基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統通信網絡研究

肖林京,岳明臣,李洪宇,常 龍,張玉龍

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統通信網絡研究

肖林京,岳明臣,李洪宇,常 龍,張玉龍

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

為保證鋰離子蓄電池在使用過程中的高可靠性，需對電壓、電流、溫度等參數進行實時監測。該文設計一種基于CAN2.0B協議的鋰離子蓄電池管理系統通信網絡，采用iCoupler磁隔離技術完成網絡通信接口的硬件電路設計，并對CAN通信網絡內報文數據格式及擴展標識符的分配方法做統一規定，在此基礎上完成系統軟件設計。通過現場測試，結果顯示報文以60ms為周期在整個CAN通信網絡中準確、不間斷地傳輸，符合鋰離子蓄電池管理系統對于實時性和可靠性的要求。

CAN總線；鋰離子蓄電池管理系統；通信網絡；iCoupler磁隔離

0 引 言

能源短缺與環境污染的日益嚴重，使得以傳統能源作為動力源的設備已經不能滿足現代化生產的需要。相比鉛酸、鎳氫電池，鋰離子蓄電池是目前理想的新一代綠色能源，具有循環壽命長、能量密度高和環保的優點[1]。在已投入市場的蓄電池電機車中，很少有以鋰電池作為動力電源，在歐美一些發達國家中，由于受鋰電池技術水平的制約，鋰電池在電機車上的應用也一直停留在論證階段。隨著近幾年來大容量鋰離子蓄電池研發和應用取得了長足的技術突破，國內外鋰電池電機車的開發迎來了新的熱潮[2]。

單體鋰電池性能上的差異以及在使用過程中對自身電壓、電流、溫度等參數實時性的要求，使得通信網絡的設計成為了鋰離子蓄電池管理系統中的核心技術，能夠保證整個電源管理系統實時、高效的運行[3]。本文設計了一種基于CAN總線的鋰離子蓄電池管理系統的通信網絡，在對整個電源系統通信過程測試和分析的基礎上，驗證基于CAN總線的通信網絡設計符合鋰離子蓄電池管理系統對于數據傳輸實時性和可靠性的要求。

1 CAN網絡的鋰離子蓄電池電源管理系統總體設計

鋰離子蓄電池管理系統對于實時性和穩定性都有嚴格要求。在該系統中節點間的數據通信是最基礎的，因此在選擇數據總線時實時性以及穩定性是首要考慮的因素[4]。CAN總線是一種高性能、高可靠性、易開發和低成本的現場總線，為本通信網絡實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持[5]。本設計的通信方案要求數據以60ms為周期在通信網絡回路中不間斷地準確傳遞，通信速率選為400kb/s，分布距離小于50m。

本文設計的鋰離子蓄電池管理系統中有3類CAN總線網絡通信接口，分別是總成控制器CAN通信接口、模塊控制器CAN通信接口以及液晶顯示模塊CAN通信接口，整個通信網絡結構如圖1所示。液晶顯示模塊主要用來接收來自模塊控制器和總成控制器的數據信息，完成數據的顯示功能。模塊控制器主要由電壓采集單元、電流采集單元和溫度測量單元構成，主要完成電壓、電流和溫度信息采集，并將所獲得的數據信息通過CAN總線傳輸給總成控制器和液晶顯示模塊。總成控制器由各監控單元構成，主要完成各種狀態、故障的監視，模塊控制器的控制、調節功能。總成控制器經CAN總線與模塊控制器和液晶顯示模塊進行通信，實現對整個電源系統的監測、管理和控制等功能。

2 CAN通信網絡硬件電路設計

在CAN總線通信網絡的硬件設計中，最為重要和核心的是CAN控制器的選取、CAN收發器的選取以及信號在傳輸過程中的隔離技術[6]。

本文設計的CAN通信網絡采用意法半導體公司的STM32F103系列芯片自帶的CAN控制器。該控制器是基于ARM的32位微控制器，其內部的CAN接口兼容規范2.0A和2.0B(主動)協議，位速率高達1Mb/s。它可以接收和發送11位標識符的標準幀，也可以接收和發送29位標識符的擴展幀。具有3個發送郵箱和2個接收郵箱，3級14個可調節的濾波器，其用法靈活可靠，能夠滿足系統進一步擴展的需要。

