕駛員行駛參考。4. 在調(diào)試和維護(hù)階段，與上位 PC 機(jī)串行異步口通訊，上傳電池組狀態(tài)信息，接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令和參數(shù)修改指令；同時(shí)上位機(jī)具備電池狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能，以 Excel 形式存儲(chǔ)電池管理系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。5. 與電動(dòng)汽車整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊，上傳電池組狀態(tài)信息、故障信息給整車控制器，同時(shí)接收控制指令。電池管理系統(tǒng)

18、內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間通訊。6. 對(duì)電池組內(nèi)各單體電池間不一致性進(jìn)行判斷，控制均衡充電模塊。確定均衡充電時(shí)機(jī)，計(jì)算均衡充電的輸出電壓值大小，以及填寫相應(yīng)的 PWM 信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)均衡輸出電壓的控制，用來減小電池組內(nèi)單體的不一致性。2.1.3 電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上一小節(jié)所述，電池管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能復(fù)雜，采集和處理的數(shù)據(jù)數(shù)量巨大、種類較多，并要求快速、準(zhǔn)確地傳輸，且對(duì)運(yùn)算能力有較高的要求。根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由多塊采集板和一塊主控制板構(gòu)成，各板之間通過電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。采集板對(duì)電池組內(nèi)每節(jié)電池的單體電壓、固定節(jié)點(diǎn)

19、的節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行采集。每塊采集板巡檢 32 節(jié)單體和 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器。三塊采集板共完成 96 節(jié)電池單體電壓和 24 點(diǎn)節(jié)點(diǎn)溫度采集。主控制板對(duì)電池組總電壓、總電流進(jìn)行采集，同時(shí)根據(jù)上傳的單體電壓和溫度參數(shù)判斷系統(tǒng)是否故障。針對(duì)故障信息，分級(jí)報(bào)警，并采取保護(hù)動(dòng)作，控制繼電器的通斷。與實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊接口，讀取絕對(duì)時(shí)間，用于計(jì)算電池組掉電靜置時(shí)間。主控制板除了與電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊外，利用擴(kuò)展的 CAN 模塊與整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。通過串行通訊口，主控制板還完成與上位 PC 機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)上位控制界面下的監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。圖 21電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1

20、主控制板硬件設(shè)計(jì)2.2.1.1 主控芯片的選擇如前所述，系統(tǒng)功能復(fù)雜，接口方式眾多，數(shù)據(jù)類型多、數(shù)量大，且對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和運(yùn)算能力有較高的要求，因此應(yīng)盡量選用集成度較高，運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)量大的芯片作為核心控制器。此外，在電池組重要參數(shù)SOC的估算中，要求核心芯片計(jì)算速度快、精度高，且編程語言簡(jiǎn)潔快速。綜上，本系統(tǒng)選用了Freescale公司的S12系列的MC9S12XEP100RMV1作為系統(tǒng)的核心控制器。該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 芯片集成度高，片上自帶 AD 采樣模塊，SCI 通訊模塊，SPI 通訊模塊，CAN收發(fā)模塊，同時(shí)其112pin提供了充分的I/O口。2 片內(nèi)高達(dá) 1M 字的 FLAS

21、H 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 64K 字的數(shù)據(jù)/程序 RAM，4K的EEPROM，存儲(chǔ)空間充分。3 芯片內(nèi)核具有在線編程能力和保密機(jī)制，無需外加編程電壓，最短整體擦除時(shí)間僅100ms，1M字節(jié)頁(yè)擦除時(shí)間僅40ms。S12內(nèi)部總線速率最高可達(dá)50MHz，即20ns的最小指令周期，可滿足運(yùn)算的快速性和準(zhǔn)確性，以及系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，尤其對(duì)于多參數(shù)變量的 SOC 估算算法。4 帶內(nèi)置采樣/保持電路的 12 位 AD 轉(zhuǎn)換模塊，可編程的采樣時(shí)間，具有16通道，多觸發(fā)源啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換?？蓾M足采樣精度和速度的要求。5 自帶看門狗定時(shí)器模塊和基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。6 面向汽車應(yīng)用的AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。在電池

