肖林京,岳明臣,李洪宇,常 龍,張玉龍

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)研究

肖林京,岳明臣,李洪宇,常 龍,張玉龍

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

為保證鋰離子蓄電池在使用過(guò)程中的高可靠性，需對(duì)電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該文設(shè)計(jì)一種基于CAN2.0B協(xié)議的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，采用iCoupler磁隔離技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)通信接口的硬件電路設(shè)計(jì)，并對(duì)CAN通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)報(bào)文數(shù)據(jù)格式及擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的分配方法做統(tǒng)一規(guī)定，在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果顯示報(bào)文以60ms為周期在整個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中準(zhǔn)確、不間斷地傳輸，符合鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

CAN總線；鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)；iCoupler磁隔離

0 引 言

能源短缺與環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，使得以傳統(tǒng)能源作為動(dòng)力源的設(shè)備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。相比鉛酸、鎳氫電池，鋰離子蓄電池是目前理想的新一代綠色能源，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[1]。在已投入市場(chǎng)的蓄電池電機(jī)車中，很少有以鋰電池作為動(dòng)力電源，在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，由于受鋰電池技術(shù)水平的制約，鋰電池在電機(jī)車上的應(yīng)用也一直停留在論證階段。隨著近幾年來(lái)大容量鋰離子蓄電池研發(fā)和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的技術(shù)突破，國(guó)內(nèi)外鋰電池電機(jī)車的開(kāi)發(fā)迎來(lái)了新的熱潮[2]。

單體鋰電池性能上的差異以及在使用過(guò)程中對(duì)自身電壓、電流、溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)性的要求，使得通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)成為了鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)中的核心技術(shù)，能夠保證整個(gè)電源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效的運(yùn)行[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，在對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)通信過(guò)程測(cè)試和分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)符合鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

1 CAN網(wǎng)絡(luò)的鋰離子蓄電池電源管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都有嚴(yán)格要求。在該系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信是最基礎(chǔ)的，因此在選擇數(shù)據(jù)總線時(shí)實(shí)時(shí)性以及穩(wěn)定性是首要考慮的因素[4]。CAN總線是一種高性能、高可靠性、易開(kāi)發(fā)和低成本的現(xiàn)場(chǎng)總線，為本通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[5]。本設(shè)計(jì)的通信方案要求數(shù)據(jù)以60ms為周期在通信網(wǎng)絡(luò)回路中不間斷地準(zhǔn)確傳遞，通信速率選為400kb/s，分布距離小于50m。

本文設(shè)計(jì)的鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)中有3類CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信接口，分別是總成控制器CAN通信接口、模塊控制器CAN通信接口以及液晶顯示模塊CAN通信接口，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。液晶顯示模塊主要用來(lái)接收來(lái)自模塊控制器和總成控制器的數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)的顯示功能。模塊控制器主要由電壓采集單元、電流采集單元和溫度測(cè)量單元構(gòu)成，主要完成電壓、電流和溫度信息采集，并將所獲得的數(shù)據(jù)信息通過(guò)CAN總線傳輸給總成控制器和液晶顯示模塊?？偝煽刂破饔筛鞅O(jiān)控單元構(gòu)成，主要完成各種狀態(tài)、故障的監(jiān)視，模塊控制器的控制、調(diào)節(jié)功能?？偝煽刂破鹘?jīng)CAN總線與模塊控制器和液晶顯示模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、管理和控制等功能。

2 CAN通信網(wǎng)絡(luò)硬件電路設(shè)計(jì)

在CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)中，最為重要和核心的是CAN控制器的選取、CAN收發(fā)器的選取以及信號(hào)在傳輸過(guò)程中的隔離技術(shù)[6]。

本文設(shè)計(jì)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列芯片自帶的CAN控制器。該控制器是基于ARM的32位微控制器，其內(nèi)部的CAN接口兼容規(guī)范2.0A和2.0B(主動(dòng))協(xié)議，位速率高達(dá)1Mb/s。它可以接收和發(fā)送11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，也可以接收和發(fā)送29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。具有3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)接收郵箱，3級(jí)14個(gè)可調(diào)節(jié)的濾波器，其用法靈活可靠，能夠滿足系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需要。

