基于双CAN总线的电动汽车电池管理系统

2008年(第30卷)第9期汽　车　工　程Aut omotive Engineering2008(Vol .30)No .92008176基于双C AN 总线的电动汽车电池管理系统33国家863计划项目(2003AA501630)资助。

原稿收到日期为2007年11月1日,修改稿收到日期为2008年1月22日。

郑敏信,齐铂金,吴红杰(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京　100083)[摘要]　根据所选用的锂离子动力电池组单体只数多、位置分布比较分散的特点,设计了基于双CAN 总线的分布式电池管理系统(B M S ),系统由若干采样模块和一个主控模块组成。

介绍了电池信息采集和双CAN 通信模块的硬件设计、电池荷电状态(S OC )的估算策略以及电池组安全管理策略。

关键词:电动汽车;双CAN 总线;电池管理系统;S OC 估计Battery Manage ment System for Electric Vehicle Based on Dual 2CAN BusZheng M i n x i n ,Q i Boji n &W u Hongji eSchool of M echanical Engineering and A uto m ation,B eihang U niversity,B eijing 100083[Abstract]　According t o the features of L i 2i on power battery pack,i .e .the great nu mber and scattered l o 2cati on of single cells,a distributed battery manage ment syste m (BMS )based on dual 2CAN bus is designed .The BMS consists of a master module with several sa mp ling modules .The hardware design f or the modules of battery in 2for mati on sa mp ling and dual 2CAN communicati on,strategy f or battery state 2of 2charge esti m ati on and the safety man 2age ment strategy f or battery pack are als o p resented .Keywords:electr i c veh i cle;dua l 2CAN bus ;ba ttery manage m en t syste m;st a te 2of 2charge esti m a ti on前言目前应用于电动汽车的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等,一般都是由几十只甚至上百只电池单体串联而成的动力电池组,数目庞大的串联单体电池给其安全管理带来不便,影响其在整车上的应用,为此,现代电动汽车一般都配备电池管理系统来实现对动力电池荷电状态的估计、安全管理以及和整车的通信功能[1]。

电池管理系统(battery manage ment syste m ,BMS )从结构上可分为集中式[2]和分布式[3]两大类,分别适合于不同的电池组结构形式,集中式的电池管理系统适合于单体电池数目不多、结构紧凑的电池组,分布式的电池管理系统适合于单体数目较多、分布比较分散的电池组。

CAN 总线[4]是一种通信速率高、可靠性高的现场总线,在汽车电控装置中应用广泛,使用CAN 总线可减少线束的质量,提高汽车各电控单元之间通信的可靠性。

文中针对所研究的纯电动轿车用锂离子动力电池组的结构特点和功能需求,设计了基于双CAN 总线的分布式电池管理系统,具有电池信息采集、电池荷电状态S OC 估计、电池安全管理以及和整车通信的功能。

1　电池管理系统设计111　系统总体设计该锂离子电池组的额定电压为288V ,额定容量为55A ・h,由80只锂离子电池单体串联而成,其分布结构如图1所示。

电池组分为两个电池箱安装于车身的底部,每个电池箱内又分为两个电池包,其中电池前箱每个2008(Vol .30)No .9郑敏信,等:基于双CAN 总线的电动汽车电池管理系统・789　・图1　动力电池组的分布结构示意图电池包内有22只锂离子电池单体,后箱每个电池包内有18只锂离子电池单体,通过外部线缆和成组接触器构成动力电池组。

由于锂离子电池的特殊的安全性要求,每一只锂离子电池单体的电压都必须实时地被监测到,再加上每个电池包内4个特征温度点的测量,整个电池组将有大量测量点,若采用集中式数据采集与处理系统将会有大量采样线穿越电池箱,给安装、调试带来极大麻烦,同时也存在安全隐患,故采用基于双CAN 总线的分布式电池管理系统,管理系统内部通信通过内部CAN 总线,和整车通信通过外部CAN 总线,系统结构如图2所示。

图2　基于双CAN 总线的B M S 结构图系统由1个主控模块和4个采样模块组成,采样模块安装在电池包内,负责采集相应电池包内的单体电压和温度等电池信息,并把这些电池信息发送到内部CAN 总线上;主控模块安装在电池后箱内,从内部CAN 总线上接受采样模块发出的单体电池的信息,通过电压传感器和电流传感器对电池组的总电压和电流进行监测,根据这些信息对电池的S OC 进行估计并对电池组进行安全管理,同时根据整车的CAN 协议和整车进行CAN 通信,还可以通过RS232接口和PC 机进行连接以便进行电池管理系统的在线调试和电池状态信息的显示。

112　采样系统设计电池管理系统在进行电池S OC 估测和电池安全管理时需要采集电池组的单体电压、温度、总电压和电流等电池信息。

每个电池包内有18只或22只串联的单体电池,电池数目多而且不共地,所以采用了巡检方案,即通过控制继电器阵列使得同时只有一只单体电池的电压被引入AD 采样电路,该方案的原理如图3所示。

