摘 要: 以燃料電池電動汽車蓄電池管理系統為背景，構建了基于CAN總線的蓄電池SOC動態測量系統。給出了系統的硬件電路和軟件主程序流程圖，實際測量結果滿足設計要求。 關鍵詞: CAN總線 鎳氫電池 SOC動態測量 蓄電池的荷電狀態SOC（state of charge）是用來反映電池的剩余容量的,SOC的準確測量在燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）的發展中是一個非常重要的問題。FCEV在運行時，大的電流很可能會造成電池過充（超過80％SOC）或深放（小于20%SOC），FCEV電池操作窗SOC的合理范圍是30％～70％，因此FCEV的控制系統一定要對電池的SOC狀態進行監測，對電池組中每塊電池的端電壓、溫度及充放電電流進行實時采集，隨時預報汽車蓄電池的剩余能量或荷電狀態,當蓄電池電量過低需要充電時，及時報警，從而提高蓄電池的使用壽命和整車的運行性能。 1．SOC檢測方法 FCEV在某一個運行狀態下，電池中的剩余容量是許多參數的函數，此數值是和放電電流，電壓、溫度及電池過去充放電歷史相關的。因此電池的SOC無法用一個明確的數學方程來描述。FCEV常采用鎳氫蓄電池作為輔助能源，因鎳氫蓄電池具有比能量大，比功率高，使用溫度范圍寬，可高倍率放電等優點。鎳氫電池的SOC值與放電電流的大小有關，通常用放電倍率C表示放電電流的大小或放電條件。以不同的放電倍率放電，鎳氫蓄電池的放電終止電壓即開路電壓是不同的。鎳氫蓄電池的放電特性曲線如圖1所示。圖中可見，放電倍率越大，起始的放電電壓越小，電池所能放出的電量越大。 放電倍率越大，電池放電后的終止電壓即開路電壓也越高，而電池的開路電壓與電池SOC狀態具有某種對應關系，利用鎳氫蓄電池的充放電特性，通過實時采樣電池充放電時的瞬時電壓和瞬時電流，就能實現對鎳氫電池充放電過程中任一狀態下剩余容量的動態測量。 2．SOC測控系統構成 基于CAN（ Control Area Network）總線的蓄電池SOC動態測量系統結構如圖2所示。主要由電流傳感器和電壓傳感器、電池組測量單元、電池管理ECU（Electronics Control Unit）組成。CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，CAN總線的信號傳輸速率可以達到1Mbps。CAN總線采用多主工作方式，網絡上任一點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節點信息。CAN采用短幀結構，具有強大的差錯檢測和處理機制，數據出錯率極低。 蓄電池在FCEV系統中的作用是供電，它是一個輸出模塊，其輸出信號有電壓、電流、溫度、SOC值等，電池的所有信號均經過電池的電控單元被數字化為0～255的標準量，在物理傳輸上對應于0V～5V的模擬量，利用CAN總線與外部汽車中其他控制系統進行通信。 系統中所使用的單體電池被組合成24個電池組，對每6個電池組配置一個測量單元，即有ECU1～ECU4 4個測量單元，每個測量單元的控制器均采用Philips公司的8位高性能單片機P87C591，該芯片內部集成了CAN控制器SJA1000和A/D模數轉換模塊。測量單元的主要功能是提供電池組的電壓和溫度信息，并將采集的信號通過CAN總線發送給電池管理ECU。電池組的ECU與電池管理ECU組成一個CAN總線網絡，網絡拓撲結構為總線形，傳輸介質為雙絞線，傳輸協議為CAN2.0B。電池管理ECU為雙CAN控制器結構，一個CAN控制器與電池組ECU組成電池管理系統內部的CAN網絡，另一個CAN控制器與汽車中其他控制系統組成整車光纖CAN總線網絡，傳輸介質為塑料光纖，傳輸協議為CAN2.0B，能實現多機通信，并達到上位機控制和蓄電池SOC狀態預測的目的。 3．CAN通信接口電路設計 CAN通信接口電路如圖3所示，主要由微控制器，光電隔離電路，CAN收發器等三部分組成。微控制器采用P87C591單片機，該芯片的CAN模塊與外部的CAN單元通信主要由單片機的CANRX（接收）和CANTX（發送）兩個引腳來完成。為了增強CAN總線接點的抗干擾能力，在P87C591和CAN收發器82C250之間，采用了光電隔離芯片6N137，該芯片的輸入、輸出供電電壓均為5V。CAN收發器82C250是驅動P87C591的CAN控制器與物理總線間的接口，其工作電壓也為5V，它可以提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的接收功能。電阻R10作為CAN總線終端的匹配電阻，選用典型值為 。 圖中的C7，C8，C9均為芯片的去耦電容，大小為0.1uF；R5，R6，R7，R8均為限流電阻，大小為 ；82C250的復位端RS通過電阻R9接至地端。 4．系統軟件設計 本系統軟件采用8051系列的C語言編程，按照模塊化設計思想進行編寫，包括主程序、CAN初始化程序、CAN發送數據程序、CAN接收數據程序、A/D轉換及定時中斷程序等。CAN初始化程序用來實現CAN工作時的參數設置，主要包括工作方式的設置、時鐘輸出寄存器的設置、接受屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設置、總線定時器的設置、輸出控制寄存器的設置、中斷允許寄存器的設置和總線波特率的設置。系統主程序流程設計如圖4所示，主要包括初始化和主循環部分。 系統上電之后，首先對對CAN控制器和定時器進行初始化，然后系統等待中斷，如果有中斷，判斷中斷類型；如果是SJA1000控制器的中斷，就讀取SJA1000控制器的數據，并且釋放緩沖區，操作完中斷返回；如果是定時器50ms周期中斷，對電壓、電流數據進行A/D轉換，計算SOC值，并由CAN發送相關數據，操作完中斷返回。 5．結語 根據蓄電池用于車載系統的特殊環境及對SOC參數的測試要求，本系統采用了雙CAN總線結構和光纖通信技術，使系統的實時性、可靠性和抗干擾能力大大增強，而且系統易于擴展，靈活性好，能夠準確、實時的預測FCEV蓄電池的SOC值，提高了蓄電池的使用壽命和FCEV的整車性能。 參考文獻： 1．M.eraolo，R.Giflioli. “State-of-charge Estimation for Improving management of Electric Vehicle lead acid Batteries During Charge and Discharge” Proc,of the 13th International Electric Vehicle Symposium （1996） 2．T.Shinpo.Development of Battery Management System for Electric Vehicle.Proc.of the 14th International Electric Vehicle Symposium （1997） 3. 全書海,王超,宋 娟，車用燃料電池發動機控制系統與協調控制研究，華中師范大學學報（自然科學版） 2005.9 Vol 39，NO.3 P325～P328 4．宋 娟，羅志平，全書海. 基于PID算法的燃料電池實驗室組態王監控系統.微計算機信息. 2006年第1期, P28-30