王海龍，左付山，楊 柳，張 營

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

0 引言

插電式混合動力汽車(PHEV)具有動力輸出方式復(fù)雜、電池充放電狀態(tài)多樣以及電池容量大等特點，這些特點使得PHEV在使用過程中電池的安全性能需求更高，使用壽命需要更長，因此對于動力電池的運行性能進行實時的評價診斷很有必要[1]。CAN總線是一種具有高性能和可靠性的串行通信協(xié)議[2]，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶等[3]?；趧恿﹄姵赝ㄐ鸥甙踩浴⒏呖煽啃?、抗干擾能力強、實時性好、容錯性高等要求，CAN總線的數(shù)據(jù)通信性能好，成為首選的通信方式。同時，在對動力電池進行運行性能評價時，電池參數(shù)的采集與獲取是第一步也是最重要的一步。然而，由于一般的PHEV中電池的各項參數(shù)數(shù)據(jù)是保密的，為了獲取診斷參數(shù)進行后期的故障診斷，本文以一款PHEV的三元鋰電池為研究對象，以提高電池使用過程中的安全性和可靠性為目標(biāo)，基于CAN總線通信方式，進行了動力電池數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)。

1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

PHEV的動力電池監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)[4-5]主要由電池數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信控制模塊2部分組成。硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖[6]如圖1所示。本文選擇MC9S08DZ60作為電池監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片，以DS2438作為電池采集模塊的監(jiān)測芯片，MC9S08DZ60主控芯片與DS2438監(jiān)測芯片之間采用CAN總線的通信方式。DS2438監(jiān)測芯片可以對電池數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的信息通過單總線傳遞給主控芯片；主控芯片可先將相應(yīng)的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲并做出基礎(chǔ)的處理，然后通過CAN控制器和收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸至CAN總線，并通過USBCAN分析儀傳遞給上位機，上位機可以顯示電池的數(shù)據(jù)以及利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行檢測診斷。

圖1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用集成型數(shù)據(jù)采集方案[7]，選用智能電池監(jiān)測芯片DS2438對于電池的電壓、電流、溫度、電阻等狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并將這些信息傳遞給主控芯片。DS2438監(jiān)測芯片具有體積小、檢測準確等優(yōu)點。監(jiān)測的電池模組共有8組，以1個電池模組作為1個監(jiān)測單元，配置1個監(jiān)測芯片。為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的精確度以及簡化采集電路，該監(jiān)測方案需要將采集芯片安置在每個電池模組上。圖2為采集模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 采集模塊結(jié)構(gòu)圖

由于電池模組電壓與電池總電流超過了DS2438芯片的監(jiān)測范圍，所以電壓與電流的采集分別通過分壓電路和電流傳感器再與監(jiān)測芯片管腳進行連接；當(dāng)監(jiān)測芯片接收到轉(zhuǎn)換命令后，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器會將電壓和電流A/D轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)電池的電壓與電流數(shù)據(jù)采集。DS2438芯片還可實現(xiàn)溫度的直接測量，其內(nèi)部具有集成的溫度傳感器，因此需要將芯片緊貼在被測電池模組上。與電壓、電流采集一樣，溫度采集并不是自動采集，因此需要先由控制器發(fā)出控制命令后才能采集，并將采集后的溫度信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再通過溫度寄存器輸出。絕緣電阻的檢測方法是通過測量電壓值與電流值來間接求得絕緣電阻值，其測量電路圖[8]如圖3所示。

圖3 電池絕緣阻值測量方式

1.2 數(shù)據(jù)通信模塊

飛思卡爾單片機MC9S08DZ60[9]主控芯片具有性價比高、功耗低、性能強大等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車控制和工業(yè)控制。選擇該芯片的最大優(yōu)勢在于其內(nèi)部具有MSCAN控制器，這就使得CAN控制器的設(shè)置和控制工作更加簡化，省去了選用單獨CAN控制器的工作以及設(shè)計相應(yīng)的電路[10-11]。

