基于CAN总线的锂离子动力电池组管理系统

基于ＣＡＮ总线的锂离子动力电池组管理系统

李慧琪

（广州益维电动汽车有限公司，广东广州５１００４５）

摘要：本文描述＿『一种新的动力电浊组管理系统，该系统蔫予酗琏。誊臻教术，具有电滟组状蠢监控、均衡充电、电澈葡眩蛩。评

估等功能，可以提高电池组的使用效率及鹰命，保证电池维和电动汽车行Ｉ车的蜜余。

关键词：ＣＡｌＮ总线；电池组管理系统；状态嗡控；均衡觉电；电池膂电馒评估

中图分类号：Ｕ４６９．７２

文献标识码：Ａ

文章编号：ｒ《】０９—９４９２（２００７）０ｌ一∞８ｌ｛＿＿＿．Ｄ２。

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１前言

发展电动汽车，缓解能源危机和环境污染是我国政府实施的重大科学战略。采用锂离子动力电池等新型高能二次电池是电动汽车（ＥＶ）研发与产业化的关键。目前，制约ＥＶ推广应用的最主要问题是锂离子动力电池组的造价及使用寿命问题。

为保证锂离子动力电池组在电动汽车的安全高效使用必须配置电池管理系统（ＢＭＳ）。ＢＭＳ是采用微电脑技术，检测技术等构成的、对电池组的特性及工况进行检测与控制的一套装置。其目的是提高动力电池组的使用效率及寿命。影响锂离子动力电池组使用寿命的重要原因之一是动力电池特性的不一致。在ＢＭＳ中配备均衡充电功能，可有效补偿单个电池容量的不一致，有效降低电池容量不一致而造成电池组使用效率和寿命缩短的问题。通过ＢＭＳ，可以估算电池荷电量（５０Ｃ），保证ＳＯＣ维持在合理的范围内及行车安全，防止由于过充电或过放电对电池的损伤。ＢＭＳ也町对有故障的电池作出早期预测，防止因单只电池损坏造成的整组电池寿命降低。

在汽车电控装置中，ＣＡＮ总线应用较为广泛，不仅已被高档轿车上采用，在一些经济型乘用车中也进入了实用化阶段。ｃＡＮ总线规范是目前具有国际标准的一种现场总线，得到Ｉｎｔｅｌ、Ｍｏｔｏｍｌａ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、ＴＩ、Ｉｎ６ｎｅｏｎ等许多半导体制造厂商的支持，推出各种集成有ｃＡＮ协议的产品。本文研究了基于ＣＡＮ总线的锂离子动力电池管理系统。

通信网络。通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光导纤维。

电池管理系统的控制拓扑结构框图如图ｌ所示，忍个下层电控单元（ＥＣＵ）和１个上层ＥＣＵ组成一个ＣＡＮ总线网络，网络拓扑结构为总线型，传输介质为双绞线，传输协议为ＣＡＮ２．ＯＡ。下层ＥＣＵ的主要功能是测量单体电池的电压、温度以及与上层ＥＣＵ进行数据通信。采用带ＣＡＮ接口的专用芯片可在简化系统结构的基础上实现上述功能，本文主要对上层ＥＣＵ进行介绍。

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图ｌ

电池管理系统的控制拓扑结构

上层ＥＣＵ硬件框图如图２所示。系统采用ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｓ５２微处理器。ＡＴ８９Ｓ５２是一个低功耗、高性能

的ＣＭＯＳ

８位单片机，其兼容标准ＭＣＳ一５１指令系统及

８０Ｃ５ｌ引脚结构，芯片内集成了通用８位中央处理器和

ＩＳＰ

Ｆｌａｓｈ存储单元，功能强大的ＡＴ８９Ｓ５２可为许多嵌入

２电池管理系统组成

本文所设计的锂离子动力电池管理系统采用基于ＣＡＮ总线的分布式系统，它由上层控制器（ＥＣｕ）、下层ＥＣＵ及ＣＡＮ总线组成。ＣＡＮ总线是目前汽车应用最广泛的现场总线之一，它能有效地支持分布式控制或实时控制的串行

收稿日期：２００６一１１

２９

式控制应用系统提供高性价比的解决方案。微处理器通过扩展的ＣＡＮ接口从ＣＡＮ总线上接收下层ＥＣＵ上传的电压、温度。经过一定的处理和判断后存储在ＲＡＭ中，并且将要显示的参数送往显示器进行显示。微处理器还能通过ＲＳ２３２接口与上位机进行通信，这样就可以对整车的历

