電動汽車電池管理系統軟件設計

包 敏

BO Min

（長沙市電子工業學校，長沙 410008）

0 引言

電動汽車引領著汽車技術的發展方向，具有低排放甚至零排放、熱輻射低、噪音低且環境友好等特點，是節能、環保和可持續發展的新型交通工具，具有廣闊的發展前景[1]。在產業過程中，蓄電池及其管理系統作為主要的動力源部件是其中最為重要的一個環節。電池管理系統能夠實現實時監測電池參數并估計其荷電狀態（SOC），為駕駛員提供剩余電量、續駛里程等信息；能防止電池過充、過放、過壓、過流、過高溫，其優劣直接決定著動力電池組的使用壽命，一個合適的電池管理系統能夠在充分發揮電池優越性能的同時，給予電池最佳的保護，保證電池性能，延長電池壽命，降低電動汽車運行成本[2]。本文給出了一種基于CAN總線的電動汽車電池管理系統的軟件設計。

1 電動汽車電池管理系統的功能

電池管理系統的主要原理可歸納為[1]：數據采集電路采集電池的相關重要數據，如：母線電壓，電流，溫度等，再發送給中央控制單元進行分析和處理，由系統內的控制 模塊發出控制指令，記錄實時數據，對應的執行單元作出動作，進行調控。現在主流的電池管理系統一般是采用分布式結構，包含以下的主要功能部分：數據采集、剩余電量（SOC）估計、控制部分、安全管理和數據通訊[3]。

1）數據采集。數據采集是電池管理系統中最重要和最基本的功能，SOC估計，控制執行，安全管理等等都是以采集到的數據為依據的。

2）剩余電量（SOC）估計。電池管理系統的一個核心就是電池剩余電量的估計。現有的SOC估計方法有安時計量法、開路電壓法與電動勢法、內阻法、神經網絡、卡爾曼濾波法、模糊預測法等[4,5]。

3）控制部分?？刂撇糠忠獙崿F的功能有：控制充電過程等。

4）安全管理。安全管理包括了熱管理，單體電池壓力檢測等等。

5）數據通訊。在現有的電池管理通信方式中主要還是采用CAN總線通信方式。

2 電池管理軟件系統設計

2.1 軟件系統總體流程圖

電池管理系統的主要功能是檢測電池包的電流、電壓、過電流、漏電流、溫度等數據，同時在運行過程中估計電池的剩余容量并做出各種錯誤報警。如圖1所示為系統的主程序流程圖：

各子模塊測量所在電池包的單體電壓和溫度，將數據通過CAN總線報送母控制器，母模塊完成電壓、電流、過電流、漏電流等數據測量，同時控制熱管理風機的啟停，將重要數據信息整車通過CAN總線報送至整車控制器。

2.2 溫度測量軟件設計

這里的溫度傳感器DS18B20與微處理器間采用串行數據傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。函數說明，本程序多個功能函數，分別是：

1）端口初始化函數,設置各端口的初始工作狀態。

2）串口通信相關函數：

圖1 系統軟件流程圖

3）DS18B20操作相關函數：

如表1所示是利用“匹配ROM”指令實現對指定DS18B20的操作。先對DS18B20進行復位初始化操作，然后發送“匹配ROM”指令，緊跟著就要發送指定DS18B20的ROM序列號，DS18B20對ROM序列號進行比較，如果與自己的相同，則執行下面的指令，如果不同，則不再執行后面指令。

在程序中本文對指定DS18B20操作的步驟是：

1）復位；

2）發送跳過ROM指令；

3）發送溫度轉換命令；

4）延時1S，等待DS18B20完成溫度采集；

5）復位；

6）發送“匹配ROM”指令；

7）發送指定ROM的64位序列號；

8）發送讀內部RAM命令；

9）將采集到的溫度值進行處理；

表1 對指定DS18B20進行操作的控制流程

10）延時4S，然后跳到步驟1），重復步驟1)-8),完成下一次溫度測量。

2.3 電流、電壓測量軟件設計

數據采集程序使用定時器中斷，周期為30ms，每采集一次數據計算變量加一，采集對象為電流和，電壓，數據采集控制程序將采集到的數據存放在數據緩沖區，在下一個采集周期結束后，有主程序處理數據。如圖2所示為數據采集流程圖。

圖2 母線電壓、電流采集流程圖

3 CAN通信模塊軟件設計

3.1 通信協議的制定

系統的每個采集子板周期性采集底層數據，并作出處理，然后定時向主板發送數據。工作狀態可以分為[6]：

1）上電診斷狀態：系統上電后，完成初始化，發送網絡初始化信息，同時隨時接收其它節點的網絡初始化信息。通過網絡初始化信息的交換，主控制器判斷整個網絡是否完成初始化過程，同時啟動命令則進入正常工作狀態。

2）正常工作狀態：在正常工作狀態下，個單元之間通過以CAN總線進行通信，以實現傳感器測量數據的共享、控制指令的發送和接收等。當休眠條件滿足時，控制模塊從正常工作狀態轉入休眠狀態；當CAN模塊故障計數器的計數值滿足條件后，各模塊從正常工作狀態轉入總線關閉狀態。

3）休眠狀態：該狀態下，系統處于低功耗模式。一旦接收到喚醒信號或遠程喚醒信號，就從休眠狀態轉入正常工作狀態其間需要使用網絡初始化信息。

4）總線關閉狀態：關閉狀態的系統復位CAN模塊，重建連接；如果幾次連接失敗，則轉為看門狗復位，并向主控制器請求重新進入工作狀態。

5）掉電狀態：關閉電源時，控制單元所處的狀態。

CAN控制器有6種工作方式：配置方式、關閉方式、正常工作方式、監聽方式、自檢方式和錯誤方式。

3.2 CAN模塊子程序流程圖

CAN模塊通訊部分主要由初始化子程序，報文接收子程序和報文發送子程序組成，各子程序流程圖如圖3和圖4所示：

圖3 CAN報文收發流程圖

圖4 CAN通信初始化流程圖

4 結論

本文首先分析了電池管理系統的主要功能，在此基礎上對系統總體流程圖及其各個分塊予以了描述，并描述了CAN通訊的程序設計，CAN通訊還給出了協議的制定依據和報文設置。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光,等.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社,2002

[2] 陳思忠,林程.電動汽車開發的關鍵技術及前景[M].北京：北京理工大學,2002

[3] 成濤,王軍平,陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應用[J].電池,2004,34(5)：34-45

[4] 楊朔,何莉萍,鐘志華.電動汽車蓄電池荷電狀態的卡爾曼濾波估計[J].貴州工業大學學報(自然科學版),2004,33(1)：99-102

[5] Pritpal Singh, Craig Fennie, Jr David Reisner.Fuzzy Logic Modelling of State-of-charge and Available Capacity of Nickel/metal Hydride Batteries[J].Journal of Power Sources, 2004, 136(2)：123-134

[6] 闕子揚.混合動力汽車電池管理學的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2007,28-33