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1、 保 密 类 别 编号 20100801012 武汉大学珞珈学院 毕 业 论 文 基于CAN总线通信的蓄电池能量管理系统 系 别 电气工程与自动化 专 业 电气工程与自动化 年 级 2010级电气一班 学 号 20100801012 姓 名 指导老师 武汉大学珞珈学院 2014年 5 月16日摘 要 随着全世界汽车数量的增加,人类对能源的需求越来越大。电动汽车作为未来汽车的发展方向,越来越受到人们的重视。要使各种电动汽车能与传统内燃机汽车相竞争,关键是提高动力蓄电池的性能。就目前使用的动力电池来说,怎样建立对电池有利的充放电控制模型、实时监控电池荷电状态、防止电池过充与过放来延长电池的使用寿命
2、,怎样对电池进行实时或定期的自动故障诊断和维护,最大层度地保证电池的可靠运行,这些问题都需要通过开发有效合理的基于实时总线的电池管理系统来加以解决。 可由于电池管理系统所工作的环境异常恶劣,时时受到外界强电、噪声等干扰,使提高电池管理系统的通信可靠性成为了系统研制成功的一个关键。提高管理系统通信可靠性的技术可分为硬件和软件两个方面,仅采用硬件技术,如电磁隔离、去祸滤波、噪声补偿等,仍有一些频段的干扰侵入系统,不能完全满足应用系统的要求。还需要采用一些软件抗干扰的技术。硬件技术和软件技术的巧妙结合,是提高系统可靠性的有力手段。 本课题以混合动力公交EQ6110为试验平台,以镍氢动力电池管理系统的
3、通信作为研究对象,通过对电池管理系统的CAN总线通信可靠性分析与设计,深入探讨了影响系统可靠性的各方面因素,同时提出了CAN总线网络下的调度消息模型,引入同步与异步的概念,将各类消息进行分门别类的传输。采用了优先级提升算法对系统进行了改进设计,该算法不但可以提高系统实时通信的性能和带宽利用率,还在一定程度上避免了消息死锁的出现。在项目的设计与实现过程中,构建了软硬件实验平台,在CodeWarrior环境下建立了通信工程,并进行了程序的调试。经过试验验证,改进后的通信系统可以安全可靠的运行,从而保证电池管理系统可靠运行完成预定功能。最后对本课题所做的研究工作进行了总结,在此基础之上指出了今后该课
4、题进一步研究下去的方向,提出了展望关键词:电池管理系统 CAN总线 消息模型 调度算法IABSTRACTWith the increasing of cars around the world , humans demands for energy is growing. Electric cars are the future direction of vehicles. More and more attention has been paid. In order to let a variety of electric vehicles compete with conventional
5、 internal combustion engine cars , the performance of power battery must be improve. Recently, the problem of power battery is, how to establish an suitable battery charge and discharge model, real-time monitoring of battery state of charge to prevent overcharge and over-discharge of the battery to
6、extend battery life , and how to carry out real-time or regular battery automatic fault diagnostics and maintenance , the greatest degree of assurance that the battery level reliability. All these problems can be resolved through the development of effective and reasonable battery management system
