基于CAN總線的電池管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)

李志平 黃雷

（1.天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)）

隨著世界能源的日趨緊張，環(huán)境惡化的加劇，目前在世界范圍內(nèi)都在推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的研究與使用。隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，電池管理系統(tǒng)這個(gè)名詞也逐漸為大家熟悉。作為電動(dòng)汽車的核心部件——電池管理系統(tǒng)[1]是用來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，提高電池的使用效率，達(dá)到增加續(xù)航里程，延長(zhǎng)其使用壽命，降低運(yùn)行成本的目的，進(jìn)一步提高電池組的可靠性。文章詳細(xì)闡述了針對(duì)電池管理系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行，開發(fā)出的基于CAN總線的電池管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。

1 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)主要用于電池單元的保護(hù)、充放電控制、電池組總電壓、總電流的檢測(cè)、電池模塊溫度的檢測(cè)、SOC和SOH的估算、單體電池電壓均衡、系統(tǒng)的故障診斷及熱管理等。如圖1所示，一般采用主從式[2]結(jié)構(gòu)，從板將采集到的電池模塊的溫度通過(guò)CAN總線發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)通過(guò)隔離采集系統(tǒng)采集電池箱的總電壓、總電流。中央控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的信息對(duì)電池包進(jìn)行熱管理及SOC估算，同時(shí)將采集到的信息通過(guò)CAN總線上報(bào)給其他設(shè)備。

圖1 電池管理系統(tǒng)示意圖

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

基于CAN總線的電池管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)用VisualBasic語(yǔ)言進(jìn)行平臺(tái)的軟件開發(fā)，該軟件實(shí)現(xiàn)SOC值、總電壓、總電流、各單體電壓、溫度等的數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)記錄，并能夠根據(jù)測(cè)試要求對(duì)電池管理系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行測(cè)試。Kvaser Leaf是一個(gè)CAN總線分析工具，它能夠?qū)⒔邮盏降男畔⑥D(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的CAN物理信號(hào)再發(fā)送。被測(cè)電池管理系統(tǒng)具有CAN通道通信接口，作為一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，可以與CAN網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，也可以發(fā)送采集到的電池?cái)?shù)據(jù)，也可以接收PC機(jī)VisualBasic軟件發(fā)來(lái)的控制指令。在整個(gè)系統(tǒng)框圖里，PC機(jī)VisualBasic軟件接收各種信息并且發(fā)出指令，由Kvaser Leaf工具將這些信息轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的CAN物理信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與被測(cè)電池管理系統(tǒng)連接。圖2示出整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 監(jiān)控平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)情況，對(duì)電池管理系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，檢測(cè)電池管理系統(tǒng)某些硬件電路，改變電池管理控制策略，通過(guò)這種方法，能夠維持電池管理系統(tǒng)在最佳狀態(tài)工作，且工作過(guò)程的所有狀態(tài)都會(huì)被記錄，方便以后對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)及完善。

1.2 Kvaser Leaf總線測(cè)試工具

Kvaser Leaf是一個(gè)基于USB的單通道CAN總線分析儀，攜帶方便，即插即用。它的每個(gè)CAN消息均標(biāo)有100 us精度的時(shí)間標(biāo)簽，每秒可以處理高達(dá)8 000條消息。支持11位標(biāo)識(shí)符（CAN2.0A）的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識(shí)符（CAN2.0B active）的擴(kuò)展幀，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，可檢測(cè)錯(cuò)誤幀。具有優(yōu)越的EMC性能。分析儀一端是110 cm長(zhǎng)的USB線纜，另一端是30 cm長(zhǎng)的CAN線纜。使用DB9針連接頭接入CAN總線。

在使用此工具時(shí)，需要調(diào)用它的驅(qū)動(dòng)程序。作者編寫了對(duì)應(yīng)硬件的VisualBasic應(yīng)用程序，通過(guò)在Visual-Basic中直接調(diào)用Kvaser Leaf的驅(qū)動(dòng)程序，將Kvaser Leaf總線分析儀采集到的CAN數(shù)據(jù)讀取到監(jiān)控平臺(tái)。

2 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)的核心是基于PC機(jī)的VisualBasic軟件處理系統(tǒng)，它能夠接收總線發(fā)送的數(shù)據(jù)并顯示在PC機(jī)監(jiān)控界面，同時(shí)也能夠?qū)﹄姵毓芾硐到y(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令以改變控制策略，并遵循SAE J1939協(xié)議，29位標(biāo)準(zhǔn)的CAN信息數(shù)據(jù)格式。