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保持每个电池容量的相对一致。

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一ｆ电池容量不一致性一般直接体现在电池端电压的不均Ｉ显示器接口｝．斗

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衡上。目前国内外采用的方案主要有：电阻方案、开关电叫容方案、独立充电方案。本文采用电阻均衡充电方案，采ＡＴ８９Ｓ５２

用充低放高的做法。上层ＥＣＵ根据下层ＥＣＵ采集的各单应用系统

体电池电压，设定单体电池的目标电压值和电压容差并传．Ｒｓ２３接口卜

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送给下层ＥＣＵ，下层ＥＣＵ根据此数值选择需对哪一节单一

电池进行充电或放电，实现均衡充电。均衡电路原理如图

４所示。

图２

ＢＭＳ系统上层ＥＣＵ硬件结构框图

史数据进行系统详细的分析。通过键盘的切换可以在显示器上显示所需的信息。

ＣＡＮ控制器选用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ｓＪＡｌｏｏＯ。它是一个独立的ＣＡＮ控制器，特别适用于汽车内电子模块、传感器、制动器的连接。ＳＪＡｌ０００同时支持ＣＡＮ２．ＯＡ和ＣＡＮＶ２．０Ｂ图４

均衡电路原理图

定义的帧类型，本系统中采用ＣＡＮ２．０Ａ标准。图３为ＣＡＮ接口连接图。硬件电路中使用高性能ＣＡＮ总线收发

．（２）｜ｓ０Ｃ评估方法

ＳＯＣ描述电池荷电量的数量，是电池使用过程中的重要参数。确定电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定电量的比值，是确保电池组安全和电动汽车行车

安全的关键因素之一。电池组舳Ｃ的评估是系统的必备功

能，也是最难实现的部分。

目前常用的用于电池．ｓ０Ｃ估算的是开路电压法、内阻法以及库仑计法。由于电动汽车的电池组工作在ＳＤＣ为３０％一９０％之间，一般不会出现过充或者过放的状况。目前国内外公认的较好方案主要是库仑计法，但是通过实验发现，如果单独采用库仑计法，累积误差将难以得到修正，

图３

ＣＡＮ接口连接图

｜ｓＤＣ的评估会出现较大误差，因此有必要采取措施进行修正。本文采取库仑计法结合开路电压法，同时考虑充电效

器ＰＣＡ８２Ｃ２５０是为了增大通信距离，提高瞬间抗干扰能率以及白放电的影响，完成对ＳＯＣ的估算。初始ＳＯＣ采力，保护总线，降低射频干扰（ＲＦＩ），实现热防护等。为用开路电压法进行计量，即当电池静置６个小时以上，认了进一步提高抗干扰措施，在两个ＣＡＮ控制器之间使用为其电压为开路电压，根据开路电压和ＳＯＣ的关系得到初

了高速隔离器件６Ｎ１３７构成的隔离电路。微处理器ＡＴ８９Ｓ５２负责ＳＪＡｌ０００的初始化，通过控制ＳＪＡｌＯｏｏ实现冠

数据通信任务。微处理器可以通过中断方式访问ＳＪＡｌ０００。

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３关键技术问题及解决方案

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（１）均衡充电及解决方案

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动力电池组是由多个单体电池串联组成的电池模块，羹８

＼．由于动力电池组中单个电池容量的不一致，通过若干次充挂

放电循环后电池组会失衡，严重影响动力电池组的效率与扣呻

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安全。造成动力电池容量不一致的原因有以下几方面：①舄

生产电池过程中原材料与制造工艺等因素产生的电池特性尝

差异；②电池充放电过程中的过充电、过放电会加剧电池０

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特性的差异；③电池组使用过程中电池特性的不一致会不）（！ｉ充电温度断扩大，导致电池组失衡，必须采用均衡充电予以补偿，

