一种具有冗余通信网络的蓄电池管理系统设计

一种具有冗余通信网络的蓄电池管理系统设计

张家兵¹ 张宏¹ 王红军¹ 徐国华² 刘钢²

（¹安徽恒源煤电股份有限公司 安徽宿州 234000；²苏州贝特贝斯能源技术有限公司 江苏苏州 215163）

摘  要 为了避免由于通信线路故障而导致蓄电池管理系统瘫痪,本设计给出了一种带有双通信网络的蓄电池管理系统,其中主路通信为常规CAN总线,辅助通信网络为基于直流母线的载波通信,使得在主通信网络发生错误或者失效的情况下保证系统的可靠运行;同时本设计中的蓄电池管理系统带有双向DC/DC模块,同时具备充电和均衡功能,使系统功能更加完善。

关键词 双冗余通讯网络；直流母线载波通讯；双向DC/DC；蓄电池管理系统

中图分类号 TN915.02      文献标志码：A 

Design of New Battery Management System with Redundant Communication Network  

(Zhang Jiabing¹,Zhang Hong¹,Wang Hongjun¹,Xu Guohua²,Liu Gang²)

(¹Anhui Hengyuan Coal-electricity Group CO.,LTD,Suzhou,234000,China;²Suzhou BTBS Energy TECH.CO.,LTD,Suzhou 215163,China)

Abstract In order to avoid the crash of battery management system caused by communication network fault, a battery management system with a dual redundant communication network was proposed in this design. The primary communication path is a conventional CAN bus, the auxiliary communication network is carrier communication based on the DC bus, which ensure reliable operation of the system in the case that an error occurs or the failure of the main communication network. Meanwhile, bi-directional DC/DC module is included in the design of the battery management system, and the system possesses charging and equalization features that make the system function more perfect.

Key words Dual redundant communications network; Carrier communication based on DC bus; Bidirectional DC / DC; Battery management system

由于受电解液温度、充放电不均匀、过充过放等因素的影响，铅酸电池的实际使用寿命远远低于其理论寿命，造成了蓄电池使用成本的增加，阻碍了电动汽车普及的步伐。为保障蓄电池长期使用在性能最优的状态下，必须对电池进行合理有效的管理和控制，蓄电池管理系统BMS（Battery Management System）便应运而生并发挥着保护电池的作用。目前市面上通用的BMS方案是基于某一种总线的通信方案，比如在电动汽车上常用的是基于CAN (Controller Area Network，控制器局域网络)通讯总线的蓄电池管理系统，其在工作10000h之后的可靠度为0.9048^[1]。在通信网络故障的情况下就有可能导致BMS系统瘫痪，为使得系统更加稳定可靠，本设计提出了一种带有双冗余通信网络的蓄电池管理系统。冗余单元数与系统可靠度函数如图1所示^[1]。

图1 冗余单元数与系统可靠度函数

1 双冗余通讯网络蓄电池管理系统方案

为了提高系统的可靠度，本设计提出了一种带冗余通信网络的蓄电池管理系统，如图2所示。冗余设计通常分为部分冗余和全面冗余，部分冗余设计通常仅实现了物理介质和物理层的冗余，通信的实时性和可靠性仍不能得到有效保证；全面冗余方法对传输介质、数据链路层及物理层甚至是应用层都进行了全面的冗余，因此可以大幅度提高系统的可靠性。若采用双冗余CAN总线则需要增加一组数据总线，增加了系统的成本和扩展的复杂度^[2]，文献[3]中提出了一种单芯电缆高速传输井下视频数据的技术，其原理是：压缩处理后的图像信号经过调制、放大、隔离之后，由单芯铠装电缆传输到地面，在地面进行阻抗匹配和解调提取信号，在地面上利用复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）实现数据的解调，其实现相对复杂且成本过高。而本设计中的主控制单元电路和从控制单元电路之间采用两种通讯方式包括CAN数据总线通讯网络和基于直流母线的载波通讯网络这两种通讯方式，当其中一种通讯方式故障或中断时，另一种通讯方式能够保证整个电池管理系统正常运行。本设计所提出的方案在不增加系统复杂程度的情况下保证了系统更加稳定可靠地运行，同时也方便系统进行升级扩展和维护。