7、(BMS). Battery management system due to the unusual circumstances surrounding the poor work place in strong external power noise and other interference improvement in reliability of communication system has become the key to success of battery management system. The improvement in the reliability of
8、 communications systems can be divided into aspects. It includes hardware and software technology. Just using the hardware technologies such as magnetic separation coupling filtering noise compensation there are still some band interference invading systems and can not fully meet the application sys
9、tem requirements. Software anti jamming technology is also needed. Hardware and software ingenious combination is the way to improve the reliability of embedded systems.This paper provides CAN bus communication reliability analysis and battery management system design based on hybrid power driving B
10、us EQ6110 test platform and CAN bus design for the BMS. Author also studies of various factors which impact system reliability. A CAN bus information scheduling model and Synchronous and asynchronous conception has been presented in the text. Different types of messages can be transmitted separately
11、. Finally author presents the priority promoting scheduling algorithm. Living test confirm that the improved battery management system can be safely and reliably operated as we intended. The algorithm not only can improve the system performance of real-time communication and bandwidth utilization, a
12、lso to a certain extent to avoid the appearance of the message deadlock. Finally, the author of this topic summarized the research work in the project and pointed out that further research on the subject of the future direction.Keywords: battery management system CAN bus information model scheduling
13、 algorithmIII目 录第1章 绪论.1 1.1 课题研究的背景.1 1.2 电池管理系统及其通信网络技术发展现状.2 1.2.1 国外的发展状况.2 1.2.2 国内的发展状况.3 1.3 CAN 总线在电池管理系统应用中的优势与存在的问题.4 1.3.1 汽车网络环境采用CAN总线通信的优势.4 1.3.2 CAN总线运用在电池管理系统通信节点上中存在的问题.5第2章 电池管理系统设计方案.6 2.1 电池管理器工作原理.6 2.2 智能管理模块设计思路.8 2.2.1 CAN 总线通信模块.8 2.2.2 充放电保护模块.9 2.3 电池管理系统的通信节点网络模型.9 2.3.1