22、管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,單片機(jī)采用的8MHz外部有源晶振,總線頻率達(dá)到50MHz。由于采用5V供電和外部有源晶振,該系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力。電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,電磁干擾強(qiáng)烈,為了防止單片機(jī)在高干擾情況下死機(jī)或工作異常,需采用外部復(fù)位芯片來監(jiān)控單片機(jī)的工作,保證單片機(jī)在異常情況下能夠可靠復(fù)位,盡快恢復(fù)狀態(tài)。復(fù)位芯片采用MAX706,在正常工作時(shí),每1.6s之內(nèi)給MAX706輸入一個(gè)信號(hào),表明CPU的工作狀態(tài)。當(dāng)MAX706在1.6s內(nèi)沒有收到信號(hào),會(huì)將單片機(jī)的復(fù)位管腳拉低,使復(fù)位,回到正常工作狀態(tài)。2.2.1.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口設(shè)計(jì)在電池組荷電狀態(tài) SOC 估算中，需要考慮電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間靜

23、置時(shí)的電池組自放電問題，計(jì)算自放電能量損耗。應(yīng)用實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供絕對(duì)時(shí)間，電池組參照當(dāng)前時(shí)間以及前次系統(tǒng)斷電時(shí)間，可得靜置時(shí)間，作為自放電計(jì)算參數(shù)。PCA21125是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，工作溫度高達(dá)125。數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸，最大總線速率高達(dá)6.0Mbit/s。報(bào)警和定時(shí)器功能產(chǎn)生一個(gè)喚醒信號(hào)，喚醒中斷管腳。通過汽車應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證AEC Q100。主要特性如下：1. 基于32.768kHz的晶振，提供年、月、日、星期、時(shí)、分和秒時(shí)鐘； 2. 分辨：秒到年； 3. 時(shí)鐘操作電壓：1.3V 5.5V； 4. 低工作電流：典型值為0.55A（VDD=3.0V，Tamb=25） 5.

24、3線的SPI總線，可作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸入和輸出； 6. 串行接口電壓：1.6V5.5V； 7. 1秒或1分鐘中斷輸出； 8. 可編程的定時(shí)器中斷輸出； 9. 可編程的報(bào)警功能中斷輸出； 10. 集成晶振；11. 內(nèi)部上電復(fù)位； 12. 開漏中斷管腳。 PCA21125接口方式是3線SPI，即SDO，SDI，SCL，而MC9S12XEP100RMV1自帶2路SPI接口，無需外部接口芯片，可直接與芯片進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊。芯片讀時(shí)序如圖2-2所示。圖 22 PCA21125讀時(shí)序圖如圖2-3所示，芯片采用5V供電，通過SPI通信，外接32.768K晶振，同時(shí)有Battery備用電源，在5V電

25、斷開的情況下可使PCA21125正常工作，圖2-2所示，SPI第一階段8bit是寫命令階段，把SDI命令寫入PCA21125，然后第二、三字節(jié)分別是讀取年月時(shí)間，數(shù)據(jù)有SDO發(fā)出，MC9S12XEP100RMV1接受。圖 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口電路圖2-3所示，電路中使用了Battery備用電池，最高電壓可達(dá)4.2V，防止在掉電時(shí)PCA21125內(nèi)部時(shí)鐘初始化，由于備用電池體積較小，無法長(zhǎng)期維持，故設(shè)計(jì)了針對(duì)Battery電池充電電路，對(duì)于不需要備用電池時(shí)，可以對(duì)備用電池進(jìn)行充電。如圖2-4所示。圖 24備用電池充電電路圖2-4所示，電路中采用linear

26、公司的充電芯片，使用5V供電就可以對(duì)電池進(jìn)行充電，通過1K電阻對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大可達(dá)90mA電流，最高充電電壓可達(dá)4.2V，不會(huì)對(duì)備用電池造成損害。LTC4054電路充分保證了實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電的需求。2.2.1.3 采樣電路的設(shè)計(jì)主控制板需要對(duì)電池組充、放電過程中的總電壓、總電流進(jìn)行采樣、監(jiān)控，防止電池組出現(xiàn)過充電、過放電的現(xiàn)象。同時(shí)，總電壓、總電流參數(shù)用來計(jì)算充、放電安時(shí)數(shù)以及估算電池組荷電狀態(tài) SOC。因此，快速、準(zhǔn)確地總電壓、總電流采集是管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和保護(hù)功能的基礎(chǔ)，更是精確估算 SOC 的重要保證。下面分別介紹電池組總電壓、總電流采樣電路的設(shè)計(jì)原理?？傠妷翰杉O(shè)計(jì)：電池組為96只