MSCAN作為系統(tǒng)CAN控制器,內(nèi)置于芯片MC9S08DZ60中，其主要功能是初始化、報文的發(fā)送與接收，內(nèi)部由配置寄存器、報文濾波與緩沖、接收/發(fā)送引擎、低通濾波器等組成。該芯片具有支持CAN2.0A/B協(xié)議、可實現(xiàn)單獨信令傳輸與中斷等特點。當(dāng)主控芯片對CAN總線控制器進行配置時，可以通過設(shè)置MSCAN各寄存器來實現(xiàn)。

本文選用CTM1050T CAN收發(fā)器[12-13]作為CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，可實現(xiàn)報文的收發(fā)以及差分電平信號與邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換。選擇該芯片的優(yōu)勢在于其自帶隔離功能，省去了外部隔離電路設(shè)計，同時具有接口簡單、通信速率高、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點。CAN收發(fā)器與控制器連接電路圖如圖4所示。

圖4 CAN收發(fā)器與控制器連接電路圖

由于CAN總線與上位機并不能直接通訊，因此需要配置相應(yīng)的CAN總線適配器，本文選用了基于USB接口的CAN總線分析儀[14]。其實物圖如圖5所示。該分析儀可使用USB2.0接口與上位機直接連接，并支持CAN2.0協(xié)議及雙向傳輸，連接簡單方便，通信穩(wěn)定可靠，最高傳輸速率可以達到1 Mbit/s。通過上位機自編程，USBCAN分析儀可以實現(xiàn)CAN總線與上位機的數(shù)據(jù)通信[15]，傳輸速率的調(diào)整以及收發(fā)模式的選擇，從而達到動力電池狀態(tài)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測與后期檢測診斷的目的。

圖5 CAN分析儀實物外觀圖

2 CAN通信協(xié)議設(shè)計

由CAN通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可知，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)被ISO的標(biāo)準所規(guī)定并且被硬件驅(qū)動控制[16]。然而，為了便于使用者根據(jù)自己的需求設(shè)計適合自己的通訊協(xié)議，其應(yīng)用層并沒有規(guī)定具體的格式與內(nèi)容。因此，根據(jù)不同的對象及通訊要求需要使用者自己定義和編寫通訊內(nèi)容?；诒疚耐ㄓ嵉奶攸c，采用了數(shù)據(jù)幀中具有11位ID號的標(biāo)準幀格式，在CAN2.0B應(yīng)用層通信協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計了適用于本文監(jiān)測系統(tǒng)的CAN通訊協(xié)議。

2.1 通訊信息的確定

CAN總線通信傳輸?shù)男畔⑹怯刹杉K采集的電池狀態(tài)信息，主要包括2部分：一是電池整體狀態(tài)信息，包括電池組的總電壓、總電流、電池溫度、絕緣電阻；二是電池模組狀態(tài)信息，包括每個模組的電壓、溫度。

2.2 幀結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)CAN2.0B標(biāo)準幀[17]中應(yīng)用層的規(guī)定，結(jié)合本文監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸消息種類和數(shù)量不多的特點,為了提升通訊傳輸速率，采用了字節(jié)較少的標(biāo)準幀格式,設(shè)計了適合本文監(jiān)測系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 本文幀結(jié)構(gòu)

由表(1)可知，標(biāo)準幀字節(jié)1～3為信息段，字節(jié)4～11為數(shù)據(jù)段，每個字節(jié)為8位。其中，第1個字節(jié)是幀信息，包含幀格式、數(shù)據(jù)長度等信息；第2～3個字節(jié)為仲裁段，其前11位為標(biāo)識符，包含數(shù)據(jù)的屬性和位置信息，還剩下5位可以保留備用。報文結(jié)構(gòu)中4～11字節(jié)共含有8個字節(jié)，可用來存儲需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

2.3 ID分配

根據(jù)CAN2.0B協(xié)議和本文系統(tǒng)傳輸需求，需要將11位標(biāo)準標(biāo)識符分別定義為數(shù)據(jù)與位置屬性2部分。根據(jù)數(shù)據(jù)屬性與位置屬性，便可以確定每個報文傳輸?shù)氖请姵啬膫€位置的什么類型數(shù)據(jù)。其ID分配格式如表2所示。

