中心議題：

• 分布式結構的管理係統
• CAN總線係統
• CAN總線的軟件設計
• CAN總線應用問題

解決方案：

• 管理係統主模塊的設計
• CAN總線設計

隨著高科技及其產業的迅速發展，大存儲容量的電池組能源係統已經越來越被人們所重視，在很多領域中都得到廣泛地應用，如在汽車產業發展的新方向
、新熱點——電動汽車及混合動力車的研究及產業化中，將作為車載能源的主要供給者。
　　
蓄電池組是由一定數量的單體電池串聯組成的
，它可以進行百次至千次的充放電；在使用中必須注意其各個單體電池的各種特性、電池溫度、電池的剩餘電量及總電流等參數，因為這些參數直接影響電池的使用壽命，必須做到優化運行和有效監控，防止電池出現過充

、過放及溫度過高等問題

，從而延長電池的使用壽命和降低成本
，特別是提高電池的可靠性。可以把給電池組配套的電子、控製及數字技術稱為數字“電池電子技術”。同樣在汽車的電子、數字技術中，已經使用多個CPU完成各種參數
、功(gong)能(neng)的(de)控(kong)製(zhi)問(wen)題(ti)，考(kao)慮(lv)汽(qi)車(che)的(de)安(an)全(quan)性(xing)
，運(yun)行(xing)必(bi)須(xu)十(shi)分(fen)可(ke)靠(kao)

，於(yu)是(shi)發(fa)展(zhan)了(le)並(bing)聯(lian)的(de)獨(du)立(li)多(duo)個(ge)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)，再(zai)由(you)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)聯(lian)接(jie)，組(zu)成(cheng)統(tong)一(yi)的(de)大(da)係(xi)統(tong)。

分布式結構的管理係統

1係統結構
　　
係統要實現不同類型的多種功能，集中的或中央處理方式無法滿足安全性要求
，自然要采用分布式結構

；係統的工作環境惡劣
，常處於強電磁幹擾及脈衝電流的幹擾下
，為了確保可靠性，考慮采用和發展了高性能CAN現場總線作為通訊係統；而且CAN總zong線xian在zai汽qi車che上shang已yi使shi用yong很hen久jiu
，具ju有you很hen強qiang的de抗kang幹gan擾rao性xing，同tong時shi該gai技ji術shu比bi較jiao成cheng熟shu，已yi成cheng為wei汽qi車che使shi用yong通tong訊xun的de標biao準zhun。因yin此ci
，在zai係xi統tong的de內nei部bu通tong訊xun以yi及ji跟gen外wai部bu通tong訊xun都dou采cai用yongCAN總線來實現。
　　
本分布係統是以CPU80C552為公用模塊平台來設計的，由於CPU存儲空間及運算的有限性，必須采用多CPU來分別實現管理係統所需的各種功能。完成的基本係統由四個模塊並行組成：數據采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示
；各個模塊分別實現其功能，通過CAN總線進行數據通訊，能夠實現單電池電壓
、總電壓、充放電電流、溫wen度du的de采cai集ji和he測ce量liang，電dian量liang估gu算suan。同tong時shi
，係xi統tong還hai具ju有you很hen強qiang的de擴kuo展zhan性xing，可ke以yi進jin行xing具ju體ti的de電dian池chi診zhen斷duan和he電dian池chi安an全quan性xing能neng保bao護hu等deng功gong能neng的de研yan究jiu和he開kai發fa。在zai鋰li電dian池chi的de管guan理li係xi統tong中zhong，108隻電池采用9塊測量主板
，再加上4塊基本板，共計13塊板。


圖1電池管理係總體結構圖
　　
2管理係統主模塊的設計
　　
係統的主要功能包括數據采集、電量估計及顯示診斷等。由於80C552具有8路10位A/D轉換的功能，因此，采集模塊先采用線性光耦法測量單電池的電壓，通過其4個A/D口將模擬量轉換為數字量存入存儲器，溫度測量采用單總線技術，使用Dallas數字芯片來測量溫度，該芯片具有12位的精度等級，能非常準確地測量到係統的溫度。總電壓、電流信號通過特殊的傳感器將其信號轉換為0～10V的信號，通過14位的A/D轉換器件轉換為數字量存入係統。
　　
通訊及顯示模塊提供了雙CAN通訊接口
，能夠與係統內各個模塊及外部整車係統通過CAN進行數據傳輸；同時係統提供RS232接口，能夠實現與PC機通訊；模塊還提供5口寸半液晶顯示驅動功能，和按鍵進行人機友好操作；模塊還設有電壓
、電量
、電流及溫度的上下限報警及自檢功能，保證係統的安全性。
　　
各個係統模塊的基本結構框圖如圖2所示。


