基于CAN总线的蓄电池SOC动态测量系统Word文档格式.doc
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摘要:
以燃料电池电动汽车蓄电池管理系统为背景，构建了基于CAN总线的蓄电池SOC动态测量系统。
给出了系统的硬件电路和软件主程序流程图，实际测量结果满足设计要求。
关键词:
CAN总线镍氢电池SOC动态测量
蓄电池的荷电状态SOC（stateofcharge）是用来反映电池的剩余容量的,SOC的准确测量在燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle,FCEV）的发展中是一个非常重要的问题。
FCEV在运行时，大的电流很可能会造成电池过充（超过80％SOC）或深放（小于20%SOC），FCEV电池操作窗SOC的合理范围是30％～70％，因此FCEV的控制系统一定要对电池的SOC状态进行监测，对电池组中每块电池的端电压、温度及充放电电流进行实时采集，随时预报汽车蓄电池的剩余能量或荷电状态,当蓄电池电量过低需要充电时，及时报警，从而提高蓄电池的使用寿命和整车的运行性能。
1．SOC检测方法
FCEV在某一个运行状态下，电池中的剩余容量是许多参数的函数，此数值是和放电电流，电压、温度及电池过去充放电历史相关的。
因此电池的SOC无法用一个明确的数学方程来描述。
FCEV常采用镍氢蓄电池作为辅助能源，因镍氢蓄电池具有比能量大，比功率高，使用温度范围宽，可高倍率放电等优点。
镍氢电池的SOC值与放电电流的大小有关，通常用放电倍率C表示放电电流的大小或放电条件。
以不同的放电倍率放电，镍氢蓄电池的放电终止电压即开路电压是不同的。
镍氢蓄电池的放电特性曲线如图1所示。
图中可见，放电倍率越大，起始的放电电压越小，电池所能放出的电量越大。
图1镍氢蓄电池的放电特性曲线
放电倍率越大，电池放电后的终止电压即开路电压也越高，而电池的开路电压与电池SOC状态具有某种对应关系，利用镍氢蓄电池的充放电特性，通过实时采样电池充放电时的瞬时电压和瞬时电流，就能实现对镍氢电池充放电过程中任一状态下剩余容量的动态测量。
2．SOC测控系统构成
基于CAN（ControlAreaNetwork）总线的蓄电池SOC动态测量系统结构如图2所示。
主要由电流传感器和电压传感器、电池组测量单元、电池管理ECU（ElectronicsControlUnit）组成。
CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，CAN总线的信号传输速率可以达到1Mbps。
CAN总线采用多主工作方式，网络上任一点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。
CAN采用短帧结构，具有强大的差错检测和处理机制，数据出错率极低。
蓄电池在FCEV系统中的作用是供电，它是一个输出模块，其输出信号有电压、电流、温度、SOC值等，电池的所有信号均经过电池的电控单元被数字化为0～255的标准量，在物理传输上对应于0V～5V的模拟量，利用CAN总线与外部汽车中其他控制系统进行通信。
图2基于CAN总线的蓄电池SOC检测系统的结构
系统中所使用的单体电池被组合成24个电池组，对每6个电池组配置一个测量单元，即有ECU1～ECU44个测量单元，每个测量单元的控制器均采用Philips公司的8位高性能单片机P87C591，该芯片内部集成了CAN控制器SJA1000和A/D模数转换模块。
测量单元的主要功能是提供电池组的电压和温度信息，并将采集的信号通过CAN总线发送给电池管理ECU。
电池组的ECU与电池管理ECU组成一个CAN总线网络，网络拓扑结构为总线形，传输介质为双绞线，传输协议为CAN2.0B。
电池管理ECU为双CAN控制器结构，一个CAN控制器与电池组ECU组成电池管理系统内部的CAN网络，另一个CAN控制器与汽车中其他控制系统组成整车光纤CAN总线网络，传输介质为塑料光纤，传输协议为CAN2.0B，能实现多机通信，并达到上位机控制和蓄电池SOC状态预测的目的。
3．CAN通信接口电路设计
CAN通信接口电路如图3所示，主要由微控制器，光电隔离电路，CAN收发器等三部分组成。
微控制器采用P87C591单片机，该芯片的CAN模块与外部的CAN单元通信主要由单片机的CANRX（接收）和CANTX（发送）两个引脚来完成。
为了增强CAN总线接点的抗干扰能力，在P87C591和CAN收发器82C250之间，采用了光电隔离芯片6N137，该芯片的输入、输出供电电压均为5V。
CAN收发器82C250是驱动P87C591的CAN控制器与物理总线间的接口，其工作电压也为5V，它可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的接收功能。
电阻R10作为CAN总线终端的匹配电阻，选用典型值为。
图中的C7，C8，C9均为芯片的去耦电容，大小为0.1uF；
R5，R6，R7，R8均为限流电阻，大小为；
82C250的复位端RS通过电阻R9接至地端。
图3CAN通信接口电路
4．系统软件设计
本系统软件采用8051系列的C语言编程，按照模块化设计思想进行编写，包括主程序、CAN初始化程序、CAN发送数据程序、CAN接收数据程序、A/D转换及定时中断程序等。
CAN初始化程序用来实现CAN工作时的参数设置，主要包括工作方式的设置、时钟输出寄存器的设置、接受屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、总线定时器的设置、输出控制寄存器的设置、中断允许寄存器的设置和总线波特率的设置。
系统主程序流程设计如图4所示，主要包括初始化和主循环部分。
图4系统主程序流程图
系统上电之后，首先对对CAN控制器和定时器进行初始化，然后系统等待中断，如果有中断，判断中断类型；
如果是SJA1000控制器的中断，就读取SJA1000控制器的数据，并且释放缓冲区，操作完中断返回；
如果是定时器50ms周期中断，对电压、电流数据进行A/D转换，计算SOC值，并由CAN发送相关数据，操作完中断返回。
5．结语
根据蓄电池用于车载系统的特殊环境及对SOC参数的测试要求，本系统采用了双CAN总线结构和光纤通信技术，使系统的实时性、可靠性和抗干扰能力大大增强，而且系统易于扩展，灵活性好，能够准确、实时的预测FCEV蓄电池的SOC值，提高了蓄电池的使用寿命和FCEV的整车性能。
参考文献：
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2．T.Shinpo.DevelopmentofBatteryManagementSystemforElectricVehicle.Proc.ofthe14thInternationalElectricVehicleSymposium（1997）
3.全书海,王超,宋娟，车用燃料电池发动机控制系统与协调控制研究，华中师范大学学报（自然科学版）2005.9Vol39，NO.3P325～P328
4．宋娟，罗志平，全书海.基于PID算法的燃料电池实验室组态王监控系统.微计算机信息.2006年第1期,P28-30
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