陳曉韋，陳 辰，楊開欣

（天津卡達(dá)克數(shù)據(jù)有限公司，天津 300393）

0 引言

汽車工業(yè)的發(fā)展極大地推動了工業(yè)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的提高，然而隨著傳統(tǒng)燃油汽車工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問題，能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重。為了降低燃油車輛產(chǎn)生的溫室氣體CO2等對環(huán)境的危害，減少對不可再生能源的使用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，越來越多的車輛專業(yè)工程師、汽車廠商著手于對新能源汽車的研究并得到國家的大力支持。采用非常規(guī)的車用燃料作為汽車的動力來源是新能源汽車的主要特點(diǎn)之一，新能源汽車的出現(xiàn)，使得汽車產(chǎn)業(yè)朝著電動化、智能化、輕量化和網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展。

純電動汽車(Blade Electric Vehicles，BEV)是新能源汽車中普及范圍較廣的一類新型汽車。純電動汽車采用單一的動力電池作為儲能動力源，通過動力電池向電動機(jī)提供電能，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動汽車行駛。由此可見動力電池是純電動汽車的關(guān)鍵零部件之一。動力電池的性能影響著車輛的整體性能。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡稱BMS）是對動力電池進(jìn)行監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，通過對動力電池電壓、電池電流、電池溫度以及電池剩余電量SOC等參數(shù)采集、計(jì)算，進(jìn)而控制電池的充放電過程，實(shí)現(xiàn)對電池的保護(hù)，提升電池綜合性能的管理系統(tǒng)，是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶[1]，但是現(xiàn)在的大多數(shù)的BMS系統(tǒng)不具備電池遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，電池出廠之后供應(yīng)商不能夠隨時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)。為了保證動力電池供應(yīng)商能夠24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測已經(jīng)出廠的電池狀態(tài)，如電池電壓、電池電流、剩余電量，支持的續(xù)航里程，進(jìn)一步優(yōu)化電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，在電池出現(xiàn)故障時(shí)能夠追蹤產(chǎn)生問題的根源及時(shí)處理電池故障，本文設(shè)計(jì)了一款基于CAN總線的智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用此系統(tǒng)動力電池研究人員可以隨時(shí)了解電池性能，讀取電池參數(shù)，并依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)優(yōu)化整個(gè)動力電池的軟硬件系統(tǒng)，提高動力電池的整體性能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于CAN總線的智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)服務(wù)器和智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端輛部分。智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端通過CAN總線實(shí)現(xiàn)對動力電池的數(shù)據(jù)采集，獲取動力電池的詳細(xì)信息，然后經(jīng)過2G無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)服務(wù)器對電池?cái)?shù)據(jù)保存并進(jìn)一步計(jì)算。電池廠商通過監(jiān)控中心就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電池?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)框架見圖1所示。

圖1 基于CAN總線的智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架圖

基于CAN總線的動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端屬于CAN通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通常硬件工程師設(shè)計(jì)基于CAN總線的通信接口的節(jié)點(diǎn)設(shè)備有兩種方法，一種是使用獨(dú)立的CAN總線控制器芯片，另一種是使用帶有CAN總線控制模塊的嵌入式微控制器。后者使整個(gè)硬件電路的結(jié)構(gòu)更加簡單，調(diào)試更加方便[2]。本文設(shè)計(jì)的智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端內(nèi)的微控制器選擇的是ST公司的STM32，其作為整個(gè)終端的運(yùn)算和控制中心。由于在硬件電路的設(shè)計(jì)中，不同邏輯電平的信號之間是不能直接連接的，要通過電平轉(zhuǎn)換電路，因此CAN總線電平不能直接連接到微控制器STM32的管腳上，為了實(shí)現(xiàn)微控制器STM32和CAN總線通信，降低設(shè)備對CAN總線上其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備的干擾，需要CAN收發(fā)器。智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端和動力電池系統(tǒng)連接圖見圖2。智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端除了CAN收發(fā)電路模塊外還有電源控制模塊，2G無線傳輸模塊，電源監(jiān)測模塊等，見圖3智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端和電池系統(tǒng)連接圖

圖3 智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

基于CAN總線的智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端是典型的嵌入式設(shè)備之一，包括硬件電路和軟件固件兩個(gè)部分，硬件電路部分有電源轉(zhuǎn)換，2G電路，GPS電路等，軟件固件是整個(gè)硬件電路的邏輯控制，如根據(jù)SOC，計(jì)算每日行里程的電耗量等。