圖2模塊結構框圖
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3電量估算
　　
電量估算采用實時電流積分的安時法進行基本估算
，然後通過對影響電池電量的溫度

、自放電及老化等各種參數進行修正，並考慮單塊電池間的不一致性，從而得到精確的電池組電量。


圖3電池電量估算框圖
　　
CAN總線係統
　　
1CAN簡介
　　
CAN總線是現場總線的一種,是德國Bosch公司在1986年為解決現代汽車中眾多的控製與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行高速數據通信總線。它采用了ISO/OSI模型的七層結構中的物理層和數據鏈路層,具有較高的可靠性、實時性和靈活性。
　　
CAN總線具有以下獨特的優點：
　　
1）CAN能以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活；
　　
2）CAN可以實現點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送和接受數據，通信介質采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，通信距離最遠可達10km/5kb/s
，通信速率最高可達1Mb/s/40m。CAN上節點數取決於總線驅動電路，實際可達110個
；
　　
3）CAN節點在錯誤嚴重的情況下

，具有自動關閉輸出的功能，切斷它與總線的聯係
，以使總線上其它操作不受影響。采用NRZ編碼/解碼方式
，並采用位填充技術。用戶接口簡單,編程方便,很容易構成用戶係統；
　　
4）CAN采cai用yong非fei破po壞huai性xing仲zhong裁cai技ji術shu
，當dang兩liang個ge節jie點dian同tong時shi向xiang網wang絡luo上shang傳chuan送song信xin息xi時shi
，優you先xian級ji低di的de節jie點dian主zhu動dong停ting止zhi數shu據ju發fa送song
，而er優you先xian級ji高gao的de節jie點dian可ke不bu受shou影ying響xiang地di繼ji續xu傳chuan輸shu數shu據ju,有效避免了總線衝突。
　　
5）CAN采用短幀結構，每一幀為8bite
，傳輸時間短，受幹擾的概率低，每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據的出錯率極低。

2CAN總線設計
　　
CAN總線總體結構如圖4所示，在總線的兩端配置了兩個120Ω的電阻，其作用是總線匹配阻抗
，可以增加總線傳輸的穩定性和抗幹擾能力，減少數據傳輸中的出錯率。CAN總線節點結構一般分為兩類：一類采用CAN適配卡與PC機相連
，實現上位機與CAN總線的通訊
；另一類則是由單片機、CAN控製器及CAN驅動器構成，作為一類節點與CAN總線進行數據傳輸。在本係統中，CAN控製器采用Philips公司生產的SJA1000和82C200，它作為一個發送
、接受緩衝器，實現主控製器和總線之間的數據傳輸；CAN收發器采用PCA82C250芯片，它是CAN控製器和物理總線的接口
，主要可以提供對總線的差動發送能力和對CAN控製器的差動接受能力。


圖4CAN總線係統結構圖
　　
CAN總線的軟件設計
　　
CAN總線的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。其中物理層和數據鏈路層的功能由SJA1000完成，係統的開發主要在應用層軟件的設計上，它主要由三個子程序：初始化子程序
、發送數據和接收數據程序。同時，還包括一些數據溢出中斷以及幀出錯的處理。
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SJA1000在上電硬件複位之後，必須對其進行軟件初始化之後才可以進行數據通訊，初始化過程主要包括對其複位模式下配置時鍾分頻寄存器CDR


、總線定時寄存器BTR0和BTR1
、驗收代碼寄存器ACR
、驗收屏蔽寄存器AMR及輸出控製寄存器OCR等，實現對總線的速率
、驗收屏蔽碼、輸出引腳驅動方式、總線模式及時鍾分頻進行定義。具體的流程如圖5所示。下麵為SJA1000發送和接收數據的流程

