電池管理系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究

馬江睿，王 琪，高 田，何培杰

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安710072）

電動汽車具有無排放污染、噪聲低、易于操縱、維修及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保和節(jié)能上具有不可比擬的優(yōu)勢，是解決人類能源和環(huán)境壓力的有效途徑[1]。就目前電動汽車使用情況看，用戶最大的擔(dān)憂仍然是電動汽車?yán)m(xù)航能力差和動力電池組壽命短的問題，電池仍然是電動車發(fā)展的瓶頸。

電池管理系統(tǒng)BMS 通過安裝在電動汽車內(nèi)的各種傳感器，獲得所需的信息，隨時向駕駛員提供車輛運(yùn)行時顯示蓄電池的電壓、電流、溫度、剩余電量，以及車速和充電時顯示充電的狀態(tài)等有用信息，以減輕駕駛員里程焦慮，并分析以上信息，從而顯示蓄電池的荷電狀態(tài)和健康狀況、預(yù)測剩余行駛里程、調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度、調(diào)節(jié)車燈亮度以及回收再生制動能量為電池充電等[2]。因此，實(shí)時監(jiān)測電池狀態(tài)、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對電池組進(jìn)行有效的管理是研究BMS 的關(guān)鍵問題[3]。

目前，BMS 普遍采用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞饺鏑AN 總線、RS485，RS232 等。雖然有線傳輸成本低，但其傳輸適應(yīng)性較差，布線繁雜，維護(hù)不便，還存在線路老化而導(dǎo)致的線路故障問題。對此，一種準(zhǔn)確、高效、簡便、易維護(hù)的數(shù)據(jù)傳輸方式漸漸成為BMS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方式的研究熱點(diǎn)[4]。在此研究了具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且功耗低的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，采用TI 公司的CC2530 芯片建立無線星型網(wǎng)絡(luò)，組成高效安全的無線通信電路，以滿足多種電池信息傳輸場合的需求。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯?/h2>

在多種使用電池提供電能的應(yīng)用場合中，需要對電池的關(guān)鍵信息進(jìn)行采集、傳輸，并控制電池的充放電。基于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通信的BMS，將電池檢測單元作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用無線通信方式構(gòu)成檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電池組的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集，并通過設(shè)置過壓、過流、過溫參數(shù)對電池充放電進(jìn)行預(yù)警。

采取TI 的免費(fèi)協(xié)議棧ZSTACK 2007，可根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目選用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹R-WPAN常用點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浠蛐切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。

點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有1 個主中央控制器，2 個處于彼此通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以直接互相通信而無需經(jīng)中央控制器轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都與一個中央控制器（又稱協(xié)調(diào)器）進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有其它節(jié)點(diǎn)不能直接通信，必須通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。由于電池監(jiān)控管理系統(tǒng)所需節(jié)點(diǎn)不多，且為短距離通信，相比點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)是一種更簡單的短距離集中式通信網(wǎng)絡(luò)，且能量消耗更低，完全符合系統(tǒng)的要求[6]。

電池節(jié)點(diǎn)由電源管理芯片、處理器和無線通信單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對電池組的數(shù)據(jù)檢測；中央收發(fā)器收集和控制各電池節(jié)點(diǎn)，并與上層控制器進(jìn)行通信。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topological structure

2 無線通信模塊硬件設(shè)計

BMS 硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括電池檢測節(jié)點(diǎn)和主控模塊組成。電池檢測節(jié)點(diǎn)包括ZigBee 終端模塊和傳感器采集模塊； 主控模塊由ARM 嵌入式控制板和協(xié)調(diào)器模塊組成。

ZigBee 終端模塊將傳感器采集到單體電池的信息進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后通過組建無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器接將接收到的數(shù)據(jù)通過串口通信方式傳輸至ARM 嵌入式控制板，通過LCD 完成實(shí)時信息監(jiān)控。

圖2 動力電池管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Power BMS hardware structure

3 無線通信模塊軟件設(shè)計

3.1 ZigBee 堆棧架構(gòu)概述

ZigBee 是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接[7]。作為一種新型的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 技術(shù)具有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要由IEEE 802.15.4 工作組與ZigBee 聯(lián)盟分別制定。IEEE 802.15.4 工作組負(fù)責(zé)制定物理層和媒體訪問控制層的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 聯(lián)盟則制定高層的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供者等標(biāo)準(zhǔn)。其整體協(xié)議架構(gòu)如圖3 所示。

整個協(xié)議棧由物理層PHY，媒體訪問控制層MAC，網(wǎng)絡(luò)層NWK，應(yīng)用層APL 組成[8]。其中，①PHY 層 用于實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)器的開啟和關(guān)閉、能量監(jiān)測、鏈路質(zhì)量指示、信道選擇、空閑信道評估和物理媒體對數(shù)據(jù)包的收發(fā)，并為層提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。②MAC 層 負(fù)責(zé)為一個節(jié)點(diǎn)與其直接鄰居之間提供可靠的通信鏈路，提供沖突避免機(jī)制以提高通信效率，負(fù)責(zé)組裝和分解層幀。③NWK 層 決定設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時所采用的機(jī)制；執(zhí)行設(shè)備間的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)；完成一跳（one-hop） 范圍內(nèi)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)信息的存儲；創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)；為新入網(wǎng)設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址等[8]。④APL 層 由應(yīng)用支持子層、 應(yīng)用框架、ZigBee 設(shè)備對象組成[9]。在應(yīng)用層中，用戶可根據(jù)自己的需求編寫代碼來完成相應(yīng)的功能。