27、單體鋰離子電池，每只鋰離子電池的電壓范圍為3.6V到4.2V，因此，電池組總電壓的采集范圍為 400V 左右。經(jīng)過比較選擇，最后選用LEM公司的電壓霍爾傳感器LV 28-P。該電壓傳感器原邊與副邊絕緣，可用于測(cè)量直流、交流和脈沖電壓。額定電壓 500V，轉(zhuǎn)換率 2500：1000，±15 伏供電電壓，總精度±0.6%，線性度<0.2%，響應(yīng)時(shí)間40us。該霍爾傳感器具有出色的精度，良好的線性度，快速的反應(yīng)時(shí)間和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求?？傠妷翰蓸与娐啡鐖D 2-5 所示。如圖 2-5 所示，電池組總電壓經(jīng)原邊輸入電阻Rin后產(chǎn)生原邊電流，電壓霍爾傳感器線圈

28、將此電流變比后傳感器副邊輸出電流信號(hào)，選擇測(cè)量電阻Rm使副邊側(cè)輸出 4.5V以下的電壓信號(hào)，串接可調(diào)電阻接地用于微調(diào)。電壓信號(hào)經(jīng)RC濾波電路和二極管鉗位接入MC9S12XEP100RMV1的AD輸入端。AD端測(cè)量的電壓值乘上變比系數(shù)便可得到實(shí)際的總電壓值。圖 25主控板總電壓采集電路總電流采樣設(shè)計(jì)：在電池組充電、放電過程中，還需要檢測(cè)電池組的總電流。根據(jù)電流采樣值，對(duì)充、放電電量進(jìn)行安時(shí)積分，同時(shí)還要依據(jù)電流值進(jìn)行 SOC 的估算。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)電流范圍和精度要求，選用LEM公司的閉環(huán)補(bǔ)償式電流霍爾傳感器DHAB S24。該電流霍爾元件可采樣直流、交流和脈沖電流，且原邊側(cè)強(qiáng)電與副邊側(cè)電子電路之

29、間隔離，雙通道電壓輸出，在060A具有更高的精度，雙通道偏置電壓均為2.5V，通道一主要檢測(cè)-60A到60A小電流并以偏置電壓2.5V輸出，例：在充電電流060A以每安26.7毫伏電壓升高，同樣放電電流-60A0A已每伏26.7毫伏電壓下降；通道二主要檢測(cè)60A到500A和-60A到-500A電流并以偏置電壓2.5V輸出，例：在充電電流60A500A以每安4毫伏電壓升高，同樣放電電流-60A0A已每伏4毫伏電壓下降。傳感器理論邊緣額定電流為 500A，單電源5V供電電壓，精度±1%，線性度<0.1%，響應(yīng)時(shí)間<1us，工作溫度范圍在-40125，該模塊具有較高的精度和線性

30、度，較低的溫漂和較短的響應(yīng)時(shí)間，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。圖 26主控板總電流采樣電路總電流采樣電路如圖2-6所示，電流傳感器由5V供電，輸出端是電壓信號(hào)，通道1和通道2分別經(jīng)過電壓跟隨然后經(jīng)過RC濾波電路接入單片機(jī)的AD采樣口。AD測(cè)量的值減去偏移量并乘上比例系數(shù)便可得到實(shí)際的總電流值。2.2.1.4 電源部分的設(shè)計(jì)濾波電路：電池管理系統(tǒng)采用整車的低壓輔助電池供電,額定電壓為24V.但車輛在運(yùn)行過程中會(huì)在輔助電池兩端的電壓上造成尖峰或跌落(例如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間!高壓繼電器閉合和斷開瞬間等),因此管理系統(tǒng)的工作范圍需要設(shè)置在1828V區(qū)間。為了保證管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要在電源輸入端加入濾波電路,以去除

31、整車帶來的電源干擾。由于整車電氣布置的特點(diǎn)為24伏地與車身（機(jī)殼）直接相連,因此不宜采用常見的濾波器中間抽頭接機(jī)殼的方式。圖 27電源濾波電路圖2-7為電源濾波電路。為了防止現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)反接電源線對(duì)電池管理系統(tǒng)造成損害,在電源處加入防反接二極管保險(xiǎn)在電池管理系統(tǒng)電源短路的情況下使管理系統(tǒng)脫離整車電源,不影響整車低壓電源供電為了防止高壓繼電器閉合斷開瞬間在電源上產(chǎn)生的電壓尖峰,在電源輸入線路前端加入二極管D11吸收尖峰加入共模扼流圈抑制共模電壓主控板電源芯片的選用：主控電路的單片機(jī)需要5V供電，而車載蓄電池始終是24V或12V供電，為了滿足供電要求，本設(shè)計(jì)采用了infineon公司DC/DC系列T