图3　单体电压巡检原理图当需要采集某一只单体电池的电压时,控制信号控制相应的继电器吸合,例如需要采集第2支电池B2的电压,这时继电器Relay2和Relay3吸合,同时由于采集的是偶数编号的电池,继电器组Relay_Even 吸合,这样电池B2的电压就出现在V +端和V -端,然后被接入AD 采样电路。

控制信号必须准确可靠地产生控制继电器的信号,否则当控制信号错误或者由于各种原因产生紊乱时,就可能导致电池通过继电器阵列短路,同时为了减少占用微处理器I O 口的数量,使用了可靠性高、抗干扰能力强、可编程I O 引脚数目多、适合于比较复杂的逻辑设计的CP LD (复杂可编程逻辑器件)来产生继电器阵列的控制信号。

微处理器只需要5个I O 口(对于22只单体电池的电池包)就可以通过CP LD 准确可靠地产生控制继电器阵列所需的全部控制信号。

电池包内温度测量采用单总线(12W ire )器件DS18B20,采用单总线器件只需要占用微处理器的1个I O 口就可以连接多个单总线器件,不同的单总线器件通过每个单总线器件内置的唯一I D 来识别。

DS18B20的温度测量范围为-55～125℃,转换精度可以达到010625℃,转换时间小于750m s,使用・790　・汽　车　工　程2008年(第30卷)第9期DS18B20作为温度传感器接口简单,还可以省去用于温度测量的AD 转换环节,微处理器与单总线器件DS18B20的连接如图4所示。

图4　微处理器与DS18B20连接示意图总电压和电流的采样均采用霍尔元件作为传感器,这样可以减小来自大电流直流动力母线上的电磁干扰。

113　双CAN 控制板的设计电池管理系统的主控模块单元要完成总电压和电流的AD 采样、电池信息数据的处理、S OC 估计算法的实现等功能,所以主控芯片选用了高性能的DSP 处理芯片LF2407,同时主控模块还需要具有两个独立的CAN 接口,但该芯片片内只集成了1个CAN 模块,为此外扩了一块CAN 控制器芯片SJA1000。

由于LF2407的地址线和数据线是分开使用的,而SJA1000的地址线和数据线是复用的,因此二者不能直接连接,需要一个中间逻辑接口电路,使用CP LD 来实现这一功能,LF2407与SJA1000的连接如图5所示。

图5　LF2407与SJA1000的连接示意图LF2407的低8位数据线D07～D00连接到SJA1000的数据/地址复用线AD7～AD0,用来传送LF2407访问SJA1000时的地址值和数据值;LF2407高位地址线A15～A13经过CP LD 的译码后用来生成访问SJA1000时的片选信号CS;LF2407的I O 空间选择信号I S 、读写控制信号R /W 以及地址线A15～A13经过CP LD 的逻辑组合后生成用来控制SJA1000的读信号RD 、写信号WR 和地址锁存信号ALE 。

CP LD 实现的逻辑功能如表1所示。

表1　CPLD 实现的逻辑功能表输入信号输出信号A15A14A13I S R /W ALE CS WR RD 说明100001111写“地址”101010010读“数据”111写“数据”从表1可以看出,SJA1000被映射在LF2407的I O 空间0x8000～0x BFFF 地址段内,通过CP LD 实现了对SJA1000读写时序的模拟。

LF2407对SJA1000的读操作和写操作需要两条连续的I O 口操作指令来实现,当LF2407要读SJA1000内部某个地址空间的数据时,先需要通过“写‘地址’”指令把该“地址”的值写到数据总线D07～D00上,紧接着通过“读‘数据’”指令把出现在数据总线D07～D00上的数据读入;当LF2407要给SJA1000内部某个地址空间写数据时,先需要通过“写‘地址’”指令把该“地址”的值写到数据总线D07～D00上,紧接着通过“写‘数据’”指令把“数据”的值写到数据总线D07～D00上。

114　系统的抗干扰设计电动汽车在运行过程中,存在很大的电磁干扰,影响采样的精度和通信的可靠性,所以在电池管理系统的设计中需考虑系统的抗干扰设计,本设计从系统的供电、采样、通信电路以及软件设计等方面都采取了抗干扰的措施。

系统的供电来自整车的12V 电池,为了减小来自12V 电池电源线上的干扰,系统采用DC /DC 给系统内部核心电路供电。

在电池组单体电压的采样电路里,为了防止由于继电器阵列工作紊乱而可能引起的电池短路,在电池的采样引出线和相应的继电器之间串联了限流电阻;在进入AD 通道前通过线性光电隔离器件减小电池电压采样线可能引入的干扰。