电动汽车电池管理的远程监护与故障诊断

2016-09-08何朴芳蒋新华东华大学上海060上海航天电源技术有限责任公司上海065

电源技术 2016年1期

何朴芳，吴　赟，蒋新华(.东华大学，上海060；.上海航天电源技术有限责任公司，上海065)

电动汽车电池管理的远程监护与故障诊断

何朴芳1，吴赟1，蒋新华2
(1.东华大学，上海201620；2.上海航天电源技术有限责任公司，上海201615)

结合GPRS无线传输和CAN通信的高可靠性，设计了一种以MSP430为主控制器的面向电池管理的远程监护与故障诊断系统，实现对批量电池生产设计的远程实时监控、安全保护、故障诊断、SOC估算校正等，掌握现场电池运行状态，有效评估电池优劣，提高电池组利用率和使用寿命，降低人员工作量，控制风险，具有一定实用价值。

电池管理；CAN通信；无线传输

传统的电池批量生产中，或者大型电动汽车、列车的电池设计时，针对电池管理系统采集的电池单体电压、电流和温度、荷电状态(SOC)等数据，都采用RS-232串口传输，通讯距离不能太长，不能直接实现远程控制的需求，传输速度慢，限制数据的大量高速传输。GPRS无线技术具有随时在线、运行费用低、覆盖范围广等特点，适合于需频繁传送小流量的应用领域，采用TCP/IP协议，通过无线通道传输数据，有效解决工业设备与外界交换中通讯距离短、传输速度慢、传输数据量少的问题，并减轻工作人员工作量，提高时间利用率，降低风险[1]。

本文设计面向电池管理的远程监护与故障诊断系统，以MSP430F149为主控制器，CAN总线技术和GPRS无线技术为核心，传输电池管理系统采集的数据，实现远程终端与近端管理系统的数据和指令的交流，对电池组的实时监护与故障诊断，SOC估算校正，实行对电池组单体电池的优劣分类、替换、设计高匹配的电池组等。

1系统方案设计

本文完成数据远程传输，近端实现CAN总线传输采集的数据至主控制器，主控制器对数据进行读取换算，阈值判断，显示屏显示，并控制GPRS模块，发送至远程终端。每套电池组都带有电池管理系统(BMS)，完成单体电池的电压和温度的检测，总电压和总电流的测量、电池组充放电控制、SOC估算

此外，系统还提供短信报警功能，当发生参数超限时，主控制器自动向预先设定的维保人员手机发送报警短信，当BMS系统故障或GPRS网络通信中断，也可以通过短信途径报警。系统框图如图1所示。

图1　　系统框图

2 硬件设计

从设计成本和节能出发，本文选用美国德州仪器(TI)1996年推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器——MSP430单片机作为中央控制器，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗的特点，性价比高。

CAN通信选用Microchip的MCP2515，独立的控制器局域网络协议控制器，完全支持CAN V2.0B技术规范，发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧，自带两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器，可以过滤掉不想要的报文，减少MCU的开销，有独立的SPI接口，连线方便。

GPRS模块选用 LQ 1000 GPRS DTU，提供标准RS232/485数据接口，可以方便地连接各种设备，仅需一次性完成初始化设置，用户设备就可以与数据中心通过GPRS无线网络建立连接，实现数据的全透明传输。

MSP430F149有两个USART通信端口，支持串口异步和同步通讯，在硬件组合时串口0连接GPRS模块实现无线通信，串口1作为SPI口进行CAN通信通讯。系统上电后，BMS负责单体电压温度、总体电压电流等信息的采集和计算，并将数据上传到总线，监控中心定时接收总线上的数据信息，完成电池组的数据显示、平衡管理、安全控制等，以及实现远程监控。上位机具有TCP侦听功能，随时接收GPRS传输的数据。硬件系统如图2所示。

图2　硬件系统

3 软件设计

3.1CAN总线应用程序

3.1.1CAN协议

优先级：00,01,10,11，分别指示报文的优先级，00为最高级，用于发送控制命令和报警信息，11为最低级，用于发送状态信息，01用于设置参数，10用于发送异常信息。

功能码：用于指示报文的信息类别，包含温度信息、电压信息、电流信息、总电流电压信息、SOC、异常信息等。

报文编号：6位，用于主控制器识别数据来源以及发送控制命令到各BMS单元的单元编号，接收报文的节点，根据报文中单元编号对对应的BMS单元进行控制。

应答位：1位，对报警信息和控制信息做出应答，状态信息无需应答。

对于整个电池系统，相关数据可以打包到1帧中，保证数据的发送效率，充分利用总线带宽，对于需要快速发送的数据比如控制命令、报警信息，数据长度要尽可能短，以确保传输时间足够短，提高数据传输的实时性。

3.1.2初始化

CAN总线建立通信，首先进行初始化，根据扩展帧模式对接收发送缓冲器、验收屏蔽寄存器和验收滤波器、位定时等参数做相应的设置；设置完毕，系统进入数据接收传输状态，准备待发报文，接收报文并对错误状况进行处理。初始化程序如下：

