包 敏

BO Min

（長沙市電子工業(yè)學校，長沙 410008）

0 引言

電動汽車引領著汽車技術的發(fā)展方向，具有低排放甚至零排放、熱輻射低、噪音低且環(huán)境友好等特點，是節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具，具有廣闊的發(fā)展前景[1]。在產(chǎn)業(yè)過程中，蓄電池及其管理系統(tǒng)作為主要的動力源部件是其中最為重要的一個環(huán)節(jié)。電池管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測電池參數(shù)并估計其荷電狀態(tài)（SOC），為駕駛員提供剩余電量、續(xù)駛里程等信息；能防止電池過充、過放、過壓、過流、過高溫，其優(yōu)劣直接決定著動力電池組的使用壽命，一個合適的電池管理系統(tǒng)能夠在充分發(fā)揮電池優(yōu)越性能的同時，給予電池最佳的保護，保證電池性能，延長電池壽命，降低電動汽車運行成本[2]。本文給出了一種基于CAN總線的電動汽車電池管理系統(tǒng)的軟件設計。

1 電動汽車電池管理系統(tǒng)的功能

電池管理系統(tǒng)的主要原理可歸納為[1]：數(shù)據(jù)采集電路采集電池的相關重要數(shù)據(jù)，如：母線電壓，電流，溫度等，再發(fā)送給中央控制單元進行分析和處理，由系統(tǒng)內(nèi)的控制 模塊發(fā)出控制指令，記錄實時數(shù)據(jù)，對應的執(zhí)行單元作出動作，進行調(diào)控?，F(xiàn)在主流的電池管理系統(tǒng)一般是采用分布式結構，包含以下的主要功能部分：數(shù)據(jù)采集、剩余電量（SOC）估計、控制部分、安全管理和數(shù)據(jù)通訊[3]。

1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)中最重要和最基本的功能，SOC估計，控制執(zhí)行，安全管理等等都是以采集到的數(shù)據(jù)為依據(jù)的。

2）剩余電量（SOC）估計。電池管理系統(tǒng)的一個核心就是電池剩余電量的估計?，F(xiàn)有的SOC估計方法有安時計量法、開路電壓法與電動勢法、內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡、卡爾曼濾波法、模糊預測法等[4,5]。

3）控制部分?？刂撇糠忠獙崿F(xiàn)的功能有：控制充電過程等。

4）安全管理。安全管理包括了熱管理，單體電池壓力檢測等等。

5）數(shù)據(jù)通訊。在現(xiàn)有的電池管理通信方式中主要還是采用CAN總線通信方式。

2 電池管理軟件系統(tǒng)設計

2.1 軟件系統(tǒng)總體流程圖

電池管理系統(tǒng)的主要功能是檢測電池包的電流、電壓、過電流、漏電流、溫度等數(shù)據(jù)，同時在運行過程中估計電池的剩余容量并做出各種錯誤報警。如圖1所示為系統(tǒng)的主程序流程圖：

各子模塊測量所在電池包的單體電壓和溫度，將數(shù)據(jù)通過CAN總線報送母控制器，母模塊完成電壓、電流、過電流、漏電流等數(shù)據(jù)測量，同時控制熱管理風機的啟停，將重要數(shù)據(jù)信息整車通過CAN總線報送至整車控制器。

2.2 溫度測量軟件設計

這里的溫度傳感器DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。函數(shù)說明，本程序多個功能函數(shù)，分別是：

1）端口初始化函數(shù),設置各端口的初始工作狀態(tài)。

2）串口通信相關函數(shù)：

圖1 系統(tǒng)軟件流程圖

3）DS18B20操作相關函數(shù)：

如表1所示是利用“匹配ROM”指令實現(xiàn)對指定DS18B20的操作。先對DS18B20進行復位初始化操作，然后發(fā)送“匹配ROM”指令，緊跟著就要發(fā)送指定DS18B20的ROM序列號，DS18B20對ROM序列號進行比較，如果與自己的相同，則執(zhí)行下面的指令，如果不同，則不再執(zhí)行后面指令。