32、LE8366EV50，如圖2-8所示。圖 28 TLE8366EV50電路設(shè)計(jì)圖2-8所示，TLE8366EV50車載電源VS端輸入增加了一個(gè)電感，主要用于差模濾波，EN使能端表面，EN電壓不能大于VS電壓，LBU和CBU1和CBU2構(gòu)成了穩(wěn)壓電路，芯片自帶370KHz開關(guān)頻率，可以通過CCOMP和RCOMP來矯正頻率。TLE8366EV50主要特點(diǎn)如下：1. 最大輸出電流可達(dá)1.8A；2. 輸出電壓精度可達(dá)5V±2%；3. 集成功率晶體管；4. PWM反饋調(diào)節(jié)；5. 輸入電壓最低可達(dá)4.5V，最高可達(dá)45V6. 工作溫度為-401507. 面向汽車應(yīng)用的AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。在

33、電源部分設(shè)計(jì)中，正常情況下管理系統(tǒng)處理休眠狀態(tài)，故TLE8366EV50不工作時(shí)，管理系統(tǒng)滿足最低功耗，鋰電池使用中，管理系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)，喚醒方法主要有二種：1、 硬件喚醒：外部信號(hào)通過TLE8366EV50器件上的使能腳對(duì)電源芯片直接硬件信號(hào)喚醒，如圖2-9所示；圖 29硬件喚醒電路圖2-9所示，在硬件喚醒中，外部輸入Charger_KEY是充電槍信號(hào)輸入，通過兩個(gè)100K的電阻分壓后直接給TLE8366EV50器件的EN腳，對(duì)電源芯片進(jìn)行喚醒，電源喚醒后輸出5V電源，to BMU I/O直接通過單片機(jī)I/O進(jìn)行采樣，采集信號(hào)是否為Charger_KEY信號(hào)。2、 CAN喚醒：整車控制系統(tǒng)

34、通過CAN網(wǎng)絡(luò)層通過CAN喚醒，隨后CAN器件輸出一個(gè)電壓信號(hào)用來喚醒TLE8366EV50器件，如圖2-10所示；圖 210 CAN喚醒電路如圖2-10所示，在CAN喚醒電路中，常電VS，整車控制器通過CAN總線發(fā)送CAN信號(hào)，隨后CAN收發(fā)器響應(yīng)，在EN輸出端輸出電壓信號(hào)，經(jīng)分壓后直接給TLE8366EV50上的EN腳。通過設(shè)計(jì)比較，在本設(shè)計(jì)中，電動(dòng)汽車充電時(shí)采用的喚醒方式是硬件喚醒，正常使用中整車控制器對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行喚醒采用CAN喚醒；本設(shè)計(jì)的CAN電路會(huì)在第三章重點(diǎn)介紹。2.2.2 采集板硬件設(shè)計(jì)2.2.2.1 單體電壓采集芯片的選取電池管理系統(tǒng)需要完成對(duì)電池組內(nèi)多節(jié)節(jié)串聯(lián)單體的單體電

35、壓進(jìn)行巡檢，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分布式的模塊化電壓采集結(jié)構(gòu)。每塊采集板順序采集12節(jié)單體電池的單體電壓。Linear公司的LTC6802-2 是一款完整的電池監(jiān)視 IC，它內(nèi)置一個(gè) 12 位 ADC、一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多工器和一個(gè)串行接口。每個(gè) LTC6802-2 能夠在總輸入電壓高達(dá) 60V 的情況下測(cè)量 12 個(gè)串接電池的電壓。所有 12 個(gè)輸入通道上的電壓測(cè)量都能在 13ms 的時(shí)間之內(nèi)完成。 可以把多個(gè) LTC6802-2 器件串聯(lián)起來，以監(jiān)視長(zhǎng)串串接電池中每節(jié)電池的電壓。每個(gè) LTC6802-2 具有一個(gè)可單獨(dú)尋址的串行接口，因而允許把多達(dá) 16 個(gè) LTC6802-2 器件連接至

