电池管理系统中无线数据传输技术的研究

马江睿，王 琪，高 田，何培杰

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，西安710032；2.西北工业大学 电子信息学院，西安710072）

电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，是解决人类能源和环境压力的有效途径[1]。就目前电动汽车使用情况看，用户最大的担忧仍然是电动汽车续航能力差和动力电池组寿命短的问题，电池仍然是电动车发展的瓶颈。

电池管理系统BMS 通过安装在电动汽车内的各种传感器，获得所需的信息，随时向驾驶员提供车辆运行时显示蓄电池的电压、电流、温度、剩余电量，以及车速和充电时显示充电的状态等有用信息，以减轻驾驶员里程焦虑，并分析以上信息，从而显示蓄电池的荷电状态和健康状况、预测剩余行驶里程、调节车内温度、调节车灯亮度以及回收再生制动能量为电池充电等[2]。因此，实时监测电池状态、进行数据传输，并对电池组进行有效的管理是研究BMS 的关键问题[3]。

目前，BMS 普遍采用有线数据传输的方式如CAN 总线、RS485，RS232 等。虽然有线传输成本低，但其传输适应性较差，布线繁杂，维护不便，还存在线路老化而导致的线路故障问题。对此，一种准确、高效、简便、易维护的数据传输方式渐渐成为BMS系统中数据传输方式的研究热点[4]。在此研究了具有较强的抗干扰能力，且功耗低的ZigBee 网络实现数据无线传输，采用TI 公司的CC2530 芯片建立无线星型网络，组成高效安全的无线通信电路，以满足多种电池信息传输场合的需求。

1 网络拓扑研究

在多种使用电池提供电能的应用场合中，需要对电池的关键信息进行采集、传输，并控制电池的充放电。基于ZigBee 无线网络通信的BMS，将电池检测单元作为网络节点，采用无线通信方式构成检测系统，实现对电池组的电压、电流和温度数据的采集，并通过设置过压、过流、过温参数对电池充放电进行预警。

采取TI 的免费协议栈ZSTACK 2007，可根据不同的节点数目选用不同的网络拓扑。LR-WPAN常用点对点拓扑或星型拓扑结构[5]。

点对点拓扑结构具有1 个主中央控制器，2 个处于彼此通信范围内的网络设备，可以直接互相通信而无需经中央控制器转发，实现复杂的网络结构。

在星型拓扑结构下，所有的网络设备都与一个中央控制器（又称协调器）进行通信，网络内所有其它节点不能直接通信，必须通过协调器转发。由于电池监控管理系统所需节点不多，且为短距离通信，相比点对点网络，星型网络是一种更简单的短距离集中式通信网络，且能量消耗更低，完全符合系统的要求[6]。

电池节点由电源管理芯片、处理器和无线通信单元构成，实现对电池组的数据检测；中央收发器收集和控制各电池节点，并与上层控制器进行通信。系统拓扑结构如图1 所示。

图1 系统拓扑结构Fig.1 System topological structure

2 无线通信模块硬件设计

BMS 硬件结构如图2 所示，包括电池检测节点和主控模块组成。电池检测节点包括ZigBee 终端模块和传感器采集模块； 主控模块由ARM 嵌入式控制板和协调器模块组成。

ZigBee 终端模块将传感器采集到单体电池的信息进行A/D 转换，然后通过组建无线网络进行数据传输，协调器接将接收到的数据通过串口通信方式传输至ARM 嵌入式控制板，通过LCD 完成实时信息监控。

图2 动力电池管理系统硬件结构Fig.2 Power BMS hardware structure

3 无线通信模块软件设计

3.1 ZigBee 堆栈架构概述

ZigBee 是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接[7]。作为一种新型的无线通讯标准，ZigBee 技术具有统一的技术标准，主要由IEEE 802.15.4 工作组与ZigBee 联盟分别制定。IEEE 802.15.4 工作组负责制定物理层和媒体访问控制层的标准，ZigBee 联盟则制定高层的网络层、应用层和安全服务提供者等标准。其整体协议架构如图3 所示。

整个协议栈由物理层PHY，媒体访问控制层MAC，网络层NWK，应用层APL 组成[8]。其中，①PHY 层 用于实现无线收发器的开启和关闭、能量监测、链路质量指示、信道选择、空闲信道评估和物理媒体对数据包的收发，并为层提供物理层数据服务和物理层管理服务。②MAC 层 负责为一个节点与其直接邻居之间提供可靠的通信链路，提供冲突避免机制以提高通信效率，负责组装和分解层帧。③NWK 层 决定设备连接和断开网络时所采用的机制；执行设备间的路由发现和路由维护；完成一跳（one-hop） 范围内邻居设备的发现和相关信息的存储；创建新网络；为新入网设备分配网络地址等[8]。④APL 层 由应用支持子层、 应用框架、ZigBee 设备对象组成[9]。在应用层中，用户可根据自己的需求编写代码来完成相应的功能。