图

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充电效率典型曲线

（下转第９５页）

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３计算中径

由于丝锥中径公差较大，无需按精密螺纹进行误差修

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正，依公式得也＝朋一也（１＋ｊ毛＿）＋争ｃｏｔ手。

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＝１０．５４０—２．３８８＋１．０８３

＝９．２３５（ｍｍ）

４举例

为验证本方法测量中径的可靠性，现选用一件螺纹量规和一件三槽丝锥来进行测量。

（１）螺纹量规规格为３／８—２４ＵＮＦ一２Ｂ（过端），标称中

测量出的如在公差范围内。

通过以上验证，可以认为本方法得出的测量结果是准

确的。

径值为８．８４９ｍｍ，牙型角为６０。，台湾产。计算得￡＝筹

：１．０５８ｍｍ，也＝—』一＝Ｏ．６１１ｍｍ，选用中０．５７７ｍｍ的三

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针。测量得Ｍ＝９．６６５ｍｍ。

５本方法测量的优点和注意事项

本方法与有些资料介绍的用平表头比较测量彬２值的原理相同，但由于平表头测量时彬２值的最大值容易出现

误差，在双啮仪上测量却能较理想地读出最大值。

测量时注意事项：①由于丝锥切削刃有后角，测量时

应小心转动丝锥，找出最大中心距；②丝锥校准齿部分都制造有倒锥，所以应在校准齿部分起点处测量，才能测出

所以如＝肛画（１＋—等）＋争ｃ。ｔ手ｓｉｎ昙

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最大中径；③为了消除丝锥径向跳动带来的测量误差，要

在丝锥三个棱上各测一齿，以平均值计算。

参考文献：［１］

《线值计量技术》编写组．螺纹测量［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社．１９７９．

［２］量刃具汇编组．量具刃具国家标准汇编［Ｍ］．北京：中国标

准出版社，１９９０．

＝９．６６５—１．７３１＋０．９１７

＝８．８５１（ｍｍ）

测量出的ｄ２与标称值差０．００２ｍｍ。

（２）三槽丝锥规格为Ｍ１０×１．２５一Ｈ２，查标准得中径值

及公差为９．１８８（“。。商ｍｍ，牙型角为６０。，成鼍产。计

算得如—上

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得埘＝１０．５４０ｍｍ。

＝Ｏ．７２２ｍｍ，选用ｍ０．７９６ｍｍ的三针。测量

作者简介：赖文彬，男，１９６９年生，广东兴宁人，大学专科，助理工程师。研究领域：长度计量。

（编辑：钟兆义）

（上接第８２页）始电量或者修正电量。

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（１）

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式（１）中，ＳＯＣ。为蓄电池初始电量，％为电池的开路电压，ｒ为电池的温度。在车辆运行时，采用库仑计法进行计量：

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（２）

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式（２）中，ＳＤＣ为蓄电池剩余电量，ｔ为充电电流，屯为放电电流，咒为电池使用时间。ｑ（丁，ＳＤＣ）为充电效率，是当前温度和剩余电量的函数，其典型曲线如图５所示。．ｓ（瓦，＃）为自放电电量，为平均温度死和电池使用时间的函数，典型曲线如图６所示。将以上曲线进行离散化，编制成相应的数据表，在５０Ｃ估算过程中，采用线性插值的方法，就可得出电池的当前剩余电量。

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图６

自放电典型曲线（常温）

４结论

针对电动汽车研制的基于ＣＡＮ总线的电池管理系统，能够实时准确地监测电池组的状态，对各单个电池进行均衡充电，显示锂离子动力电池组的ＳＤＣ。试验结果验证了ＣＡＮ总线的稳定性、抗电磁干扰能力和通讯及时准确等。通过软件滤波、硬件滤波、光耦隔离等措施，保证了采集信号的准确性，增强了系统的可靠性。因此，动力电池管理系统提高了电池组的使用效率和安全，可提早发现落后

电池，使其得到及时的处理，延长电池组的寿命。但由于ＳＯＣ的预测不仅取决与电池组的放电倍率、温度、电压和电流等参数的非线性变化，还与其他的参数有关，因此对

ＳＤＣ预测的算法还有待于改进。

作者简介：李慧琪，男，１９５５年生，湖南桃江人，大学本科，高级工程师。研究领域：机电一体化。

（编辑：向

飞）

万方数据　

基于CAN总线的锂离子动力电池组管理系统

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李慧琪， LI Hui-qi

广州益维电动汽车有限公司,广东广州,510045机电工程技术

MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY2007,36(1)8次

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引用本文格式：李慧琪.LI Hui-qi 基于CAN总线的锂离子动力电池组管理系统[期刊论文]-机电工程技术 2007(1)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nrjm.html