基于CAN总线的分布式电池管理系统

摘要：主要探讨了汽车和电动汽车数字化技术、计算机控制系统的结构以及现场通讯的相关问题。以蓄电池能源系统为应用背景，研究和设计出采用双CAN总线作为内外通讯方式及具有多模块分布式结构的管理系统。该系统分为若干模块，分别实现各自独立的功能，包括数据采集、测量多路电压、电流和温度、进行电量估算和通讯管理以及大液晶屏的显示。

为满足系统发展所需要的高性能、安全性和可扩展的要求，提出双CAN总线通讯、分布处理的管理系统结构思想。重点介绍了CAN总线设计、电路和应用的技术问题。关键词：电池管理系统；CAN总线；分布结构；电动汽车

Distributed Battery Management System Basedon CAN Bus

LIAN Zi-feng,ZHENG Hang-bo,QI Guo-guang

Abstract:The digital technology of vehicle and electronic vehicle (EV), with the emphasis on the structure of the system controlled by computer and something about the communication are mainly discussed.The management system which has been studied and designed uses double CAN(Controller Area Network) bus as its interior and exterior communication method. The system adopts distributed structure and consists of several modules, each of which realizes its special function, such as data collection, the measure of multi loop voltage,current and temperature, the computing of the SOC(State of Charge), the management of communication and liquid crystal display.

In order to fulfill the need of high performance, security and extend for the system,some ideas, including communication with double CAN bus and distributed process are putted forward. The CAN bus design,the circuit and the technological problem in the application of CAN bus are also discussed.

Keywords:Battery management system (BMS); CAN bus; Distributed structure； EV

1 前言

随着高科技及其产业的迅速发展，大存储容量的电池组能源系统已经越来越被人们所重视，在很多领域中都得到广泛地应用，如在汽车产业发展的新方向、新热点——电动汽车及混合动力车的研究及产业化中，将作为车载能源的主要供给者。

蓄电池组是由一定数量的单体电池串联组成的，它可以进行百次至千次的充放电；在使用中必须注意其各个单体电池的各种特性、电池温度、电池的剩余电量及总电流等参数，因为这些参数直接影响电池的使用寿命，必须做到优化运行和有效监控，防止电池出现过充、过放及温度过高等问题，从而延长电池的使用寿命和降低成本，特别是提高电池的可靠性。可以把给电池组配套的电子、控制及数字技术称为数字“电池电子技术”。同样在汽车的电子、数字技术中，已经使用多个CPU完成各种参数、功能的控制问题，考虑汽车的安全性，运行必须十分可靠，于是发展了并联的独立多个系统结构，再由现场总线联接，组成统一的大系统。

2 分布式结构的管理系统

2.1 系统结构

系统要实现不同类型的多种功能，集中的或中央处理方式无法满足安全性要求，自然要采用分布式结构 ； 系 统 的 工 作 环 境 恶 劣 ， 常 处 于 强 电 磁 干 扰 及 脉 冲 电 流 的 干 扰 下 ， 为 了 确 保 可 靠 性 ， 考 虑 采 用 和 发 展 了 高 性 能CAN现 场 总 线 作 为 通 讯 系 统 ； 而 且CAN总 线 在 汽 车 上 已 使 用 很 久 ， 具 有 很 强 的 抗 干 扰 性 ， 同 时 该 技 术 比 较 成 熟 ， 已 成 为 汽 车 使 用 通 讯 的 标 准 。 因 此 ， 在 系 统 的 内 部 通 讯 以 及 跟 外 部 通 讯 都 采 用CAN总 线 来 实 现 。

本分布系统是以CPU80C552为公用模块平台来设计的，由于CPU存储空间及运算的有限性，必须采用多CPU来分别实现管理系统所需的各种功能。完成的基本系统由四个模块并行组成：数据采集、均衡充电、电量估计及通讯显示；各个模块分别实现其功能，通过CAN总线进行数据通讯，能够实现单电池电压、总电压、充放电电流、温度的采集和测量，电量估算。同时，系统还具有很强的扩展性，可以进行具体的电池诊断和电池安全性能保护等功能的研究和开发。在锂电池的管理系统中，108只电池采用9块测量主板，再加上4块基本板，共计13块板。

图1 电 池 管 理 系 总 体 结 构 图

2.2 管理系统主模块的设计

系统的主要功能包括数据采集、电量估计及显示诊断等。由于80C552具有8路10位A/D转换的功能，因此，采集模块先采用线性光耦法测量单电池的电压，通过其4个A/D口将模拟量转换为数字量存入存储器，温度测量采用单总线技术，使用Dallas数字芯片来测量温度，该芯片具有12位的精度等级，能非常准确地测量到系统的温度。总电压、电流信号通过特殊的传感器将其信号转换为0～10V的信号，通过14位的A/D转换器件转换为数字量存入系统。

通讯及显示模块提供了双CAN通讯接口，能够与系统内各个模块及外部整车系统通过CAN进行数据传输；同时系统提供RS232接口，能够实现与PC机通讯；模块还提供5口寸半液晶显示驱动功能，和按键进行人机友好操作；模块还设有电压、电量、电流及温度的上下限报警及自检功能，保证系统的安全性。

各个系统模块的基本结构框图如图2所示。

图2 模 块 结 构 框 图