36、一個(gè)控制處理器并同時(shí)運(yùn)作。 為了最大限度地降低功率，LTC6802-2 提供了一種測(cè)量模式，旨在監(jiān)視每節(jié)電池的過壓和欠壓條件。另外，該器件還提供了一種待機(jī)模式，以把電源電流減小至 50A。 每個(gè)電池輸入均具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的 MOSFET 開關(guān)，用于對(duì)任何過充電電池進(jìn)行放電。 相關(guān)器件 LTC6802-1 提供了一個(gè)串行接口，從而可對(duì)多個(gè) LTC6802-1 器件的串行端口進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接，而無需使用光耦合器或光隔離器。由于考慮到本設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度采用了LTC6802-2器件。如圖2-11所示，該芯片主要有以下特點(diǎn)：1. 可測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)串聯(lián)鋰離子電池的電壓 (最大值為 60V) ；2. 可堆疊式

37、架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高電壓電池組的監(jiān)視 ；3. 可利用 4 位地址進(jìn)行單獨(dú)尋址 ，采用SPI通訊；4. 0.25% 的最大總測(cè)量誤差 ；5. 具固有FIR濾波處理電路的ADC；6. 可在 13ms 的時(shí)間里完成一個(gè)系統(tǒng)中所有電池的測(cè)量 ；7. 電量平衡： 內(nèi)置無源電量平衡開關(guān)；提供片外無源電量平衡 ；8. 具兩個(gè)熱敏電阻輸入和內(nèi)置溫度傳感器 ；9. 具數(shù)據(jù)包誤差檢驗(yàn)功能的 1MHz 串行接口 ；10. 內(nèi)置精準(zhǔn)3V基準(zhǔn)和5V穩(wěn)壓器；11. 導(dǎo)線開路連接故障檢測(cè) ；12. 低功率模式 ；13. 44 引腳 SSOP 封裝；14. 符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。圖 211 LTC6802-2基本結(jié)構(gòu)框圖2.2.

38、2.1 采集板主控芯片選取如前所述，LTC6802-2只有SPI通訊，不存在CAN通訊，并且LTC6802-2無法直接使用其單體電壓采樣需要一塊核心的單片機(jī)作為采集板的主控芯片，對(duì)LTC6802-2進(jìn)行采集電壓、溫度和進(jìn)行CAN通訊。本設(shè)計(jì)采用了freescale公司的HCS08系列的MC9S08DZ60芯片作為采集板的主控芯片，該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 20M總線速率2. 整個(gè)工作電壓和溫度范圍內(nèi)可讀取/ 編程/ 擦除的Flash 存儲(chǔ)器60K，支持2K的EEPROM在線可編程內(nèi)存，最大4K的隨機(jī)存取內(nèi)存（RAM）；3. 芯片集成度高，片上自帶 AD 采樣模塊，SCI 通訊模塊，SPI 通訊

39、模塊，CAN收發(fā)模塊，多通道定時(shí)器，并支持32pin、48pin和64pin引腳封裝； 4. 自帶看門狗定時(shí)器模塊和基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。5. 面向汽車應(yīng)用的AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證2.2.2.2 單體電壓采集電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采樣電路采用RC濾波，電阻和電容阻值和容值分別決定了其采樣精度，如表2-1所示 表2-1 單體測(cè)量誤差與RC值RC阻值單體電壓精度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，當(dāng)R=100，C=0.1u

40、F時(shí)，單體電池112串偏差最小，故本設(shè)計(jì)選擇如圖2-12設(shè)計(jì)電路，此電路設(shè)計(jì)已達(dá)到最大的單體電壓采樣精度。圖 212采樣電路的設(shè)計(jì)圖2-12所示，分別選用100和0.1uF形成RC濾波電路，由于LTC6802-2的CnC（n+1）耐壓值在-0.3V9V之間，故在IC輸入端增加了一個(gè)7.5V/1W穩(wěn)壓管用于防止在有較高的脈沖電壓時(shí)損壞器件。2.2.2.3 單體溫度采樣設(shè)計(jì)LTC6802-2中自帶了兩路溫度傳感器，分別使用內(nèi)部基準(zhǔn)3V作為電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2-13設(shè)計(jì)電路，此電路采用100K精密電阻作為標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)溫度傳感器進(jìn)行采樣，并通過LTC6802-2上的SPI通訊經(jīng)過MC9S08DZ60運(yùn)算

