基于CAN總線智能動力電池數據采集監控系統設計

陳曉韋，陳 辰，楊開欣

（天津卡達克數據有限公司，天津 300393）

0 引言

汽車工業的發展極大地推動了工業的進步和經濟技術的提高，然而隨著傳統燃油汽車工業的發展，環境污染問題，能源危機問題日益嚴重。為了降低燃油車輛產生的溫室氣體CO2等對環境的危害，減少對不可再生能源的使用，保護生態環境，越來越多的車輛專業工程師、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之一，新能源汽車的出現，使得汽車產業朝著電動化、智能化、輕量化和網聯化的方向發展。

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提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車行駛。由此可見動力電池是純電動汽車的關鍵零部件之一。動力電池的性能影響著車輛的整體性能。電池管理系統（Battery Management System，簡稱BMS）是對動力電池進行監控和管理的系統，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等參數采集、計算，進而控制電池的充放電過程，實現對電池的保護，提升電池綜合性能的管理系統，是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶[1]，但是現在的大多數的BMS系統不具備電池遠程監控功能，電池出廠之后供應商不能夠隨時監控電池狀態。為了保證動力電池供應商能夠24小時不間斷實時監測已經出廠的電池狀態，如電池電壓、電池電流、剩余電量，支持的續航里程，進一步優化電池管理系統的軟硬件設計，在電池出現故障時能夠追蹤產生問題的根源及時處理電池故障，本文設計了一款基于CAN總線的智能動力電池數據采集系統。利用此系統動力電池研究人員可以隨時了解電池性能，讀取電池參數，并依據相關數據優化整個動力電池的軟硬件系統，提高動力電池的整體性能。

1 系統整體設計

基于CAN總線的智能動力電池數據采集系統包括監控中心、數據服務器和智能動力電池數據采集終端輛部分。智能動力電池數據采集終端通過CAN總線實現對動力電池的數據采集，獲取動力電池的詳細信息，然后經過2G無線傳輸將數據傳輸至數據服務器和監控中心，數據服務器對電池數據保存并進一步計算。電池廠商通過監控中心就可以實時監測電池數據。系統框架見圖1所示。

圖1 基于CAN總線的智能動力電池數據采集系統框架圖

基于CAN總線的動力電池數據采集終端屬于CAN通信節點設備，通常硬件工程師設計基于CAN總線的通信接口的節點設備有兩種方法，一種是使用獨立的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。后者使整個硬件電路的結構更加簡單，調試更加方便[2]。本文設計的智能動力電池數據采集終端內的微控制器選擇的是ST公司的STM32，其作為整個終端的運算和控制中心。由于在硬件電路的設計中，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，為了實現微控制器STM32和CAN總線通信，降低設備對CAN總線上其他節點設備的干擾，需要CAN收發器。智能動力電池數據采集終端和動力電池系統連接圖見圖2。智能動力電池數據采集終端除了CAN收發電路模塊外還有電源控制模塊，2G無線傳輸模塊，電源監測模塊等，見圖3智能動力電池數據采集模塊結構圖。

圖2 智能動力電池數據采集終端和電池系統連接圖

圖3 智能動力電池數據采集模塊結構圖

3 硬件電路設計

基于CAN總線的智能動力電池數據采集終端是典型的嵌入式設備之一，包括硬件電路和軟件固件兩個部分，硬件電路部分有電源轉換，2G電路，GPS電路等，軟件固件是整個硬件電路的邏輯控制，如根據SOC，計算每日行里程的電耗量等。

2.1 電源轉換電路部分

電源是智能動力電池數據采集終端主要模塊之一，好的電源設計可以提升數據采集系統的整體性能。電源模塊部分除了給系統提供所需的穩定的電壓電流外，還應該具有保護系統的功能，如過壓保護、欠壓保護、防浪涌保護，防反接保護等。為了保障數據采集終端在動力電池出現異常之后能夠繼續工作，上報動力電池數據，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。當主電源提供的電源在系統工作電源范圍內時，數據采集系統通過主電源供電，并且主電源給備用電池充電。當主電源出現故障之后備用電池為數據采集系統供電，這樣實現了對管理電池的實時監控，電源轉換電路結構圖見圖4。

2.2 CAN收發電路部分

圖4 電源轉換電路結構圖

CAN通訊遵循ISO/OSI參考模型，分數據鏈路層和物理層。根據ISO88002-2和ISO8802-3，數據鏈路層進一步細分為邏輯鏈路控制（LLC）和介質訪問控制（MAC）；物理層進一步細分為物理信令（PLS，位編碼、定時、同步），物理介質附件（PMA，驅動器/接收器特性）和介質附屬接口（MDI，連接器）[3]。數據鏈路層和物理信令層之間的鏈接是通過CAN控制器實現的。物理介質附件是協議控制器和物理線路之間的接口。智能動力電池數據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接口進行數據通信需要外界CAN收發器，選擇的是恩智浦公司生產的TJA1043。TJA1043是一款車規級別的CAN收發器，完全符合ISO 11898-2：2016和SAE J2284-1標準，具有遠程喚醒和本地喚醒、故障檢測等功能，是遠程監控設備的理想選擇之一，CAN收發電路見圖5。

圖5 CAN收發電路

2.3 2G和GPS電路

智能動力電池數據采集系統目的是實現對動力電池的實時遠程監控，因此數據傳輸必須使用無線傳輸模式，系統要具有GPS定位功能。在系統中使用SIM800C作為2G無線傳輸模塊，將采集到的電池數據信息傳輸至數據服務器。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衛星導航系統的單系統定位，還支持任意組合的多系統聯合定位，安全，可靠穩定，適合做車載設備的定位與導航模塊。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 遠程監控中心系統

遠程監控中心系統采用基于TCP/IP協議棧的客戶機/服務器結構模式，用C++語言編程實現。遠程監控中心系統的主要任務是對終端上傳的數據進行分析，處理，存儲。電池廠商通過監控中心能夠實現對電池數據的回放等，為電池管理BMS優化提供科學依據。遠程監控中心系統框圖見圖7，動力電池監控中心監控界面見圖8。純電動汽車GPS信息主要包括車輛的實時位置信息、經緯度、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依據，有利于電池管理系統性能優化。數據服務器實現數據存儲和查詢功能。

圖7 智能動力電池遠程監控中心系統結構圖

圖8 動力電池監控中心監控界面

4 實驗數據分析

為了測試系統的穩定性可靠性，在前期調試完成的基礎上外接實車帝豪EV450進行測試，測試時，通過CAN線接口連接車輛OBD診斷接口讀取動力電池信息，并在監控中心觀察電池基本信息。整個測試系統圖如圖9所示。在車輛進行高溫放電實驗過程中，通過選取一段時間內的動力電池總電壓，總電流，得到這段時間內的對應數據的歷史曲線如圖10所示。經過測試，此系統運行穩定，數據完整，適合對動力電池的監測。

圖9 動力電池測試系統圖

圖10 動力電池電壓/電流曲線圖

5 結束語

本文設計了一款基于CAN總線的智能動力電池數據采集監控系統，包括智能動力電池數據采集終端、數據服務器，監控中心三部分實現了對動力電池的遠程監控，為提升電池管理系統BMS的性能提供了科學依據，為車輛的安全行駛提供了基礎保障。通過實驗證明，此系統安全可靠，有廣闊的應用前景。