，基本過程為主控製器將數據保存到SJA1000發送緩衝器，然後對命令寄存器的發送請求TR標誌位進行置位開始發送
；接收過程為SJA1000將jiang從cong總zong線xian上shang接jie收shou到dao的de數shu據ju存cun入ru接jie收shou緩huan衝chong器qi
，通tong過guo其qi中zhong斷duan標biao誌zhi位wei通tong知zhi主zhu控kong製zhi器qi來lai處chu理li接jie收shou到dao的de信xin息xi，接jie收shou完wan畢bi之zhi後hou清qing空kong緩huan衝chong器qi，等deng待dai下xia次ci接jie收shou，具ju體ti的de流liu程cheng如ru圖tu6和圖7所示。


圖5CAN總線初始化


圖6CAN的發送數據流程


圖7CAN接收數據的流程
　　
例如：電池管理係統向整車係統發送總電壓的格式，見表1所列。

表1BCU_VCU_VOLTAGE(0x08)向VCU送回電池組當前的電壓


其中，ID為接收節點總線的地址，電壓值先乘10取整再發送，0x08表示發送幀的內容為電池組的電壓。
　　
CAN總線應用問題
　　
在硬件方麵必須考慮合理的供電，注意對各個CAN器件的電源、地之間的濾波，以及複位電路的設計
；同時在實際進行印刷電路板的設計時，合理布線，要加強地線，增強係統的抗幹擾性。
　　
在軟件設計時
，CAN總線定時器的設置非常關鍵，BTR0決定傳播時間段、相位緩衝段1和相位緩衝段2；BTR1決定同步跳轉寬度和分頻值。在位定時寄存器中，TSEG1，TSEG2，SJW和BRP設定的值要比其功能值小1，因此設定範圍是[0.....N－1]而不是[1.....N]。所以位時間可以由[TSEG1＋TSEG2＋3]tq或者[同步段＋傳播段＋相位緩衝段1＋相位緩衝段2]tq得到
，其中，tq由係統時鍾tSCL和波特率預分頻值BRP決定：tq=BRP/tSCL。

同時，還要注意由於不同節點的CAN係統時鍾是由不同振蕩器提供的，每個節點的實際CAN係統時鍾頻率與實際位時有一容差
，環境溫度的變化和振蕩器老化影響起始容差
，為確保準確地進行數據傳輸，必須保證每個節點對CAN係xi統tong時shi鍾zhong頻pin率lv都dou在zai特te定ding的de頻pin率lv容rong差cha限xian值zhi以yi內nei
，因yin此ci，在zai選xuan擇ze振zhen蕩dang器qi時shi要yao以yi對dui振zhen蕩dang器qi容rong差cha範fan圍wei要yao求qiu最zui高gao的de節jie點dian為wei準zhun。而er且qie，在zai一yi個ge可ke以yi擴kuo展zhan的de總zong線xian結jie構gou中zhong
，最zui大da節jie點dian延yan遲chi和he總zong線xian最zui大da長chang度du必bi須xu考kao慮lv，一yi般ban情qing況kuang下xia
，延yan遲chi為wei5.5ns/m。
　　
在實際運行中，經常會遇到CANzongxianbutonghuozhezongxianturanguanbixianxiang，qizhuyaoyuanyinshiyouyuzaishujuchuanshuguochengzhongchuxiandiuzhenxianxiang，congeryinqichucuo，dangcuowujishuqidadaoyidingshihuizidongguanbizongxian，yinci
，bixuzairuanjianshejideguochengzhong，jishiduiqicuowuzhuangtaiES位進行判別，在出現錯誤時需對SJA1000進行軟件複位
，恢複通訊。
　　
在“863重大專項”電動汽車的電池管理模塊的研製中，就是采用CAN總線通訊的分布式結構。通過對鎳氫電池組、鋰電池組的台架試驗結果表明了係統結構的先進性，實現了各模塊的獨自功能，工作正常可靠

，鋰電池組係統的CAN總線的節點數增加到12
，在強電磁幹擾下
，仍能正常工作
，而且線路連接十分簡單
、實用。
　　
兩種電池組的參數、測量方法、電池個數、安全要求都不相同，分組也不一樣，但係統均能有效地適應，反映出其具有良好的適應性和較大的靈活性。