41、后把溫度信息通過CAN總線傳送給主控板。圖 213溫度傳感器采樣電路2.2.2.4 均衡方案的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用了LTC6802-2中自帶的外部均衡方案，如圖2-14所示，在CnC（n+1）之間并入一個(gè)PMOS管和一個(gè)功率電阻，通過LTC6802-2上的Sn管腳進(jìn)行控制，使用15電阻進(jìn)行放電，此均衡方案具有電路簡(jiǎn)單，成本低，效率高，經(jīng)過計(jì)算4.2V電壓在經(jīng)過15電阻放電時(shí)最大可達(dá)到280mA電流。圖 214外部均衡電路2.2.2.5 通訊隔離方案設(shè)計(jì)如上所述，LTC6802-2的SPI沒有自帶隔離器件，在和MC9S08DZ60進(jìn)行SPI通訊時(shí)是無法進(jìn)行隔離的，本設(shè)計(jì)中有多個(gè)采集板（LECU）并聯(lián)在

42、CAN網(wǎng)絡(luò)上，電池組的總電壓時(shí)串聯(lián)，這樣就存在高壓短路問題，為了解決這一問題，本設(shè)計(jì)采用了analog公司的ADUM2401磁隔離芯片，ADUM2401是一款四通道數(shù)字隔離器，2500V的隔離電壓，支持3V5V供電電壓，高達(dá)90M bps通訊速率，如圖2-15所示，LTC6802-2和MC9S08DZ60進(jìn)行連接，Vreg使用LTC6802-2上的內(nèi)置的5V電壓，+5V電壓使用車載24V通過LDO降壓后的電壓與單片機(jī)同一個(gè)5V電壓。圖 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60電路連接通過圖2-15可以看出LTC6802-2和MC9S08DZ60之間使用一個(gè)磁隔離芯片進(jìn)行隔離，隔離之間的

43、通訊使用SPI通訊，讀寫時(shí)序圖如圖2-16所示。圖 216 LTC6802-2讀寫時(shí)序圖設(shè)置MC9S08DZ60為主工作模式，8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度， SPI口通訊波特率選擇 0.8MHz，MC9S08DZ60讀取LTC6802-2片上寄存器時(shí)，首先拉低CS，然后通過SDI向LTC6802-2發(fā)送命令字節(jié)（寫寄存器命令：0x01；讀寄存器命令：0x04,0x08）讀數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送偽數(shù)據(jù)MC9S08DZ60的SDO腳接收由LTC6802-2發(fā)送的數(shù)據(jù)。第3章 電池管理系統(tǒng) CAN 通訊設(shè)計(jì)3.1 CAN 總線技術(shù)介紹CAN，即控制器局部網(wǎng)（CANController Area Network），屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范

44、疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 最初由德國(guó)BOSCH 公司為汽車的監(jiān)控、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，具有極高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。具體來講，CAN具有如下特點(diǎn)：1. CAN 為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻都可以主動(dòng)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，方式靈活。2. 可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式傳遞信息。3. CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以安排優(yōu)先級(jí)順序，以滿足和協(xié)調(diào)各自不同的實(shí)時(shí)性要求。4. 采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，按優(yōu)先級(jí)順序通信，節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓。5. 通信速率快，最高可達(dá) 1M

45、bps（40m 以內(nèi)），最長(zhǎng)傳輸距離達(dá) 10km（速率為 5kbps）。6. 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最多可達(dá) 110 個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符（11 位）或擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符（29 位），標(biāo)識(shí)符種類豐富。7. 短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，校錯(cuò)性能好。8. 通信介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜或光纖。9. 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，脫離網(wǎng)絡(luò)。10. CAN 總線通訊接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化。基于如上特點(diǎn)，CAN 總線可為工業(yè)控制系統(tǒng)提供可靠、快速和靈活的數(shù)據(jù)傳送方案，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在本課題中，電池管理系統(tǒng)最終應(yīng)用于電動(dòng)汽車內(nèi)部，