2.1 CAN數(shù)據(jù)域解析表

如前所述，電池管理系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即每個(gè)模塊有單獨(dú)的采集電路，將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線的方式發(fā)送至主控模塊，主控模塊根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC和SOH預(yù)估等。被監(jiān)測(cè)對(duì)象包括了SOC值、總電壓、總電流、各單體電壓等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。軟件按照CAN數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送數(shù)據(jù)，因此這些信號(hào)和發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)幀有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 CAN數(shù)據(jù)域解析表

CAN擴(kuò)展幀中的數(shù)據(jù)場(chǎng)最多為64位，即最多可包含8個(gè)BYTE數(shù)據(jù)。軟件根據(jù)控制對(duì)象的不同，將各個(gè)數(shù)據(jù)BYTE對(duì)應(yīng)的關(guān)系定義，如表1所示。其中，SOC表的CAN數(shù)據(jù)范圍是0～100，實(shí)際對(duì)應(yīng)的SOC范圍是0～100%。總電壓的CAN數(shù)據(jù)范圍是0～288 V，實(shí)際對(duì)應(yīng)的總電壓范圍是0～288 V?？傠娏鞯腃AN數(shù)據(jù)范圍是0～300 A，實(shí)際對(duì)應(yīng)的總電流范圍是0～300 A。單體電壓的CAN數(shù)據(jù)范圍是0～5 V，實(shí)際對(duì)應(yīng)的單體電壓范圍是0～5 V。

2.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

根據(jù)系統(tǒng)功能定義和發(fā)送參數(shù)的CAN數(shù)據(jù)域解析表（表1），進(jìn)行系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

CAN通信參數(shù)設(shè)置是在VisualBasic中對(duì)CAN通信速率、發(fā)送幀類型、ID數(shù)值等進(jìn)行設(shè)置，由于使用的總線分析儀是Kvaser Leaf Light HS型號(hào)分析儀，最終輸出的物理信號(hào)是高速CAN信號(hào)，通信速率設(shè)置為250 kB/s。ID數(shù)值可根據(jù)29位CAN擴(kuò)展幀格式和具體被測(cè)電池管理系統(tǒng)的ID數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。發(fā)送的幀類型通常默認(rèn)選擇為數(shù)據(jù)幀。自定義CAN發(fā)送的數(shù)據(jù)主要是為改變控制策略而發(fā)送的參數(shù)修正指令以及為測(cè)試電池管理系統(tǒng)的硬件，比如測(cè)試均衡電路以及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)硬件的可靠性等。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)定義和流程設(shè)計(jì)的分析，建立PC機(jī)VisualBasic軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)靈活的可自由設(shè)置輸入輸出的CAN節(jié)點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以很好的完成對(duì)被測(cè)電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制。

2.3 平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用VisualBasic平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用VisualBasic的圖形化程序語(yǔ)言，以一種很直觀的方法建立人機(jī)界面和程序框圖。平臺(tái)界面設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 監(jiān)控平臺(tái)界面

圖4包含了SOC表、總電壓、總電流、單體電壓、充放電指示、保存指示、CAN測(cè)試、CAN啟動(dòng)和自定義CAN發(fā)送。按下“啟動(dòng)CAN”按鈕，系統(tǒng)開始接收數(shù)據(jù)，某一數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1。接收到的CAN數(shù)值會(huì)在界面的相應(yīng)部分有顯示。同時(shí)，根據(jù)電流的正負(fù)，分別顯示充電指示或放電指示。在右下角的CAN測(cè)試部分，可以看到接收的CAN數(shù)值的詳細(xì)情況，在自定義CAN發(fā)送區(qū)，可以通過(guò)CAN發(fā)送指令給電池管理系統(tǒng)，通過(guò)界面可以看到指令對(duì)電池管理系統(tǒng)的控制策略改變，如發(fā)送開啟數(shù)據(jù)記錄，則保存指示槽會(huì)開始變化，再發(fā)送關(guān)閉數(shù)據(jù)記錄，則保存指示槽會(huì)清空。

3 結(jié)論

基于CAN總線的電池管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)Kvaser Leaf總線分析儀采集電池管理系統(tǒng)上報(bào)到CAN總線上的數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN數(shù)據(jù)域解析表將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將解析得到的數(shù)據(jù)在監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行顯示，同時(shí)該監(jiān)控平臺(tái)也可以對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行在線標(biāo)定以及控制策略修改等活動(dòng)。該監(jiān)控平臺(tái)對(duì)電池管理系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行提供了可視化的人機(jī)交互模式，方便技術(shù)人員對(duì)電池控制策略進(jìn)行修改，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池包的運(yùn)行狀態(tài)。