圖3 ZigBee 協(xié)議堆棧分層結(jié)構(gòu)Fig.3 ZigBee protocol stack hierarchy

Stack 2007 協(xié)議棧使用有限狀態(tài)機(jī)FSM（finite state machine）的編程方式，整個協(xié)議棧采用嵌套調(diào)用方式，上層調(diào)用下層的有限狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)完整協(xié)議棧的運(yùn)行[10]。在Zmain 文件中main 函數(shù)為其入口函數(shù)，在初始化完成后進(jìn)osal_start_system（），該系統(tǒng)啟動函數(shù)是一個死循環(huán)，它會一直查詢是否有新的任務(wù)需要執(zhí)行，同時調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)。

3.2 終端模塊軟件設(shè)計

設(shè)備初始化后以終端方式進(jìn)行啟動，同時檢測周圍的存在的網(wǎng)絡(luò)。假若終端設(shè)備未指定加入網(wǎng)絡(luò)的PAN ID（personal area network ID），則終端設(shè)備會選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)申請加入。設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，對加入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器的MAC 地址進(jìn)行判斷，當(dāng)此MAC 地址與設(shè)定MAC 地址相同時，才會將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，否則離開當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)行組網(wǎng)申請。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，終端設(shè)備會在最后加上數(shù)據(jù)校驗和以及CONFIRME_ID，協(xié)調(diào)器通過數(shù)據(jù)校驗和來判斷數(shù)據(jù)是否可用，通過CONFIRME_ID 來辨識是否為自己所需要的終端設(shè)備。ZigBee 終端主流程如圖4 所示。

圖4 ZigBee 終端主流程Fig.4 Main flow chart of ZigBee end-device

設(shè)備以協(xié)調(diào)器方式啟動后，對當(dāng)前加入的終端設(shè)備進(jìn)行判斷。當(dāng)數(shù)據(jù)格式一致且CONFIRM_ID 相同，則接收該終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將連接設(shè)備數(shù)量加1； 當(dāng)數(shù)據(jù)格式有誤或CONFIRM_ID 不匹配，則踢出該終端設(shè)備，由此保證數(shù)據(jù)的可靠性。

當(dāng)所有終端全部組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器關(guān)閉組網(wǎng)。對接收到的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器通過射頻端口將數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊。ZigBee 協(xié)調(diào)器主流程如圖5 所示。

圖5 ZigBee 協(xié)調(diào)器主流程Fig.5 Main flow chart of ZigBee coordinator

在ZSTACK 協(xié)議棧中，用戶實(shí)現(xiàn)某種特定功能只需在應(yīng)用層進(jìn)行程序編寫，單獨(dú)定義有效載荷幀的結(jié)構(gòu)。終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)見表1，包頭為起始位，用于確定起始接收地址，第2 個字節(jié)為剩余有效數(shù)據(jù)的長度，其后依次為電池編號、電壓信息、溫度、信息、電流信息、數(shù)據(jù)校驗。表中，電流僅在特定終端設(shè)備上接收，因此為可變字長；ID 是為了偵別干擾終端設(shè)備。

表1 終端發(fā)送信息幀結(jié)構(gòu)Tab.1 Frame structure of terminal transmitting information

4 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

通過組建多個不同ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置密閉環(huán)境或多障礙物，以及拉大距離，對當(dāng)前BMS 的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾試驗。采用TI 公司的Packet Sniffer抓包軟件對射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行偵聽以及分析，獲取數(shù)據(jù)。在無干擾、有干擾情況下的組網(wǎng)試驗結(jié)果分別見表2 和表3。

表2 無干擾下組網(wǎng)試驗Tab.2 Networking experiments without interference

表3 有干擾下組網(wǎng)試驗Tab.3 Networking experiments with interference

由表對比可知，在無干擾下，數(shù)據(jù)正確率平均為98.3%；有干擾下的數(shù)據(jù)正確率平均為97.4%。結(jié)果表明，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在有干擾的狀態(tài)下傳輸數(shù)據(jù)的可靠性雖略低于無干擾情況，但差值不大，完全可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

組網(wǎng)時的終端主動設(shè)備請求離開的控制命令如圖6 所示。與表3 中2 號電池對比可見，在有干擾時，組網(wǎng)會有加入其他錯誤網(wǎng)絡(luò)的可能性，當(dāng)終端設(shè)備檢測到當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)與期望加入的父節(jié)點(diǎn)不一致時，會主動申請離開當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，最終經(jīng)過大約5.6 s 后，依然會加入電池檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中。可見系統(tǒng)的自恢復(fù)能力、穩(wěn)定性好。

圖6 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)偵聽Fig.6 Data interception of ZigBee network

5 結(jié)語

在BMS 中，采用基于ZigBee 協(xié)議的無線通信芯片構(gòu)成的電池檢測和管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可極大簡化檢測系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)，同時也給擴(kuò)展和維護(hù)帶來極大的便利。經(jīng)試驗驗證，基于ZigBee 的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)具有穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于動力電池、太陽能電池、燃料電池等多電池裝備的參數(shù)檢測與分析和BMS 中，還可擴(kuò)展至通信設(shè)備和電力設(shè)備的備用電源管理、電池系統(tǒng)的充放電控制中，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。