46、車輛內(nèi)部有大量的干擾信號(hào)，且不可避免復(fù)雜、惡劣的行駛工況?；谇笆?CAN 總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，電池管理系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)選用了 CAN 總線形式，可以大大地提高系統(tǒng)傳輸信號(hào)的抗干擾性和可靠性，同時(shí)高速的傳輸性能可以保證系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。此外，汽車內(nèi)部總線多為 CAN 總線，采用 CAN 總線作為電池管理系統(tǒng)內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)方案有利于將來實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)汽車整車通訊標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和匹配。3.2 電池管理系統(tǒng) CAN 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)3.2.1 CAN 總線通訊協(xié)議簡(jiǎn)述CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。在CAN總線通訊接口中，集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除

47、了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種編碼的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為 8 個(gè)字節(jié)，可滿足控制指令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8 個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，可保證通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。1991 年，德國(guó) BOSCH 公司發(fā)布了 CAN2.0 規(guī)范。CAN2.0 規(guī)范分為 CAN2.0A和 CAN2.0B。CAN2.0A 支持標(biāo)準(zhǔn)的 11 位標(biāo)識(shí)符；CAN2.0B 同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的 11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的 2

48、9 位標(biāo)識(shí)符。CAN2.0B 規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè) CAN-bus 的儀器之間建立兼容性。為使設(shè)計(jì)透明和執(zhí)行靈活，遵循 ISO/OSI 參考模型，CAN 分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。CAN 分層結(jié)構(gòu)和功能如圖 3-1 所示。LLC子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報(bào)文實(shí)際已被接收，為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。在定義目標(biāo)處理時(shí)，存在許多靈活性。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)，執(zhí)行仲裁，錯(cuò)誤檢測(cè)，出錯(cuò)標(biāo)定和故障標(biāo)定。MAC子層也要確定為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放

49、或者是否馬上開始接收。位定時(shí)特性也是MAC子層的一部分。MAC子層不存在修改的靈活性。物理層的功能是有關(guān)電氣特性不同節(jié)點(diǎn)間位的實(shí)際傳送。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層所有節(jié)點(diǎn)必須是相同的。圖 31 CAN 節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)和功能3.2.2 CAN模塊外圍硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用了Philips公司的TJA1040和TJA1041，TJA1040的CAN收發(fā)器不帶CAN喚醒，用于本設(shè)計(jì)中的主控和采集板之間的通訊，TJA1041的CAN收發(fā)器自帶CAN喚醒，用于主控板和整車控制器之間的通訊。作為主控板和采集板之間的通訊，主控板時(shí)刻對(duì)單體電壓的監(jiān)控，波特率必須是高速的，本設(shè)計(jì)中采用了500K的波特率，如圖3-2所示。

50、圖 32 TJA1040基本通訊電路圖3-2所示，RT1和RT2是終端電阻，增加CEMC1和CEMC2對(duì)抗干擾能力的提高和改善，VESD1和VESD2用于ESD保護(hù)，由于CAN傳輸是差分傳輸，故增加了共模電感，用來慮除共模干擾。主控板和整車控制器進(jìn)行通訊時(shí)采用TJA1041作為可喚醒使能的CAN模塊，如圖3-3所示。圖 33 TJA1041基本通訊電路圖3-3所示，主控板處于休眠狀態(tài)時(shí)，VBT是車載24V/12常電，當(dāng)外部CAN網(wǎng)絡(luò)有CAN數(shù)據(jù)，CANH和CANL上產(chǎn)生的差分信號(hào)符合CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，INH輸出一個(gè)高電平對(duì)TLE8366EV50的EN時(shí)能腳進(jìn)行喚醒，隨后VCC5有5V電源輸出，

51、單片機(jī)得電，主控板處于正常工作模式。 3.2.3 電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)CAN2.0B 規(guī)范僅定義了 OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，而沒有規(guī)定 OSI模型的上層。當(dāng)用戶要組建一個(gè)具有實(shí)際工作意義的 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須自己制定應(yīng)用層協(xié)議。雖然目前已出臺(tái)幾種流行的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如 CANopen、Devicenet、CAL、CANKingdom、SDS 等，但本設(shè)計(jì)中 CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不是很多，而且不需要與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行接口，考慮到設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本，本系統(tǒng)自己規(guī)定了一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議，便可實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 子網(wǎng)的通訊需要。3.2.2.1 節(jié)點(diǎn)分