3.1.3发送报文和接收报文

在发送起始帧SOF之前，等待发送的报文的发送缓冲器的优先级进行比较，由于发送缓冲器0的优先级高于发送缓冲器1，因此发送缓冲器0将先发送。通过将TXBnCTRL. TXREQ位置1，即启动相应缓冲器的报文发送。

报文验收滤波器及屏蔽寄存器用来确定报文集成缓冲器中的报文是否应该被载入接收滤波器，报文标识符段将与寄存器的值进行比较，匹配者对应的报文将被载入相应的接收滤波器。主控制器收到数据，存入内存单元，根据CAN协议分离ID部分和数据部分，ID可以分辨出信息来源和信息类型，按照协议结构提取数据的起始字节和总字节数，经过偏移量和比例因子运算计算出数据的十进制值[3]。

滤波/屏蔽寄存器真值表见图3。

发送和接收的流程如图4、图5所示。

图3　滤波/屏蔽寄存器真值表

图4　　发送流程

图5　　接收流程

3.2GPRS技术

本文实现远程传输采用GPRS网络技术作为中介，GPRS技术的关键是以IP包的格式将数据进行包装，通过PPP协议获取动态分配的IP地址，通过数据传输协议(TCP，UDP)实现远程数据通讯。如果上位机的IP地址是随机非固定的，需采用动态域名解析的方式解决每次开机IP地址不一样的问题，将GPRS发送数据设定为固定的域名地址，上位机通过域名解析软件将固定域名解析为当前网络的公共IP地址，所采用的数据传输协议为TCP协议[4]。

系统上电后，GPRS初始化，设置UART0串口波特率，发送AT指令激活GPRS移动网络，获取动态IP，设置好接收IP和端口，传输数据。GPRS发送的数据段内容结构和CAN设置的格式类似，上位机依据每段字节含义分解数据，侦听到数据来临，判断起始位是否状态信息、异常信息或者报警信息，对数据进行分类保存，最终得到每组电池运行情况动态表。若上位机接收到异常信息，查看对应异常电池组动态变化，判定异常级别，故障诊断，并给予信息反馈和处理措施。对于报警信息，上位机回复控制命令至主控制器，主控制器发送至BMS单元，实现安全控制。

GPRS模块参数设置的指令有：

AT+CGCLASS="B" //设置模块工作类型；

AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" ；

AT+CGATT=1//激活PDP，获得IP

AT+CIPCSGP=1,"CMNET" ；

AT+CIPSTART="TCP",IP地址；

AT+CIPSEND ，"内容"。

为保证数据传输可靠实时，BMS所有单元与主控制器、上位机每5分钟发送一次互动信息，由主控制器发出，BMS单元和上位机给予回应，当回应信息没有正常收到，主控制器发送报警信息至管理员手机。软件流程如图6所示。

图6　　软件流程

4 结束语

本实验通过对8组电池、每组电池8节进行充放电，实现了对电池组的电压、电流、温度以及SOC状态的监测和安全管理，GPRS网络实现远程状态监护，工作人员通过上位机可以实时查看电池系统状况和异常情况，减轻工作量，降低风险。根据上位机存储的历史数据和当前状态，可以进行故障诊断，和近端电池系统进行指令沟通，可以结合数据进行安全分析，方便工作人员有目的地分析数据，并可以根据数据状况分析电池系统稳定状态，检测异常报文的可靠性，实现即时调整预警阈值，提高工作效率。进行单体电池的比较分析，替代劣质电池，可组合高匹配电池组，设计高利用率、高安全的电池系统。

[1]景柏豪，沈孟良，唐晔钧.CAN-Modbus/TCP协议转换的设计与实现[J].计算机工程与设计，2013，34(5)：1552-1556.

[2]王邦继，刘庆想，李相强，等.CAN总线应用层协议的研究与实现[J].计算机工程与应用，2011，47(20)：14-16.

[3]陈燕虹，沈帅，刘宏伟，等.多辆电动汽车远程监控系统[J].吉林大学学报：工学版，2013，43(2)：285-290.

[4]杨文继，陈恒，金伟.一种基于GPRS通信的车辆检测器的设计与实现[J].现代电子技术，2011，34(15)：164-166.

Battery management system for remote monitoring and fault diagnosis

HE Pu-fang1,WU Yun1,JIANG Xin-hua2
(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Shanghai Aerospace Power Technology Co.,LTD,Shanghai 201615,China)

Combined with GPRS wireless transmission and CAN communication with high reliability,a kind of battery management system for remote monitoring and fault diagnosis was designed,that MSP430 was used as the main controller，to realize remote real-time monitoring for the batch of battery production design,safety protection,fault diagnosis,SOC estimation,calibration,etc.The battery operation state was mastered,batteries were effectively evaluated,the utilization rate and the service life of the battery pack were improved,the workload of workers,and controlrisk were reduced.Above all had certain practical value.

battery management;CAN bus communication;wireless transmission

TM 912

1002-087 X(2016)01-0110-03

2015-06-05

何朴芳(1989—)，女，安徽省人，硕士，主要研究方向为电源管理、无线通信。和故障预警等功能。BMS设有CAN通信接口，定时向外发送电池组工况数据，经过CAN通道至主控制器MSP430，并由主控制器控制GPRS模块上传远程上位机，实现远程监护电池系统的运行。