在程序中本文對指定DS18B20操作的步驟是：

1）復位；

2）發(fā)送跳過ROM指令；

3）發(fā)送溫度轉換命令；

4）延時1S，等待DS18B20完成溫度采集；

5）復位；

6）發(fā)送“匹配ROM”指令；

7）發(fā)送指定ROM的64位序列號；

8）發(fā)送讀內(nèi)部RAM命令；

9）將采集到的溫度值進行處理；

表1 對指定DS18B20進行操作的控制流程

10）延時4S，然后跳到步驟1），重復步驟1)-8),完成下一次溫度測量。

2.3 電流、電壓測量軟件設計

數(shù)據(jù)采集程序使用定時器中斷，周期為30ms，每采集一次數(shù)據(jù)計算變量加一，采集對象為電流和，電壓，數(shù)據(jù)采集控制程序將采集到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在下一個采集周期結束后，有主程序處理數(shù)據(jù)。如圖2所示為數(shù)據(jù)采集流程圖。

圖2 母線電壓、電流采集流程圖

3 CAN通信模塊軟件設計

3.1 通信協(xié)議的制定

系統(tǒng)的每個采集子板周期性采集底層數(shù)據(jù)，并作出處理，然后定時向主板發(fā)送數(shù)據(jù)。工作狀態(tài)可以分為[6]：

1）上電診斷狀態(tài)：系統(tǒng)上電后，完成初始化，發(fā)送網(wǎng)絡初始化信息，同時隨時接收其它節(jié)點的網(wǎng)絡初始化信息。通過網(wǎng)絡初始化信息的交換，主控制器判斷整個網(wǎng)絡是否完成初始化過程，同時啟動命令則進入正常工作狀態(tài)。

2）正常工作狀態(tài)：在正常工作狀態(tài)下，個單元之間通過以CAN總線進行通信，以實現(xiàn)傳感器測量數(shù)據(jù)的共享、控制指令的發(fā)送和接收等。當休眠條件滿足時，控制模塊從正常工作狀態(tài)轉入休眠狀態(tài)；當CAN模塊故障計數(shù)器的計數(shù)值滿足條件后，各模塊從正常工作狀態(tài)轉入總線關閉狀態(tài)。

3）休眠狀態(tài)：該狀態(tài)下，系統(tǒng)處于低功耗模式。一旦接收到喚醒信號或遠程喚醒信號，就從休眠狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài)其間需要使用網(wǎng)絡初始化信息。

4）總線關閉狀態(tài)：關閉狀態(tài)的系統(tǒng)復位CAN模塊，重建連接；如果幾次連接失敗，則轉為看門狗復位，并向主控制器請求重新進入工作狀態(tài)。

5）掉電狀態(tài)：關閉電源時，控制單元所處的狀態(tài)。

CAN控制器有6種工作方式：配置方式、關閉方式、正常工作方式、監(jiān)聽方式、自檢方式和錯誤方式。

3.2 CAN模塊子程序流程圖

CAN模塊通訊部分主要由初始化子程序，報文接收子程序和報文發(fā)送子程序組成，各子程序流程圖如圖3和圖4所示：

圖3 CAN報文收發(fā)流程圖

圖4 CAN通信初始化流程圖

4 結論

本文首先分析了電池管理系統(tǒng)的主要功能，在此基礎上對系統(tǒng)總體流程圖及其各個分塊予以了描述，并描述了CAN通訊的程序設計，CAN通訊還給出了協(xié)議的制定依據(jù)和報文設置。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光,等.現(xiàn)代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社,2002

[2] 陳思忠,林程.電動汽車開發(fā)的關鍵技術及前景[M].北京：北京理工大學,2002

[3] 成濤,王軍平,陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應用[J].電池,2004,34(5)：34-45

[4] 楊朔,何莉萍,鐘志華.電動汽車蓄電池荷電狀態(tài)的卡爾曼濾波估計[J].貴州工業(yè)大學學報(自然科學版),2004,33(1)：99-102

[5] Pritpal Singh, Craig Fennie, Jr David Reisner.Fuzzy Logic Modelling of State-of-charge and Available Capacity of Nickel/metal Hydride Batteries[J].Journal of Power Sources, 2004, 136(2)：123-134

[6] 闕子揚.混合動力汽車電池管理學的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2007,28-33