14、 电池管理系统的拓扑结构.92.3.2 电池控制模块中的消息系统.10 2.4 本章小结.11第3章 CAN总线技术分析.12 3.1 CAN总线网络协议分析.12 3.1.1 CAN总线的特点.12 3.1.2 CAN总线的分层结构 .12 3.1.3 CAN总线多址接入/冲突避免(CSMA/CA)机制.133.1.4 CAN总线的报文传输.14 3.2 CAN总线调度算法研究.19 3.2.1 固定优先级调度算法.19 3.2.2 固定优先级调度算法中的消息分类.20 3.2.3 固定优先级调度算法的优先级分配.21 3.3 CAN 总线的错误检测与处理机制.21 3.3.1 总线中的错误
15、类型.21 3.3.2 故障界定.22 3.4 本章小节.23第4章 系统硬件设计. 24 4.1数字信号处理器的选择. 24 4.2 DSP外围电路的设计. 25 4.2.1 DSP电源及复位电路设计. 25 4.2.3 DSP仿真器及JTAG接口. 26 4.3采集电路.26 4.3.1电压采集.26 4.3.2 电流采集.27 4.3.3 温度采集.28 4.4 A/D转换电路的设计.29 4.5 本章小结.31第5章 电池管理系统的软件设计.33 5.1软件设计概述. 33 5.2主程序设计及相关子程序设计.33 5.2.1主程序设计.33 5.2.2模数转换子程序.34 5.2.3电
16、池判断子程序. 35 5.3 中断服务程序.36 5.4 软件抗于扰设计.37 5.5 本章小结.38第6章 电池管理系统的实验设计.39 6.1实验目的.39 6.2 实验平台.39 6.3 电池信息检测试验.40 6.4 CAN通信显示.43 6.5 实验结果.44 6.6 本章小结.44结论.45参考文献. 46致谢.47第1章 绪论1.1 课题研究的背景 能源消耗在汽车中的比例占主要工业国家能源消耗的两层以上1，由于现代社会的能源危机使人们认识到传统的内燃机需要利用新的能源辅助，混合动力汽车是汽车工业将要面临的一场深刻的革命2。由于蓄电池在使用过程中无气体排放无污染，有助于解决当前汽车
17、造成的环境问题，于是世界上各个主要汽车制造商都纷纷加紧了大功率动力蓄电池的研究工作3，意在开发出性能优越的动力系统，来提高产品的竞争力。作为一项新兴的技术，从20世纪90年代初期开始，混合动力交通工具的研发就得到了美、日以及西欧等许多发达国家的高度重视，到目前为止已经获得了很多的丰硕成果与专利技术，许多大型的汽车制造企业已经打出了自己的品牌4。综上所述，混合动力电动汽车的产业化发展是必然的。我国是个缺乏能源、环境污染严重的国家。发展混合动力电动汽车将为我国的能源和污染问题、提高民族汽车工业的竞争力起到重要的作用。我国在混合动力电动汽车的研发上，己经取得了较好的成绩。并且为了实施能源发展战略，国
18、家电网公司拟采取各种有效措施，促进新能源汽车的健康发展。在将来，我国的新能源电动汽车会逐渐走向商品化及应用阶段，必将成为中国汽车的发展方向。动力蓄电池是混合动力电动汽车(HEV , Hybrid Electric Vehicle)的动力来源之一，它的性能的好坏直接决定了整车的质量5。其主要性能指标包括能量密度、功率密度与使用寿命等6。动力蓄电池之性能不能达到实际的需求目标，是阻碍其技术发展的重要原因之一7。要使各种动力电池能与传统的燃油动力系统相抗衡，首先应当解决的问题是开发出能量密度大、功率密度大、使用寿命长的高效蓄电池8。就当前的车用动力电池来说，怎样建立对电池有利的高效充电模型、准确估测
19、电池的荷电状态、防止过充过放以保证电池组的一致性和使用寿命；怎样对电池实现在线的检测维护和故障信息保存；以保证动力蓄电池组的可靠运行，若要解决上述问题，只开发出一款性能可靠、能精准测量系统参数、通信精确迅速的电池管理系统(Battery Management System)来加以管理9。电动汽车电池管理系统是电动汽车中一个越来越重要的关键部分，是一个处于监控运行及保护电池关键技术中的核心部件，能给出剩余电量和功率强度预测、进行智能充电和电池诊断安全等功能集合的综合系统10。由于混合动力汽车采用内燃机系统和电动机系统两种动力系统并存，若要实现两种动力源的最佳配合，就得采用可靠的通信技术在汽车网络
