关键词: CAN总线 镍氢电池 SOC动态测量
蓄电池的荷电状态SOC（state of charge）是用来反映电池的剩余容量的,SOC的准确测量在燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）的发展中是一个非常重要的问题。FCEV在运行时，大的电流很可能会造成电池过充（超过80％SOC）或深放（小于20%SOC），FCEV电池操作窗SOC的合理范围是30％～70％，因此FCEV的控制系统一定要对电池的SOC状态进行监测，对电池组中每块电池的端电压、温度及充放电电流进行实时采集，随时预报汽车蓄电池的剩余能量或荷电状态,当蓄电池电量过低需要充电时，及时报警，从而提高蓄电池的使用寿命和整车的运行性能。
1．SOC检测方法
FCEV在某一个运行状态下，电池中的剩余容量是许多参数的函数，此数值是和放电电流，电压、温度及电池过去充放电历史相关的。因此电池的SOC无法用一个明确的数学方程来描述。FCEV常采用镍氢蓄电池作为辅助能源，因镍氢蓄电池具有比能量大，比功率高，使用温度范围宽，可高倍率放电等优点。镍氢电池的SOC值与放电电流的大小有关，通常用放电倍率C表示放电电流的大小或放电条件。以不同的放电倍率放电，镍氢蓄电池的放电终止电压即开路电压是不同的。镍氢蓄电池的放电特性曲线如图1所示。图中可见，放电倍率越大，起始的放电电压越小，电池所能放出的电量越大。
放电倍率越大，电池放电后的终止电压即开路电压也越高，而电池的开路电压与电池SOC状态具有某种对应关系，利用镍氢蓄电池的充放电特性，通过实时采样电池充放电时的瞬时电压和瞬时电流，就能实现对镍氢电池充放电过程中任一状态下剩余容量的动态测量。
2．SOC测控系统构成
基于CAN（ Control Area Network）总线的蓄电池SOC动态测量系统结构如图2所示。主要由电流传感器和电压传感器、电池组测量单元、电池管理ECU（Electronics Control Unit）组成。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，CAN总线的信号传输速率可以达到1Mbps。CAN总线采用多主工作方式，网络上任一点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。CAN采用短帧结构，具有强大的差错检测和处理机制，数据出错率极低。
蓄电池在FCEV系统中的作用是供电，它是一个输出模块，其输出信号有电压、电流、温度、SOC值等，电池的所有信号均经过电池的电控单元被数字化为0～255的标准量，在物理传输上对应于0V～5V的模拟量，利用CAN总线与外部汽车中其他控制系统进行通信。
系统中所使用的单体电池被组合成24个电池组，对每6个电池组配置一个测量单元，即有ECU1～ECU4 4个测量单元，每个测量单元的控制器均采用Philips公司的8位高性能单片机P87C591，该芯片内部集成了CAN控制器SJA1000和A/D模数转换模块。测量单元的主要功能是提供电池组的电压和温度信息，并将采集的信号通过CAN总线发送给电池管理ECU。电池组的ECU与电池管理ECU组成一个CAN总线网络，网络拓扑结构为总线形，传输介质为双绞线，传输协议为CAN2.0B。电池管理ECU为双CAN控制器结构，一个CAN控制器与电池组ECU组成电池管理系统内部的CAN网络，另一个CAN控制器与汽车中其他控制系统组成整车光纤CAN总线网络，传输介质为塑料光纤，传输协议为CAN2.0B，能实现多机通信，并达到上位机控制和蓄电池SOC状态预测的目的。
3．CAN通信接口电路设计
CAN通信接口电路如图3所示，主要由微控制器，光电隔离电路，CAN收发器等三部分组成。微控制器采用P87C591单片机，该芯片的CAN模块与外部的CAN单元通信主要由单片机的CANRX（接收）和CANTX（发送）两个引脚来完成。为了增强CAN总线接点的抗干扰能力，在P87C591和CAN收发器82C250之间，采用了光电隔离芯片6N137，该芯片的输入、输出供电电压均为5V。CAN收发器82C250是驱动P87C591的CAN控制器与物理总线间的接口，其工作电压也为5V，它可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的接收功能。电阻R10作为CAN总线终端的匹配电阻，选用典型值为 。
图中的C7，C8，C9均为芯片的去耦电容，大小为0.1uF；R5，R6，R7，R8均为限流电阻，大小为 ；82C250的复位端RS通过电阻R9接至地端。
4．系统软件设计
本系统软件采用8051系列的C语言编程，按照模块化设计思想进行编写，包括主程序、CAN初始化程序、CAN发送数据程序、CAN接收数据程序、A/D转换及定时中断程序等。CAN初始化程序用来实现CAN工作时的参数设置，主要包括工作方式的设置、时钟输出寄存器的设置、接受屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、总线定时器的设置、输出控制寄存器的设置、中断允许寄存器的设置和总线波特率的设置。系统主程序流程设计如图4所示，主要包括初始化和主循环部分。
系统上电之后，首先对对CAN控制器和定时器进行初始化，然后系统等待中断，如果有中断，判断中断类型；如果是SJA1000控制器的中断，就读取SJA1000控制器的数据，并且释放缓冲区，操作完中断返回；如果是定时器50ms周期中断，对电压、电流数据进行A/D转换，计算SOC值，并由CAN发送相关数据，操作完中断返回。
5．结语
根据蓄电池用于车载系统的特殊环境及对SOC参数的测试要求，本系统采用了双CAN总线结构和光纤通信技术，使系统的实时性、可靠性和抗干扰能力大大增强，而且系统易于扩展，灵活性好，能够准确、实时的预测FCEV蓄电池的SOC值，提高了蓄电池的使用寿命和FCEV的整车性能。
参考文献：
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. 全书海,王超,宋 娟，车用燃料电池发动机控制系统与协调控制研究，华中师范大学学报（自然科学版） 2005.9 Vol 39，NO.3 P325～P328
4．宋 娟，罗志平，全书海. 基于PID算法的燃料电池实验室组态王监控系统.微计算机信息. 2006年第1期, P28-30