图3 ZigBee 协议堆栈分层结构Fig.3 ZigBee protocol stack hierarchy

Stack 2007 协议栈使用有限状态机FSM（finite state machine）的编程方式，整个协议栈采用嵌套调用方式，上层调用下层的有限状态机，实现完整协议栈的运行[10]。在Zmain 文件中main 函数为其入口函数，在初始化完成后进osal_start_system（），该系统启动函数是一个死循环，它会一直查询是否有新的任务需要执行，同时调用相应的任务处理函数。

3.2 终端模块软件设计

设备初始化后以终端方式进行启动，同时检测周围的存在的网络。假若终端设备未指定加入网络的PAN ID（personal area network ID），则终端设备会选择最优的网络申请加入。设备加入网络后，对加入网络的协调器的MAC 地址进行判断，当此MAC 地址与设定MAC 地址相同时，才会将采集的数据进行发送，否则离开当前的网络重新进行组网申请。在发送数据时，终端设备会在最后加上数据校验和以及CONFIRME_ID，协调器通过数据校验和来判断数据是否可用，通过CONFIRME_ID 来辨识是否为自己所需要的终端设备。ZigBee 终端主流程如图4 所示。

图4 ZigBee 终端主流程Fig.4 Main flow chart of ZigBee end-device

设备以协调器方式启动后，对当前加入的终端设备进行判断。当数据格式一致且CONFIRM_ID 相同，则接收该终端设备的数据，并将连接设备数量加1； 当数据格式有误或CONFIRM_ID 不匹配，则踢出该终端设备，由此保证数据的可靠性。

当所有终端全部组网成功后，协调器关闭组网。对接收到的数据，协调器通过射频端口将数据传输至主控模块。ZigBee 协调器主流程如图5 所示。

图5 ZigBee 协调器主流程Fig.5 Main flow chart of ZigBee coordinator

在ZSTACK 协议栈中，用户实现某种特定功能只需在应用层进行程序编写，单独定义有效载荷帧的结构。终端设备发送数据的结构见表1，包头为起始位，用于确定起始接收地址，第2 个字节为剩余有效数据的长度，其后依次为电池编号、电压信息、温度、信息、电流信息、数据校验。表中，电流仅在特定终端设备上接收，因此为可变字长；ID 是为了侦别干扰终端设备。

表1 终端发送信息帧结构Tab.1 Frame structure of terminal transmitting information

4 系统测试结果及分析

通过组建多个不同ZigBee 网络，设置密闭环境或多障碍物，以及拉大距离，对当前BMS 的ZigBee网络进行干扰试验。采用TI 公司的Packet Sniffer抓包软件对射频数据进行侦听以及分析，获取数据。在无干扰、有干扰情况下的组网试验结果分别见表2 和表3。

表2 无干扰下组网试验Tab.2 Networking experiments without interference

表3 有干扰下组网试验Tab.3 Networking experiments with interference

由表对比可知，在无干扰下，数据正确率平均为98.3%；有干扰下的数据正确率平均为97.4%。结果表明，ZigBee 网络在有干扰的状态下传输数据的可靠性虽略低于无干扰情况，但差值不大，完全可以满足系统的应用要求。

组网时的终端主动设备请求离开的控制命令如图6 所示。与表3 中2 号电池对比可见，在有干扰时，组网会有加入其他错误网络的可能性，当终端设备检测到当前父节点与期望加入的父节点不一致时，会主动申请离开当前网络，最终经过大约5.6 s 后，依然会加入电池检测系统的网络中。可见系统的自恢复能力、稳定性好。

图6 ZigBee 网络数据侦听Fig.6 Data interception of ZigBee network

5 结语

在BMS 中，采用基于ZigBee 协议的无线通信芯片构成的电池检测和管理的网络系统，可极大简化检测系统的线路结构，同时也给扩展和维护带来极大的便利。经试验验证，基于ZigBee 的无线网络传输技术具有稳定、可靠、抗干扰能力强等优点，不仅可用于动力电池、太阳能电池、燃料电池等多电池装备的参数检测与分析和BMS 中，还可扩展至通信设备和电力设备的备用电源管理、电池系统的充放电控制中，具有广阔的应用前景和推广价值。