52、析在高壓系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車總電壓最低標(biāo)準(zhǔn)為110V，最高位660V，根據(jù)計(jì)算最大串?dāng)?shù)位178串，即采集板總數(shù)為15塊，一般通用接法如圖3-4所示。 圖 34電池管理系統(tǒng)內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖3-4所示總線上分別掛有采集板1、采集板 2、采集板 n、一臺(tái)充電機(jī)以及電池管理系統(tǒng)主控制板。主控制板作為上位節(jié)點(diǎn)，控制整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)。每塊采集板向主控制板上傳采集的單體電壓信息和節(jié)點(diǎn)溫度信息，以及所監(jiān)測(cè)組內(nèi)電池故障類型及故障位置。充電機(jī)節(jié)點(diǎn)接收主控制板發(fā)送的充電控制指令，和用于充電機(jī)面板顯示的當(dāng)前電池狀態(tài)。3.2.2.1 報(bào)文定義電池管理系統(tǒng)內(nèi)部報(bào)文可分為三種：控制指令報(bào)文，狀態(tài)參數(shù)報(bào)文和故障信息報(bào)文。

53、控制指令報(bào)文：控制指令報(bào)文主要是主控制板對(duì)下位節(jié)點(diǎn)的控制信息，如采集板啟動(dòng)上傳指令，充電機(jī)啟動(dòng)以及充電制式轉(zhuǎn)換指令（恒流充電轉(zhuǎn)恒壓充電控制指令）等。狀態(tài)參數(shù)報(bào)文：狀態(tài)參數(shù)報(bào)文是指表示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的各數(shù)據(jù)變量。主要包括采集板上傳的單體電壓信息，節(jié)點(diǎn)溫度信息。充電機(jī)上傳的充電制式設(shè)定信息和當(dāng)前充電狀態(tài)信息，以及主控制板發(fā)送給充電機(jī)用于充電機(jī)面板顯示的當(dāng)前電池組 SOC 參數(shù)和單體極值信息。故障報(bào)警報(bào)文：故障報(bào)警報(bào)文是指系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的故障報(bào)警信息。如采集板上傳溫度異常、單體過壓等故障信息，以及充電機(jī)接收來自主控制板的單體和電池組內(nèi)故障信息等。CAN 報(bào)文中標(biāo)識(shí)符和 8 字節(jié)數(shù)據(jù)的使用是用以區(qū)分

54、通訊數(shù)據(jù)的不同種類和功能，并反映出通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方。報(bào)文的標(biāo)識(shí)符決定了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，具有較小標(biāo)識(shí)符的幀先發(fā)送，較小標(biāo)識(shí)符幀發(fā)送完成后，標(biāo)識(shí)符較大的幀才能發(fā)送。因此，控制指令報(bào)文采用較小的報(bào)文 ID 值，故障信息其次，狀態(tài)信息則采用最大的報(bào)文 ID 值。指定標(biāo)示符下，報(bào)文的不同數(shù)據(jù)字節(jié)代表不同的含義，作為指令標(biāo)志位，故障標(biāo)志位，或數(shù)據(jù)參數(shù)等。表 3-1 和表 3-2 分別為主控制板與采集板之間通訊報(bào)文協(xié)議、以及主控制板與充電機(jī)之間通訊報(bào)文協(xié)議。表 3-1 主控制板與采集板之間通訊報(bào)文協(xié)議主控板與采集板之間的通信報(bào)文信息源報(bào)文代號(hào)報(bào)文描述優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)字節(jié)刷新速率11位標(biāo)識(shí)符采集板BER電池故

55、障信號(hào)02時(shí)間觸發(fā)021HDTDY電池單體電壓28200ms411HJDWD電池節(jié)點(diǎn)溫度26500ms主控板QDSC11號(hào)采集板上傳11200ms210HQDSCnn號(hào)采集板上傳11200ms200H+n*10報(bào)文字節(jié)定義信息源報(bào)文代號(hào)報(bào)文描述BYTE0BYTE1BYTE2BYTE3BYTE4BYTE5BYTE6BYTE7采集板BER電池故障故障標(biāo)識(shí)故障位置Byte0.7=1：表示故障標(biāo)志位；Byte0.0：電壓信號(hào)；byte0.0=0：溫度信號(hào)；Byte0.1-byte0.3對(duì)應(yīng)故障類型：?jiǎn)误w過壓、單體欠壓、溫度異常；Byte1：故障點(diǎn)編號(hào)（使用8位，可表示0號(hào)-255號(hào)）DTDY電壓類型起始單體號(hào)碼單體電壓高位單體電壓地位單體電壓高位單體電壓地位單體電壓