表2 11位標(biāo)準標(biāo)識符ID分配格式

11位標(biāo)識符中前5位定義為數(shù)據(jù)屬性，主要是辨識傳遞數(shù)據(jù)內(nèi)容，主要分為電池總體狀態(tài)、模組電池電壓、模組電池溫度；后6位定義為位置屬性，主要辨識的是數(shù)據(jù)位置，主要區(qū)分后面的數(shù)據(jù)來源于哪些位置。針對本文電池模組數(shù)量為8組，以及監(jiān)測系統(tǒng)需要傳輸?shù)碾姵乜傮w與模組信息，現(xiàn)將其數(shù)據(jù)屬性與位置屬性進行具體分配，其ID分配內(nèi)容如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)ID分配

2.4 數(shù)據(jù)格式定義

在CAN總線傳輸中，實際物理量數(shù)據(jù)一般需要轉(zhuǎn)化為多位二進制代碼進行傳輸，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中每個二進制值對應(yīng)著一個實際物理量值。為了提高監(jiān)測系統(tǒng)CAN通訊的利用率，本文采用了定點數(shù)的方式將實際物理量進行表示。其具體的轉(zhuǎn)換公式如下：

實際物理量=比例因子×(定點數(shù)+偏移量)

2.5 報文設(shè)計

為了實時監(jiān)測電池狀態(tài)，本系統(tǒng)中需要監(jiān)測的信號包括電池總體狀態(tài)數(shù)據(jù)與每個模組的電壓、溫度信號。由于傳遞信號多為數(shù)據(jù)信號，所以采用定時周期型發(fā)送方式，即按照固定的時間周期向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。下文分別給出了電池總體狀態(tài)、模組電池電壓、模組電池溫度具體報文設(shè)計樣例。

由于電池總體狀態(tài)中包含4個參數(shù)，每個參數(shù)占2個字節(jié)，考慮到每個標(biāo)準幀數(shù)據(jù)段總共有8個字節(jié)，綜合發(fā)送間隔，我們將電池總體狀態(tài)參數(shù)發(fā)送分為2組。第1組為電池總電壓、電池總電流，數(shù)據(jù)屬性為0x01，位置屬性為0x01，發(fā)送間隔為50 ms，占用4個字節(jié)；第2組傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為電池溫度、絕緣電阻，數(shù)據(jù)屬性為0x01，位置屬性為0x02，發(fā)送間隔為750 ms，也需要占用4個數(shù)據(jù)字節(jié)。下文以電池總體狀態(tài)第1組參數(shù)報文設(shè)計為例，列出了電池總電壓與總電流的報文設(shè)計的具體格式，如表4所示。

表4 電池總體狀態(tài)第1組參數(shù)報文設(shè)計

在電池模組報文中，定義模組電壓、模組溫度的數(shù)據(jù)屬性分別為0x02、0x03，位置屬性均為0x01～0x02，其發(fā)送方式仍為周期型，前者發(fā)送間隔為50 ms，模組溫度的發(fā)送間隔為750 ms。由于電池模組數(shù)量為8組，每個報文中8個數(shù)據(jù)字節(jié)需要被全部占據(jù)，同時每個模組電池電壓、溫度數(shù)據(jù)都占據(jù)2個字節(jié)，所以每組報文可以包含4組模組的電壓/溫度信息。下面以一個模組電壓報文設(shè)計為例，其具體報文設(shè)計格式如表5所示。

表5 電池模組電壓報文設(shè)計

3 上位機軟件設(shè)計

上位機的設(shè)計[18]主要包含2個模塊，CAN收發(fā)模塊(即通過上位機編程，控制USBCAN分析儀從而實現(xiàn)對CAN信號的接收與發(fā)送)和數(shù)據(jù)解析與顯示模塊(即對接收的電池報文數(shù)據(jù)進行解析，轉(zhuǎn)換成實際物理量[19]，并通過上位機進行實時顯示及存儲)。結(jié)合上述功能，本文基于LabVIEW對于上位機進行了開發(fā)[20-21]。