20、内传输消息与数据11，让它按照我们事先设想来主导动力控制策略运行，显示混合动力汽车的优越性。如采用常用的线束联接方法，完成两种动力的配合，就会增加系统的复杂层度、重量还有成本，势必会造成通信可靠性的降低，从而影响汽车的性能。由此可见，设计智能化的消息节点，组建新的汽车通信网络是十分必要的12。如今汽车领域较为先进的CAN总线就可以解决复杂的汽车网络的通信问题，而CAN是唯一取得国际标准的现场总线，以它优越的性能被广泛应用在汽车与其它工业控制领域13。所以文章选用CAN总线来进行电池管理系统通信网络的研究。CAN总线应用于混合动力电动汽车智能节点之上具有以下优势14-16： 1.降低各种功能模块
21、所需的线束数与占用体积。 2.降低汽车的重量同时减少了成本；数据传输可靠性高，研发过程中的节点扩展十分方便。 3.动力电池的环境温度、电机运行状态与荷电状态等能同时在总线上共享，这样就可以去除了多余的传感器，让局域网内的线束减少，智能节点数据传输速率更快。4.通过扩展节点就能增加功能，在研发过程中升级软件方便。 另外，经过软件处理，它还能实时监控和纠正由电磁干扰导致的消息传输错误同时检测到故障后存储故障代码。但是传统的CAN总线系统具有不适应硬实时系统的需要、网络资源利用率低、易造成消息的阻塞等缺点，在电池管理系统这样一个对消息传输可靠性和实时性要求极高的状况下，还难以达到令人满足的效果17。
22、改进的方向包括硬件与软件两个方面，该问题在后续章节中将会讲到，这里不再赘述。1.2 电池管理系统及其通信网络技术发展现状1.2.1 国外的发展状况 近年来新能源概念汽车的应用研究大有燎原之势，升温不断18。世界上的许多大型汽车生产商和蓄电池厂家针对各种动力用车载蓄电池作了大量的理论研究和试验。一些著名企业和科研机构还成功地研发出了比较高效的电池管理系统，设计了各种各样的电池数学模型，将其应用在电动汽车之上。它们当中较为典型的电池管理系统包括:由美国通用汽车公司研发的“EV1”型电动汽车上使用的电池管理系统；美国Averovironment公司开发的Long-Life Battery Using
23、 Intelligent Modular Control System(通常被称为SmartGuard电池管理系统)；德国MentzerElectronic GmbH和Werner Retzlaff研发的BADICHEQ电池管理系统和BADICOACH电池管理系统；德国B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国AC Propulsion公司推出的BatOpt高级蓄电池管理系统。 1.EVl的电池管理系统 GE公司生产的“EV1”型电池管理系统应用了一台微型计算机对蓄电池组进行智能控制，监控蓄电池的充放电状态并对相应故障作出相应反应，运用算法估计蓄电池组的剩余电量19。该电动汽车采用的是用26
24、节铅酸蓄电池串联方式来使用的，他们通过深度放电实验测得电池放电深度可以到达到80%，电池使用寿命大概是450个电池充放电周期，110公里左右的市内行驶距离。EV1的电池管理系统最基本的功能有:单体蓄电池的电压状态测量；电池组实时充放电电流监测；电池组高电压自动预警与断电保护；防止深度放电保护；电量与里程的折算计算；蓄电池组外壳绝缘失效检测及断电保护。该系统的电池管理、电机控制等模块采用的控制总线是CAN总线。 2.BADICOACH系统 该系统最突出特点是在每个蓄电池单体上装备有一个非线性电路据此来测量电池电压，再将电池组每个单体电池电压量的信号通过一束信号线传信号递给BADICOACH系统；
25、剩余电量最少的电池单体的荷电状态被显示来出来；对最近的24充放电周期的电池基本参数作出相应分析与存储，依据分析数据来对电池均衡与健康状态作出判断，同时快速查询蓄电池的基本信息与错误使用情况，故障诊断与检修提供参考20。该系统采用的是CAN与LIN的联合组网。 3.SmartGuard系统 SmartGuard系统最突出特点是在蓄电池上装有一分布式的传感器网络来测量电池的电压、电流与温度。系统的基本功能是对过充电控制与测量，电池历史数据的纪录，提供荷电状态最不理想的电池单体的参数信息。该系统的智能控制节点数较少，但同样是采用了CAN和LIN两种总线的联合组网21。4.BatOpt系统 该系统是一