將PCA82C250作為CAN收發器，它是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，與ISO 11898標準完全兼容。其芯片內部具有限流電路，能夠保護收發器輸出級，避免陽極和陰極短路。采用雙線差分驅動，提高對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力，有助于抑制惡劣電器環境下電流的瞬變，使總線具備很強的抗瞬間干擾能力[6]。

傳統的CAN總線隔離采用的是光電耦合器技術,使用光束來隔離和保護檢測電路，但是其不穩定的電流傳輸速率、非線性的傳輸函數、溫度和使用壽命等方面的問題都制約著其在更高要求環境中的應用[7]。本文設計的CAN網絡采用的隔離芯片ADuM1201[7]，是基于亞德諾半導體（ADI）公司iCoupler磁隔離技術的雙通道數字隔離器，采用了高速CMOS工藝和芯片級的變壓器技術來集成變壓器驅動和接收電路，由于其取消了光電耦合器中影響效率的光電轉換環節，無需驅動LED的外部電路，因此其功耗僅為光電耦合器的1/50～1/10，數據傳輸速率和時序精度是光電耦合器的10倍。同時，ADUM1201的電源電壓為2.7～5.5V，從而進一步降低系統的功耗，并且能夠在一個芯片內提供兩個高度匹配的方向相反的隔離通道,這樣大大簡化了硬件連接線路[8]。

圖2給出了CAN總線通信接口硬件設計電路。ADuM1201的1、4引腳和5、8引腳之間各自加一個旁路電容，濾除高頻噪聲和高頻雜波，2、3引腳分別連接STM32F103系列芯片CAN控制器的CAN_RX和CAN_TX引腳。將PCA82C250的RS引腳通過電阻接地，使其在高速模式下工作。總線末端加上與傳輸電纜特性阻抗接近的120Ω終端匹配電阻,消除信號反射，提高通信網絡的抗電磁干擾能力[9]。CANH和CANL直接與CAN總線通信網絡相連。

3 CAN通信網絡軟件設計

3.1 通信協議的設定

現有的CAN2.0B協議只定義了物理層和數據鏈路層，在實際應用中應根據實際情況自己開發應用層程序[10]。

本文設計的整個CAN通信網絡采用帶有擴展成29位ID標識符的高級形式的PeliCAN進行數據傳輸，并且對這29位擴展標識符做了如表1所示的編碼分配，這種編碼分配方法給出了目標設備編號、目標設備類型、報文CID號、源標設備編號和源標設備類型等信息，保留的10個位的編碼，能夠增加CAN通信網絡的通用性和可擴展性。

總線上各節點的編碼規則如表2所示，表中編碼數值越小，說明與之對應的設備優先級越高。

設備編號從0000～1111，共16個編號，單一的目標設備類型和目標設備編號組成唯一的報文去向，單一的源標設備類型和源標設備編號組成唯一的報文來源。將目標設備類型和目標設備編號的組合作為此條報文優先級的評估標準，以目標設備類型編碼為高3位、以目標設備編號為低4位，二者組成的數值代表了此條報文的優先級數值，優先級數值越小表示此條報文的優先級越高。確定的29位擴展標識符明確了此條報文的來源、去處以及優先級等信息。

3.2 軟件程序設計

CAN通信網絡接口的軟件設計主要包括CAN控制器的初始化設置、報文發送和報文接收3個部分。程序主流程圖如圖3所示。

CAN控制器的初始化是整個CAN總線通信網絡能夠正常工作的前提[11]，它的配置包括CAN控制器工作方式的設置、波特率參數的設置、過濾器的選擇、過濾器工作方式的選擇、過濾器標識符的設置、報文接收郵箱的設置以及各種錯誤中斷使能的設置，由于ST公司有自己的驅動函數庫，因此只需調用函數庫中的CAN_DeInit（），CAN_StructInit（），CAN_Init（），CAN_FilterInit（）和CAN_ITConfig（）這5個函數即可實現對STM32F103系列單片機CAN控制器的初始化配置。

CAN報文在發送時，需先將編碼分配后的29位擴展標識符填入報文的仲裁場，并將8字節的數據信息填入數據場中，數據場格式如表3所示，通過發送函數發送給CAN網絡的其他節點。而對于CAN報文的接收，首先每個節點通過對29位擴展標識符的解碼分析，由過濾器過濾出有效的報文，然后通過接收函數將整條的有效報文存放在接收郵箱里，并對報文數據域的數據進行提取解析,得到有效信息。圖4為CAN發送和接收程序的流程圖。