3.1 CAN收發(fā)模塊

在進入LabVIEW程序后，首先需要選擇設(shè)備型號——USBCAN，再設(shè)置相應(yīng)的CAN參數(shù)，例如通信速率、CAN通道等，然后打開設(shè)備，如果成功打開，就需要進一步對于CAN收發(fā)進行設(shè)置，例如幀ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容等，若匹配成功，即可實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送；同時，CAN收發(fā)模塊通過設(shè)置發(fā)送采集指令，可以直接接收CAN總線中的數(shù)據(jù)。CAN收發(fā)模塊流程圖如圖6所示。

圖6 CAN收發(fā)模塊流程圖

3.2 數(shù)據(jù)解析與顯示模塊

由于接收到的CAN總線數(shù)據(jù)為十六進制數(shù)據(jù)，同時每個報文中有可能包含不同位置屬性和數(shù)據(jù)屬性電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此首先需要按照上文設(shè)計的報文格式對ID號進行解析，得到該數(shù)據(jù)來源于哪個位置，數(shù)據(jù)屬性是屬于電池總體狀態(tài)數(shù)據(jù)、模組電壓數(shù)據(jù)還是模組溫度數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)上述的實際物理量與定點數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將報文中不同字節(jié)的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)解析為十進制數(shù)據(jù)，并在LabVIEW界面進行實時顯示。

為了使得解析后的模組數(shù)據(jù)在界面顯示得更加直觀以及快速地檢測診斷出模組之間的一致性，本文將電池中每個模組電壓與模組溫度數(shù)據(jù)在同一個界面中均通過柱狀圖進行顯示。電池總體狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示界面包括了電池總電壓、電池總電流、電池溫度、絕緣電阻信息。其LabVIEW顯示界面圖如圖7所示。

圖7 電池數(shù)據(jù)顯示界面

4 實驗驗證

為了驗證本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，通過實驗的方式進行了驗證。首先將實物進行了連接，包括測試板以及USBCAN分析儀。

實物連接后，打開LabVIEW程序，接著選擇設(shè)備型號—USBCAN，點擊啟動設(shè)備，并設(shè)置相應(yīng)的CAN參數(shù)，通道選擇CAN1，CAN總線的波特率設(shè)置為250 Kbps，點擊打開設(shè)備，顯示成功打開設(shè)備。繼而，按照CAN協(xié)議規(guī)定，幀格式選擇標(biāo)準幀，幀類型選擇數(shù)據(jù)幀，然后進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。下面以發(fā)送幀ID：0201為例進行驗證，數(shù)據(jù)接收界面如圖8所示。

圖8 LabVIEW數(shù)據(jù)接收界面

根據(jù)上述設(shè)計的報文格式可知，ID號0201表示的是1-4號模組電池電壓信息，再通過實際物理量與定位數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，數(shù)據(jù)段中的01 4d 01 4e 01 50 01 51代表的是1～4號模組電壓值大小，分別為3.33 V、3.34 V、3.36 V、3.37 V。數(shù)據(jù)解析結(jié)果在LabVIEW顯示界面顯示如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)解析結(jié)果界面

當(dāng)發(fā)送ID：0201后，上位機會接收到電池1～4號模組的電池電壓，通過解析后，在LabVIEW界面進行顯示。由圖9可知，1～4組模組電壓成功通過柱狀圖顯示出來，并且4組電壓一致性較好。因此，通過該實驗驗證了CAN收發(fā)模塊與解析和顯示模塊上位機程序的可行性以及監(jiān)測系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。

5 結(jié)束語

本文基于CAN總線設(shè)計了一套PHEV電池數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊，軟件部分基于LabVIEW進行了開發(fā)，該系統(tǒng)不僅可以實時獲取電池的電壓、電流、電阻等特征參數(shù)并實時顯示，也為后期的電池檢測診斷提出了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，系統(tǒng)在CAN通信模塊中詳細規(guī)定了幀結(jié)構(gòu)和報文格式，并分析說明了報文內(nèi)容與電池各物理量之間的對應(yīng)關(guān)系。為了驗證系統(tǒng)的實用性與可靠性，采用了一組電壓數(shù)據(jù)進行測試，成功地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的收發(fā)與顯示，系統(tǒng)運行良好，滿足設(shè)計要求。