基于CAN總線的煤礦機車電池管理系統設計

徐敏

摘 ? 要：針對煤礦機車鋰電池，文章設計了一種基于CAN總線的多節鋰電池串聯電池組管理系統，實現了對電池信息的檢測與分析處理，并將傳統的電壓法與電流積分法相融合，提出一種剩余電量的估算策略。從硬、軟件兩個方面保證了系統的工作效率與可靠性。

關鍵詞：鋰電池;控制器局域網絡;管理系統;剩余電量

2012年大容量鋰離子電池被允許應用于煤礦產品開始，如今已成為傳統礦用蓄電池機車儲能設備升級改造的首選。在目前動力電池容量無突破性提升的情況下，有一套高可靠性電源管理系統是非常必要的，能夠在線監測鋰電池的電壓、電流與溫度，并估算電池的剩余電量，從而對電池進行有效保護。受限于單體電源箱內串聯電池數目不得超過16節，單體電池容量小于100 AH的安全規定，礦用機車通常由若干個電池箱協同工作提供動力。控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線將各電源箱有效整合在局部電源管理網絡內，實現同步控制。

1 ? ?電池管理系統總體結構與功能

本管理系統主要包括：主控處理器模塊、電池信息采集模塊與通信模塊3部分。以8 T隔爆型機車用130 V 20.6 KW直流牽引電動機ZBQ-15為例，推算需要約40節單體電池提供動力（單體電池工作電壓通常介于2.5～3.7 V之間），若按每8節串聯電池分組，則可平均分為5組。每組電池配置一個集成CAN控制器的飛利浦P8xC591系列單片機進行電壓采集;主控處理器芯片STM32F103C8T6直接與電流、溫度采集電路相連，實現對電池相關參數的在線檢測[1]。

底層單片機將采集到的信息封裝為CAN總線幀格式，再利用CAN總線與主控處理器通信;主控處理器模塊能夠完成電池剩余電量的實時分析計算，并進行現場顯示[2]。同時，主控處理器模塊通過MODBUS總線實現與上位機系統的遠程通信與控制，本文對此部分內容暫不作討論。系統整體方案如圖1所示。

2 ? ?電池管理系統硬件設計

礦用設備電源管理的重點在于保證本質安全。本管理網絡內各電源箱之間采用分布式管理結構，可以明顯降低采樣線數目，使安裝、運行、調試更為簡單，有效提高了礦用機車鋰電池系統的安全系數。主控處理器選用片上配置豐富、基于Cortex-M3內核的低功耗、高性能的STM32F103C8T6芯片。底層采集模塊MCU選用高性能8位微控芯片P87C591，片內配置具備SJA1000的Pelican功能，可通過CAN總線收發器PCA82C250相連，實現采集模塊與主控處理器模塊之間的信息傳輸。

2.1 ?信息采集模塊設計

最能表征電池工作狀態的物理量為單體電池電壓，本系統采集電壓的方法為各電池組集中測量、整體分布測量;而單體電池與電池組的電流是等值的，所以本系統僅采集主回路電流。考慮到單體電池的生產工藝、工作環境的差異性，各單體電池都對應一個測溫裝置。最終所有數據都傳輸至主控處理器模塊進行運算處理[3]。

由圖1可知，40節單體電池均分為5組，處于不同電池箱內。充電時，利用K1，K2，K3，K4開關的斷開以實現各組電池管理子系統之間的電氣隔離;反之，放電時各開關均閉合。本管理系統通過底層單片機控制高速8路選通器件74HC4051導通多節電池監視芯片LTC6804。LTC6804可靠工作的溫度范圍能夠達到﹣40～125 ℃，提供一個在各運行環境中保持高精度的電壓基準源，內置一個最大轉換速率達到1 MHz的AD轉換器。單個LTC6804芯片可測量12節（也可小于該值，但總電壓值需大于11 V）串聯電池，多個芯片可通過專有串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口實現互聯通信，對多芯片進行并聯管理[4]。其中，LTC6804的升級版本LTC6804-2有4條地址線可配置不重復地址，可以利用底層單片機對每個芯片進行單獨尋址，極大程度地簡化了軟件編程。