4 CAN總線通信驗證

對上述的CAN總線通信方案進行驗證。將此CAN總線通信網絡應用于4個由78塊串聯鋰離子蓄電池組成的模塊并聯、額定電壓為250V的單軌吊動力電源管理系統中。

為模塊控制器、總成控制器和液晶顯示器分別編寫了CAN通信程序，用C#語言編寫了用于監測CAN通信的上位機顯示界面，實時監測的報文如圖5所示，1所示的部分為CAN原始數據的擴展標識符，以擴展標識符為 0X4AA2400為例 （二進制為00100101010100010010000000000），則表示這是一條由總成控制器1發送給模塊控制器2的CID編號為21的報文，報文的優先級是34。2所示的部分為CAN原始數據的數據幀，解碼后的數據信息顯示在2.8寸液晶顯示屏上。

5 結束語

以鋰離子蓄電池管理系統中各功能節點作為研究對象，設計基于iCoupler磁隔離技術的硬件電路，編寫了基于CAN擴展標識符分配方法的軟件程序。對此CAN通信網絡進行驗證，結果顯示：報文以60ms為周期在整個CAN通信網絡中無錯誤不間斷地傳輸。證明基于CAN總線的通信網絡設計能夠快速、準確地完成不同節點之間的信息傳遞，滿足鋰離子蓄電池管理系統對于實時性和可靠性的要求。

[1]Armand M，Tarascon J M.Building better batteries[J]. Nature，2008（451）：652-657.

[2]王棟梁，溫燦國.鋰離子蓄電池在礦用電機車上的應用[J].礦山機械，2011，39（4）：40-43.

[3]程博，葉敏，孔德剛，等.電動汽車電池管理CAN總線通訊系統設計[J].電源技術，2012，136（8）：1096-1098.

[4]李光耀，郭迎清，王海泉.基于CAN總線的航空發動機分布式控制系統通信研究[J].測控技術，2009，28（1）：62-66.

[5]吳曉娜，王雪梅，倪文波.基于CAN總線的客車車內環境實驗檢測系統設計[J].中國測試，2010，36（6）：82-85.

[6]閆茂德，陳金平.基于CAN總線的汽車電子系統傳輸網絡設計[J].長安大學學報：自然科學版，2006，26（1）：86-89.

[7]ADI公司.Dual Channel Digital Isolators ADuM1200[Z]. 2004.

[8]李英，徐釗.采用ADuM1201的CAN總線隔離方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2006（4）：45-47.

[9]張炳力，朱可，趙韓，等.基于CAN總線的燃料電池客車通信網絡設計[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：657-658.

[10]張儀棟，謝東坡.汽車道路性能測試系統CAN總線通信協議[J].中國測試，2012，38（4）：86-88.

[11]侯明，杜奕.基于CAN總線的接口電路設計[J].通信技術，2008，41（7）：138-140.

Research of communication network for lithium ion battery management system based on CAN bus

XIAO Lin-jing，YUE Ming-chen，LI Hong-yu，CHANG Long，ZHANG Yu-long
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

In order to satisfy the request of high reliability in using lithium ion battery，monitoring voltage，current and temperature of batteries in real time is necessary.A communication network based on the protocols of CAN2.0B in lithium ion battery management system was designed.With the technology of iCoupler magnetic isolation，the hardware circuit of communication network interface was designed.And also，based on the uniform data format and distribution method of extended identifier in communication network，the software was designed.The authors tested the CAN bus communication network on site.The results are that messages for 60 ms-cycle transmit uninterruptedly and accurately in the communication network.The test results show that the design of the communication network based on the CAN bus can meet the request of high real-time and reliability in lithium ion battery management system.

CAN bus；lithium ion battery management system；communication network；iCoupler magnetic isolation

TP336；TM912.9；TM919.2；TP311.56

：A

：1674-5124（2014）04-0006-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.002

2013-12-03；

：2014-02-16

山東省科技發展計劃項目（2012GSF11606）

肖林京（1966-），男，山東沂水縣人，教授，博士生導師，主要從事煤礦機電一體化、煤礦新能源車輛方面的研究。