26、个分布式系统，有中心主控制器单元与各蓄电池组的单独监控模块所构成22。利用控制总线是twowire总线，各个电池监控节点向主控制器节点传递各个电池的基本参数信息，主控制器节点收集信息后进行最优化的控制与处理。 除此之外，许多西欧国家与日本的汽车制造商也研发出了自主知识产权的蓄电池能量管理系统，在此就不再作过多介绍。电动汽车的迅速发展与普及为与其它相关的电子技术发展提供了巨大的契机。电池电子技术就其本质来说就是针对电池的复杂的电化学的研究，它是化学、自动制动、电力电子技术、计算机技术的一个新兴交叉领域。电池电子技术的最终目标就是要将蓄电池应用推向一个更高的阶段，达到少维护、通用性好、无人管理、高
27、安全、智能化与无公害，最大限度的优化电池的使用和延长电池的寿命，一定程度上解决目前的能源问题与环境问题。1.2.2 国内的发展状况 中国在十五期间新型电动汽车设立为重大的专门研究项目，通过数年的研究与努力，在电池管理及其相关技术方面取得很大的突破，就目前来说，我们的技术与国外水平比较接近。 在全国“863”项目2005年最初立项的科研课题之中，就有由北京理工大学与春兰集团负责承担的“EQ7200HEV”混合动力轿车用动力镍氢电池组及电池管理模块、湖南神舟公司与北京交通大学以及东风电动汽车股份有限公司共同承担的“EQ611 OHEV 混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电
28、源有限公司负责承担的燃料电池轿车用高功率型铿离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用铿离子电池及管理模块等课题。除此之外还有清华大学、天津大学、湖南大学等承担的汽车无刷电机控制系统、DC/ DC变换器等大量类似课题项目。 但是就从整个大的项目而言，电池管理系统(BMS)跟电动机本体设计、电机驱动技术、动力电池技术相比，还不是很成熟。电池管理系统作为电动汽车最关键的技术之一，在近年来虽然有很大的提高，很多方面都己经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在系统通信的可靠性等方面存在着问题，有待进一步改进和提高。1.3 CAN总线在电池管理系统应用中的优势
29、与存在的问题1.3.1 汽车网络环境采用CAN总线通信的优势适用于汽车系统的通信网络协议必须满足许多极其严格的要求，这是汽车运行的特殊环境所决定的。一般汽车内(主要是机舱内)变化温度很大，可达零下45摄氏度到高温100摄氏度。汽车在行驶过程中会因路况原因出现较大的振动，点火喷射系统等装置也会带来非常大的电磁干扰，在这样的情况下就要求电控装置传递信息准确及时。此外考虑到安全性的因素，要求通信网络系统必须具有极高的可靠性。所以在网络设计上，除了采用合理的总线拓扑结构方式外，必须选择具有极好的抗强磁、噪声和振动等干扰的能力和极强的容错性和检错能力的总线。同时该总线需具备故障的诊断和处理能力与高实时性
30、性能，加上考虑成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。通过以上分析，我们选择了CAN因为它具有十分优越的特点，与其它总线相比，总结起来有以下几条: 1.在通信距离40米以内的情况下，最高速的数据传输速率可达1Mbit/s35，足以满足电池管理系统、汽车动力和悬架等高速系统的传输要求。 2.成本低廉。由于目前CAN己经成为车载网络应用最为广泛的标准，按照现在的发展趋势许多电子类生产厂商也正在研发或投入生产集成的CAN控制器，这就极大的减低了成本。 3.比较高的总线利用率。由于其信号发送冲突的解决方案是一种冲突规避的设计方式，总线网中的数据交互按照规律有条不紊地进行，减少了信息重发的可能性，从
31、而提高了总线利用率，对于发送优先级高的重要信息尤为如此。 4.由于报文帧结构相对比较简单，开发应用层协议的方式灵活，占用总线时间短，从而保证了通信过程中极高的实时性。 5.节点可以根据报文的标识来决定接受或屏蔽总线中报文，而不是采用一般的地址方式。使得网络中增加节点的操作和软件升级变得更加方便。6.可靠的错误处理和检错机制。只要在软件开发的过程当中设置错误定时计数器，在发送的信息遭到破坏或者干扰后，节点触发恢复机制而自动重发，同时会在判断自身错误严重的情况下，具备自动退出总线的功能，这些特点保证了系统极高的可靠性和安全性。1.3.2 CAN总线运用在电池管理系统通信节点上中存在的问题 CAN总