图2 具有冗余通讯网络的电池管理系统框图

2 从控制单元电路设计

从控制单元主要完成以下几个功能：电池组功率充电电路和电池组均衡电路（即图中的双向DC-DC模块）、电池组状态参数采集、数据调制与解调电路、CAN数据通讯网络电路，如图3所示。为满足从控制单元的功能需求，选MC68HC908GZ16作为从控制单元的MCU（Micro Control Unit），此单片机片上资源丰富，具有两个PWM，8通道的10位AD口，集成CAN控制器等，方便外围电路设计，降低系统成本。从控制单元电路中的电池组可以为单节电池，也可以为不超出8节的电池单体组成的串并联模块；常规充电时，直流母线通过双向DC/DC变换电路为电池组充电，此时均衡电路关闭，从控制板上的单片机根据采集到的电池组电压和预先设定的充电模式来调节双向DC/DC变换电路的方向和其PWM的脉宽，电池电压、电流、温度等数据经过滤波电路处理之后送至单片机做AD采样。从控制板上的单片机和主控制板上的单片机之间通过两种方式进行数据交互：一为CAN通讯网络，从处理器处理完的数据量由其内部集成的CAN总线控制器发送到CAN总线上去，然后由主控制单元接收，同样主控MCU也会将需要交互的数据发送到CAN总线上，然后由从控制单元接收；二为基于直流母线的载波通讯，即从控MCU将处理过的数据经由调制解调器发送到主流母线上，在主控板上同样有一个调制解调器，将数据解调之后送主控MCU。在本设计中的调制解调器采用YAMAR公司的SIG60基于交/直流总线载波通讯的调制解调芯片，广泛应用于传感器/执行器总线、机器人控制网络、安全监测和电池管理上。其具有以下特点^[4]：1）噪声抗变换性的基于电池电力线的UART/LIN收发器；2）六个可选的载波频率；3）可选择的比特率范围9.6Kbps到115.2Kbps；4）在网络中既可用作主模式，也可用作从模式；5）宽交流/直流电压范围的通讯。MC68HC908GZ16与SIG60的连接电路如图4所示。

图3 从控制单元电路框图

图4 MC68HC908GZ16与SIG60的连接电路

3 主控制单元电路设计

主控制单元接收从单元发来的蓄电池状态参数，送显示系统显示，同样地，主控制单元也有两个通讯网络与从控制单元进行通讯，如图5所示。主控制单元作为整个系统的调度中心，其一个主要任务就是判断CAN总线是否故障，在判定CAN总线故障后启动载波通讯，其核心是一个错误检测模块^[5]和调度机制^[6]，通信调度切换的流程图如图6所示；另一个主要任务就是正常充电和均衡的切换，均衡和正常充电的调度流程如下：主控单片机计算接收到的所有电池电压的平均值，将电压高于平均值的电池通过直流母线向电压低于均值的电池放电。

图5 主控制单元电路框图

图6 通讯调度切换流程图

4 结论

为了保证蓄电池管理系统的可靠性，本文基于CAN总线与直流载波通讯的相关理论和技术特点，提出了一种具有冗余通信网络的蓄电池管理系统，主控制单元与从控制单元之间采用CAN总线和基于直流母线的载波通讯两种方式，在保证系统成本和扩展便捷的情况下，当CAN总线故障时，主控制单元依然可以通过直流载波通讯方式与从控制单元通讯，使得蓄电池管理系统更加稳定可靠。同时在吸收了文献[7]和文献[8]技术的基础上，更加简化了系统的复杂程度，使通讯线、功率充电线、均衡总线共用两条线，提高了总线复用率。

参考文献

[1] 傅灵丽.双冗余网络在励磁装置中的应用及可靠性分析[J].大电机技术,2010(5):60-62

[2] 禹春来,许化龙等.CAN总线冗余方法研究[J].测控技术,2003,22(10):28-30,41

[3] 张家田,邓程华.单芯电缆高速传输井下视频数据技术[J].石油仪器,2006(8):8-10

[4] SIG60-UART over Powerline,for AC/DC-BUS Network[K].2010

[5] 李书福等.一种总线错误恢复处理方法：中国，201010300464.6[P].2010-07-21

[6] 张辉,张阳等.分布式测控系统通讯网络的设计与实现[J].现代科学仪器, 2012,(6):122-125

[7] George Altemose. A Battery Electronics Unit (BEU) for Balancing Lithium-Ion Batteries[C].Power Systems Conference,Washington,SAE International,November 11-13,2008

[8] Kim T,Park N,Kim R,et al.A high efficiency Zero Voltage-Zero Current Transitionconverter for battery cell equalization[C].Applied Power Electronics Conference andExposition (APEC),2012 Twenty-Seventh Annual IEEE. IEEE, 2012: 2590-2595