LTC6804-2將采集、處理的電池電壓數據通過高速全雙工串行同步通信總線傳送至底層單片機。考慮到各待測電池組的電位差別，在傳輸線路上需要采用電氣隔離設計。本管理系統利用LTC6820與外部微處理芯片相連，采用脈沖調制變壓器作為物理隔離器件[5]。

2.2 ?通信接口設計

系統采用CAN總線收發器PC82C250，配合單通道光耦6N137與底層單片機P87C51 CAN接口相連，實現控制芯片與CAN總線二者之間的連接。

3 ? ?電池管理系統軟件設計

3.1 ?軟件總體結構

本管理系統整體軟件設計采取模塊化思想，主要包含主控處理器模塊與底層單片機模塊兩部分軟件設計。主控處理器模塊程序設計含剩余電量估算程序、CAN通信程序以及LCD顯示程序等;底層單片機模塊程序設計含電池信息采集、處理、傳輸程序、中斷程序等。

當檢測到電壓、電流、溫度數值處于不正常范圍內時，系統可以判斷出現故障的單體電池序號，分析故障原因并進入相應的處理子程序。其中，LTC6804-2芯片具備可尋址接口，簡化了操作程序，僅需將目標地址插入數據包發送至SPI通信總線。

3.2 ?通信程序設計

CAN通信過程中，硬件實現數據的打包發送，接收解碼與校驗，所以發送、接收程序為通信程序的主體。

復位操作完成后，進行節點標識號、通信模式、波特率的初始化設置，完成后執行程序并等待中斷請求。發送程序負責發送現場信息數據包，并將數據寫入CAN控制器發送緩沖區。當CAN控制器接收緩沖區已滿時，調用中斷接收程序，讀取數據、釋放緩存，以再接收新數據。

3.3 ?剩余電量估算策略

考慮到材料、加工工藝等因素，單體電池的實際阻抗值并不完全相同，所以一定會有某一單體電池比其余單體預先達到放電電壓閾值，此時應斷開相應開關結束該電池組的放電過程，以防止過放現象出現。本管理系統利用單體電池剩余電量來表征電池組狀態，而剩余電量的測算方法則采取將傳統電壓法與電流積分法相結合的策略。

在沒有外界負載的狀態下，溫度值變化較小且避免了因為負載波動所造成的影響，有效提高了電壓法電量測算時的精度，根據電壓與電量二者之間的擬合關系，由實測電壓值即可得到剩余電量的估算值[6]。

在有負載的狀態下，鑒于單體電池與電池組流經電流的一致性，可認為二者的容量近似。通過讀取存儲器中的電流值，并進行積分運算得到剩余電量值，有效克服了電池自身放電對測量精度的影響。

4 ? ?結語

采用3個獨立模塊采集若干組鋰電池的數據，提高了系統的靈活性;引入CAN總線技術，保證了系統的通信速率與抗干擾能力;底層參數采集系統充分利用了單片機內嵌CAN控制器的功能，有效提高了系統的緊湊性。整個系統對煤礦機車的電池狀態、運行安全性預測具有較高的實用價值。

[參考文獻]

[1]易旺，金可音，龍永新，等.一種新型電動車電池管理系統[J].湖南工業大學學報，2013（2）：94-98.

[2]徐昕晨，彭月祥，邢曉喬.LTC6802-2在高壓鋰電池組測控系統中的應用[J].電源技術，2012（6）：806-809.

[3]孟凡成，侯秀杰.礦用UPS鋰電池組電量檢測系統設計[J].煤礦機械，2015（4）：34-37.

[4]方少乾.礦用大規模鋰電池應急電源電池管理系統的設計[J].煤礦機械，2016（4）：4-7.

[5]李博.礦用車載型鋰離子電源管理系統設計[J].金屬礦山，2014（5）：134-137.

[6]肖林京，張瑞雪，常龍，等.礦用電機車磷酸鐵鋰蓄電池在線狀態檢測系統[J].煤礦機械，2013（4）：206-208.

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Abstract：Aiming at the lithium battery of coal mine locomotive， this paper designs a multi-section lithium battery series battery pack management system based on CAN bus， realizes the detection and analysis processing of battery information， and combines the traditional voltage method with the current integration method， and puts forward a estimation strategy of residual electricity quantity. Ensures the efficiency and reliability of the system from the aspects of hardware and software.

Key words：lithium battery; controller area network; management system; residual power