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路部分

電源是智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端主要模塊之一，好的電源設(shè)計(jì)可以提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體性能。電源模塊部分除了給系統(tǒng)提供所需的穩(wěn)定的電壓電流外，還應(yīng)該具有保護(hù)系統(tǒng)的功能，如過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、防浪涌保護(hù)，防反接保護(hù)等。為了保障數(shù)據(jù)采集終端在動力電池出現(xiàn)異常之后能夠繼續(xù)工作，上報(bào)動力電池?cái)?shù)據(jù)，因此在終端上添加備用電池。備用電池和主電源之間能夠無縫切換。當(dāng)主電源提供的電源在系統(tǒng)工作電源范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過主電源供電，并且主電源給備用電池充電。當(dāng)主電源出現(xiàn)故障之后備用電池為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電，這樣實(shí)現(xiàn)了對管理電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控，電源轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖見圖4。

2.2 CAN收發(fā)電路部分

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖

CAN通訊遵循ISO/OSI參考模型，分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層和物理層。根據(jù)ISO88002-2和ISO8802-3，數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)一步細(xì)分為邏輯鏈路控制（LLC）和介質(zhì)訪問控制（MAC）；物理層進(jìn)一步細(xì)分為物理信令（PLS，位編碼、定時(shí)、同步），物理介質(zhì)附件（PMA，驅(qū)動器/接收器特性）和介質(zhì)附屬接口（MDI，連接器）[3]。數(shù)據(jù)鏈路層和物理信令層之間的鏈接是通過CAN控制器實(shí)現(xiàn)的。物理介質(zhì)附件是協(xié)議控制器和物理線路之間的接口。智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端使用的微控制器是ST公司的STM32F105RC，此芯片有兩路CAN接口，兩路ADC，256KB的Flash。使用STM32F105RC的CAN接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信需要外界CAN收發(fā)器，選擇的是恩智浦公司生產(chǎn)的TJA1043。TJA1043是一款車規(guī)級別的CAN收發(fā)器，完全符合ISO 11898-2：2016和SAE J2284-1標(biāo)準(zhǔn)，具有遠(yuǎn)程喚醒和本地喚醒、故障檢測等功能，是遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的理想選擇之一，CAN收發(fā)電路見圖5。

圖5 CAN收發(fā)電路

2.3 2G和GPS電路

智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)目的是實(shí)現(xiàn)對動力電池的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此數(shù)據(jù)傳輸必須使用無線傳輸模式，系統(tǒng)要具有GPS定位功能。在系統(tǒng)中使用SIM800C作為2G無線傳輸模塊，將采集到的電池?cái)?shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。GPS定位模塊使用ATGM336H，此模塊具有較高的靈敏度，不僅支持BDS/GPS/GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位，還支持任意組合的多系統(tǒng)聯(lián)合定位，安全，可靠穩(wěn)定，適合做車載設(shè)備的定位與導(dǎo)航模塊。2G無線傳輸模塊和GPS定位模塊與主控制器的連接框圖見圖6。

圖62 G、GPS和MCU連接框圖

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議棧的客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式，用C++語言編程實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)的主要任務(wù)是對終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理，存儲。電池廠商通過監(jiān)控中心能夠?qū)崿F(xiàn)對電池?cái)?shù)據(jù)的回放等，為電池管理BMS優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)框圖見圖7，動力電池監(jiān)控中心監(jiān)控界面見圖8。純電動汽車GPS信息主要包括車輛的實(shí)時(shí)位置信息、經(jīng)緯度、海拔高度、行駛方向等。通過此信息可以對車輛的行駛軌跡進(jìn)行回訪。純電動汽車電池信息主要包括電池總電壓、電池總電流、單體電壓、電池故障、剩余電量等信息，這部分信息為研究人員提供了科學(xué)依據(jù)，有利于電池管理系統(tǒng)性能優(yōu)化。數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和查詢功能。

圖7 智能動力電池遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 動力電池監(jiān)控中心監(jiān)控界面

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性，在前期調(diào)試完成的基礎(chǔ)上外接實(shí)車帝豪EV450進(jìn)行測試，測試時(shí)，通過CAN線接口連接車輛OBD診斷接口讀取動力電池信息，并在監(jiān)控中心觀察電池基本信息。整個(gè)測試系統(tǒng)圖如圖9所示。在車輛進(jìn)行高溫放電實(shí)驗(yàn)過程中，通過選取一段時(shí)間內(nèi)的動力電池總電壓，總電流，得到這段時(shí)間內(nèi)的對應(yīng)數(shù)據(jù)的歷史曲線如圖10所示。經(jīng)過測試，此系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)完整，適合對動力電池的監(jiān)測。

圖9 動力電池測試系統(tǒng)圖

圖10 動力電池電壓/電流曲線圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于CAN總線的智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，包括智能動力電池?cái)?shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)控中心三部分實(shí)現(xiàn)了對動力電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為提升電池管理系統(tǒng)BMS的性能提供了科學(xué)依據(jù)，為車輛的安全行駛提供了基礎(chǔ)保障。通過實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)安全可靠，有廣闊的應(yīng)用前景。