將PCA82C250作為CAN收發(fā)器，它是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，與ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。其芯片內(nèi)部具有限流電路，能夠保護(hù)收發(fā)器輸出級(jí)，避免陽(yáng)極和陰極短路。采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，提高對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，有助于抑制惡劣電器環(huán)境下電流的瞬變，使總線具備很強(qiáng)的抗瞬間干擾能力[6]。

傳統(tǒng)的CAN總線隔離采用的是光電耦合器技術(shù),使用光束來(lái)隔離和保護(hù)檢測(cè)電路，但是其不穩(wěn)定的電流傳輸速率、非線性的傳輸函數(shù)、溫度和使用壽命等方面的問(wèn)題都制約著其在更高要求環(huán)境中的應(yīng)用[7]。本文設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)絡(luò)采用的隔離芯片ADuM1201[7]，是基于亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司iCoupler磁隔離技術(shù)的雙通道數(shù)字隔離器，采用了高速CMOS工藝和芯片級(jí)的變壓器技術(shù)來(lái)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路，由于其取消了光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，無(wú)需驅(qū)動(dòng)LED的外部電路，因此其功耗僅為光電耦合器的1/50～1/10，數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)序精度是光電耦合器的10倍。同時(shí)，ADUM1201的電源電壓為2.7～5.5V，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗，并且能夠在一個(gè)芯片內(nèi)提供兩個(gè)高度匹配的方向相反的隔離通道,這樣大大簡(jiǎn)化了硬件連接線路[8]。

圖2給出了CAN總線通信接口硬件設(shè)計(jì)電路。ADuM1201的1、4引腳和5、8引腳之間各自加一個(gè)旁路電容，濾除高頻噪聲和高頻雜波，2、3引腳分別連接STM32F103系列芯片CAN控制器的CAN_RX和CAN_TX引腳。將PCA82C250的RS引腳通過(guò)電阻接地，使其在高速模式下工作。總線末端加上與傳輸電纜特性阻抗接近的120Ω終端匹配電阻,消除信號(hào)反射，提高通信網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力[9]。CANH和CANL直接與CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)相連。

3 CAN通信網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議的設(shè)定

現(xiàn)有的CAN2.0B協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況自己開(kāi)發(fā)應(yīng)用層程序[10]。

本文設(shè)計(jì)的整個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用帶有擴(kuò)展成29位ID標(biāo)識(shí)符的高級(jí)形式的PeliCAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且對(duì)這29位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符做了如表1所示的編碼分配，這種編碼分配方法給出了目標(biāo)設(shè)備編號(hào)、目標(biāo)設(shè)備類型、報(bào)文CID號(hào)、源標(biāo)設(shè)備編號(hào)和源標(biāo)設(shè)備類型等信息，保留的10個(gè)位的編碼，能夠增加CAN通信網(wǎng)絡(luò)的通用性和可擴(kuò)展性。

總線上各節(jié)點(diǎn)的編碼規(guī)則如表2所示，表中編碼數(shù)值越小，說(shuō)明與之對(duì)應(yīng)的設(shè)備優(yōu)先級(jí)越高。

設(shè)備編號(hào)從0000～1111，共16個(gè)編號(hào)，單一的目標(biāo)設(shè)備類型和目標(biāo)設(shè)備編號(hào)組成唯一的報(bào)文去向，單一的源標(biāo)設(shè)備類型和源標(biāo)設(shè)備編號(hào)組成唯一的報(bào)文來(lái)源。將目標(biāo)設(shè)備類型和目標(biāo)設(shè)備編號(hào)的組合作為此條報(bào)文優(yōu)先級(jí)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，以目標(biāo)設(shè)備類型編碼為高3位、以目標(biāo)設(shè)備編號(hào)為低4位，二者組成的數(shù)值代表了此條報(bào)文的優(yōu)先級(jí)數(shù)值，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越小表示此條報(bào)文的優(yōu)先級(jí)越高。確定的29位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符明確了此條報(bào)文的來(lái)源、去處以及優(yōu)先級(jí)等信息。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