32、线是德国BOSCH公司80年代为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，目前它己经在世界范围内的应用上取得重要地位，其总线规范己被ISO国际标准组织制定为国际标准。现在沃尔沃、奔驰、宝马等品牌车型也开始在汽车上使用CAN总线。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，为了达到高实时性需求，理论上可以设置CAN的位速率可达1Mbps。但是在实际的网络通信控制系统，比如我们的电池管理系统当中，要想达到极高的实时性与可靠性又要兼顾理想的传输速率，事情往往不是想象的那么简单。因为一般的通信控
33、制网络主要存在着时间触发(Time Trigger)与事件触发(Event Trigger)两种通信调度机制，前者适用于传输硬实时周期性消息，后者主要适合于传输非周期性消息。CAN总线本质上属于事件触发机制，有大量文献对其消息的调度进行了研究，一般通过降低网络资源利用率来减少总线竞争与总线错误对消息实时性造成的影响。所以，传统的CAN总线系统具有如下缺点： 1.网络资源利用率有限，造成网络带宽的浪费； 2.网络中节点缺少同步机制，消息的调度不可管理与预测，不适合于硬实时系统的需要； 3.利用CAN原始的非破坏性位仲裁机制，由于总线非抢占性特点，可能低优先级的消息正在传输，造成了对高优先级消息的
34、阻塞，即使最高优先级也可能存在延时响应。 文章的研究工作正是在基于以上问题开展的，怎样用现有的CAN标准在改进的思路与算法的基础上克服不足，实现可靠的通信，将会在后续章节逐渐介绍。第二章 电池能量管理系统设计方案 2.1 电池管理器工作原理 电池管理系统以智能管理芯片为核心，由数据采集模块、充放电保护模块、数据总线通信模块组成，实现电池组内所有单体电池电压、充放电电流的数据采集、电池组充放电保护的控制，并通过标准通信接口与智能电源管理器实现数据通信和控制指令的传输。原理图如图2.1所示。 图2.1 电池能量管理系统框图 CAN总线的通信协议由CAN通信控制器完成。CAN通信控制器由实现CAN总
35、线协议部分和微控制器的电路组成。本章介绍用FPGA实现CAN通信控制器的功能。 数据采集模块数据采集模块由多路巡检开关和A/D转换器构成，分为8组受智能管理模块的控制信号并行执行，每组又受地址信号控制，通过多路巡检开关顺序采样该组的48节电池电压。在某一时刻，8个巡检开关采样到的电池组内某一个电池的电压送入A/D转换器，8组数据构成一个数据帧送入发送缓冲器。此过程完成后，继续重复上述操作。 图2.2 数据采集示意图 如图2.2所示，一个电池组中，所有的电池是串联的，48节电池对应48组开关。巡检开关的位置是由地址译码器决定的。在某一时刻，巡检开关作用的一节电池被选中，此时该电池电压信号被采样，
36、送入A转换器，一次采集就完成了。8个电池组的信息汇集到一起，作为智能管理模块的输入信号。这些信息是发送到总线上的数据帧中的有效数据。 对于一个电池组，每一时刻只可能有一节电池接入电路中，开关切换要及时，这对采集模块的电路要求比较高。 电池充放电保护模块电池充放电保护模块主要是蓄电池充放电保护执行机构。在智能管理模块接收到数据采集模块的数据和智能电源管理器从总线发送过来的控制指令后，经过判断直接决定是否输出保护信号。保护信号是直接作用于电池组的，和电池组的充放电保护开关相连。如图2.3所示。 图2.3 充放电保护电路示意图 充放电操作是对电池组中所有电池进行的。恒流源和放电电阻的设置视题目要求而
37、定。 智能管理模块 智能管理模块由FPGA实现，具有采样数据的接收、判断、存储、转换、传输和对数据采集模块的控制和地址译码功能。采用FPGA实现使得采样数据能够接收一组判断执行一组，以及接收一组发送到智能电源管理器一组，使得对电池的控制具有较好的实时性。每一组由8个电池电压数据构成，在传输时将这8个数据打包成一个数据帧，反映电池的采样电压值。 智能管理模块内部各个模块的执行受到微控制器的协调而并行执行。该模块能接收到智能管理器转发的指令等其它信息，也能将储存到数据存储器的电池电压发送到智能电源管理器中，进行事后分析，以此实现数据通信。本文的设计重点是智能管理模块，也就是电池管理器，它是电池管理系统的核心。智能管理模块的设计思路会在下一节详细说明。2.2 智能管理模块设计思路 智能管理模块包括通信模块和电池充放电保护模块。智能管理模块的数据输入是A/D采样后的数字信号，智能管理模块的设计是建立在数据采集的基础上，数据采集部分不是本文考虑的重点。2.2.1 CAN总线通信模块