CAN通信網(wǎng)絡(luò)接口的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN控制器的初始化設(shè)置、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收3個(gè)部分。程序主流程圖如圖3所示。

CAN控制器的初始化是整個(gè)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作的前提[11]，它的配置包括CAN控制器工作方式的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置、過(guò)濾器的選擇、過(guò)濾器工作方式的選擇、過(guò)濾器標(biāo)識(shí)符的設(shè)置、報(bào)文接收郵箱的設(shè)置以及各種錯(cuò)誤中斷使能的設(shè)置，由于ST公司有自己的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，因此只需調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的CAN_DeInit（），CAN_StructInit（），CAN_Init（），CAN_FilterInit（）和CAN_ITConfig（）這5個(gè)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32F103系列單片機(jī)CAN控制器的初始化配置。

CAN報(bào)文在發(fā)送時(shí)，需先將編碼分配后的29位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符填入報(bào)文的仲裁場(chǎng)，并將8字節(jié)的數(shù)據(jù)信息填入數(shù)據(jù)場(chǎng)中，數(shù)據(jù)場(chǎng)格式如表3所示，通過(guò)發(fā)送函數(shù)發(fā)送給CAN網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)。而對(duì)于CAN報(bào)文的接收，首先每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)29位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的解碼分析，由過(guò)濾器過(guò)濾出有效的報(bào)文，然后通過(guò)接收函數(shù)將整條的有效報(bào)文存放在接收郵箱里，并對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取解析,得到有效信息。圖4為CAN發(fā)送和接收程序的流程圖。

4 CAN總線通信驗(yàn)證

對(duì)上述的CAN總線通信方案進(jìn)行驗(yàn)證。將此CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于4個(gè)由78塊串聯(lián)鋰離子蓄電池組成的模塊并聯(lián)、額定電壓為250V的單軌吊動(dòng)力電源管理系統(tǒng)中。

為模塊控制器、總成控制器和液晶顯示器分別編寫了CAN通信程序，用C#語(yǔ)言編寫了用于監(jiān)測(cè)CAN通信的上位機(jī)顯示界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的報(bào)文如圖5所示，1所示的部分為CAN原始數(shù)據(jù)的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，以擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符為 0X4AA2400為例 （二進(jìn)制為00100101010100010010000000000），則表示這是一條由總成控制器1發(fā)送給模塊控制器2的CID編號(hào)為21的報(bào)文，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)是34。2所示的部分為CAN原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，解碼后的數(shù)據(jù)信息顯示在2.8寸液晶顯示屏上。

5 結(jié)束語(yǔ)

以鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)中各功能節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于iCoupler磁隔離技術(shù)的硬件電路，編寫了基于CAN擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符分配方法的軟件程序。對(duì)此CAN通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示：報(bào)文以60ms為周期在整個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中無(wú)錯(cuò)誤不間斷地傳輸。證明基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能夠快速、準(zhǔn)確地完成不同節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，滿足鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

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Research of communication network for lithium ion battery management system based on CAN bus

XIAO Lin-jing，YUE Ming-chen，LI Hong-yu，CHANG Long，ZHANG Yu-long
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

In order to satisfy the request of high reliability in using lithium ion battery，monitoring voltage，current and temperature of batteries in real time is necessary.A communication network based on the protocols of CAN2.0B in lithium ion battery management system was designed.With the technology of iCoupler magnetic isolation，the hardware circuit of communication network interface was designed.And also，based on the uniform data format and distribution method of extended identifier in communication network，the software was designed.The authors tested the CAN bus communication network on site.The results are that messages for 60 ms-cycle transmit uninterruptedly and accurately in the communication network.The test results show that the design of the communication network based on the CAN bus can meet the request of high real-time and reliability in lithium ion battery management system.

CAN bus；lithium ion battery management system；communication network；iCoupler magnetic isolation

TP336；TM912.9；TM919.2；TP311.56

：A

：1674-5124（2014）04-0006-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.002

2013-12-03；

：2014-02-16

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012GSF11606）

肖林京（1966-），男，山東沂水縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煤礦機(jī)電一體化、煤礦新能源車輛方面的研究。