基于CAN总线的煤矿机车电池管理系统设计

徐敏

摘   要：针对煤矿机车锂电池，文章设计了一种基于CAN总线的多节锂电池串联电池组管理系统，实现了对电池信息的检测与分析处理，并将传统的电压法与电流积分法相融合，提出一种剩余电量的估算策略。从硬、软件两个方面保证了系统的工作效率与可靠性。

关键词：锂电池;控制器局域网络;管理系统;剩余电量

2012年大容量锂离子电池被允许应用于煤矿产品开始，如今已成为传统矿用蓄电池机车储能设备升级改造的首选。在目前动力电池容量无突破性提升的情况下，有一套高可靠性电源管理系统是非常必要的，能够在线监测锂电池的电压、电流与温度，并估算电池的剩余电量，从而对电池进行有效保护。受限于单体电源箱内串联电池数目不得超过16节，单体电池容量小于100 AH的安全规定，矿用机车通常由若干个电池箱协同工作提供动力。控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线将各电源箱有效整合在局部电源管理网络内，实现同步控制。

1    电池管理系统总体结构与功能

本管理系统主要包括：主控处理器模块、电池信息采集模块与通信模块3部分。以8 T隔爆型机车用130 V 20.6 KW直流牵引电动机ZBQ-15为例，推算需要约40节单体电池提供动力（单体电池工作电压通常介于2.5～3.7 V之间），若按每8节串联电池分组，则可平均分为5组。每组电池配置一个集成CAN控制器的飞利浦P8xC591系列单片机进行电压采集;主控处理器芯片STM32F103C8T6直接与电流、温度采集电路相连，实现对电池相关参数的在线检测[1]。

底层单片机将采集到的信息封装为CAN总线帧格式，再利用CAN总线与主控处理器通信;主控处理器模块能够完成电池剩余电量的实时分析计算，并进行现场显示[2]。同时，主控处理器模块通过MODBUS总线实现与上位机系统的远程通信与控制，本文对此部分内容暂不作讨论。系统整体方案如图1所示。

2    电池管理系统硬件设计

矿用设备电源管理的重点在于保证本质安全。本管理网络内各电源箱之间采用分布式管理结构，可以明显降低采样线数目，使安装、运行、调试更为简单，有效提高了矿用机车锂电池系统的安全系数。主控处理器选用片上配置丰富、基于Cortex-M3内核的低功耗、高性能的STM32F103C8T6芯片。底层采集模块MCU选用高性能8位微控芯片P87C591，片内配置具备SJA1000的Pelican功能，可通过CAN总线收发器PCA82C250相连，实现采集模块与主控处理器模块之间的信息傳输。

2.1  信息采集模块设计

最能表征电池工作状态的物理量为单体电池电压，本系统采集电压的方法为各电池组集中测量、整体分布测量;而单体电池与电池组的电流是等值的，所以本系统仅采集主回路电流。考虑到单体电池的生产工艺、工作环境的差异性，各单体电池都对应一个测温装置。最终所有数据都传输至主控处理器模块进行运算处理[3]。

由图1可知，40节单体电池均分为5组，处于不同电池箱内。充电时，利用K1，K2，K3，K4开关的断开以实现各组电池管理子系统之间的电气隔离;反之，放电时各开关均闭合。本管理系统通过底层单片机控制高速8路选通器件74HC4051导通多节电池监视芯片LTC6804。LTC6804可靠工作的温度范围能够达到﹣40～125 ℃，提供一个在各运行环境中保持高精度的电压基准源，内置一个最大转换速率达到1 MHz的AD转换器。单个LTC6804芯片可测量12节（也可小于该值，但总电压值需大于11 V）串联电池，多个芯片可通过专有串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口实现互联通信，对多芯片进行并联管理[4]。其中，LTC6804的升级版本LTC6804-2有4条地址线可配置不重复地址，可以利用底层单片机对每个芯片进行单独寻址，极大程度地简化了软件编程。

LTC6804-2将采集、处理的电池电压数据通过高速全双工串行同步通信总线传送至底层单片机。考虑到各待测电池组的电位差别，在传输线路上需要采用电气隔离设计。本管理系统利用LTC6820与外部微处理芯片相连，采用脉冲调制变压器作为物理隔离器件[5]。

2.2  通信接口设计

系统采用CAN总线收发器PC82C250，配合单通道光耦6N137与底层单片机P87C51 CAN接口相连，实现控制芯片与CAN总线二者之间的连接。

3    电池管理系统软件设计

3.1  软件总体结构

本管理系统整体软件设计采取模块化思想，主要包含主控处理器模块与底层单片机模块两部分软件设计。主控处理器模块程序设计含剩余电量估算程序、CAN通信程序以及LCD显示程序等;底层单片机模块程序设计含电池信息采集、处理、传输程序、中断程序等。

当检测到电压、电流、温度数值处于不正常范围内时，系统可以判断出现故障的单体电池序号，分析故障原因并进入相应的处理子程序。其中，LTC6804-2芯片具备可寻址接口，简化了操作程序，仅需将目标地址插入数据包发送至SPI通信总线。

3.2  通信程序设计

CAN通信过程中，硬件实现数据的打包发送，接收解码与校验，所以发送、接收程序为通信程序的主体。

复位操作完成后，进行节点标识号、通信模式、波特率的初始化设置，完成后执行程序并等待中断请求。发送程序负责发送现场信息数据包，并将数据写入CAN控制器发送缓冲区。当CAN控制器接收缓冲区已满时，调用中断接收程序，读取数据、释放缓存，以再接收新数据。

3.3  剩余电量估算策略

考虑到材料、加工工艺等因素，单体电池的实际阻抗值并不完全相同，所以一定会有某一单体电池比其余单体预先达到放电电压阈值，此时应断开相应开关结束该电池组的放电过程，以防止过放现象出现。本管理系统利用单体电池剩余电量来表征电池组状态，而剩余电量的测算方法则采取将传统电压法与电流積分法相结合的策略。

在没有外界负载的状态下，温度值变化较小且避免了因为负载波动所造成的影响，有效提高了电压法电量测算时的精度，根据电压与电量二者之间的拟合关系，由实测电压值即可得到剩余电量的估算值[6]。

在有负载的状态下，鉴于单体电池与电池组流经电流的一致性，可认为二者的容量近似。通过读取存储器中的电流值，并进行积分运算得到剩余电量值，有效克服了电池自身放电对测量精度的影响。

4    结语

采用3个独立模块采集若干组锂电池的数据，提高了系统的灵活性;引入CAN总线技术，保证了系统的通信速率与抗干扰能力;底层参数采集系统充分利用了单片机内嵌CAN控制器的功能，有效提高了系统的紧凑性。整个系统对煤矿机车的电池状态、运行安全性预测具有较高的实用价值。

[参考文献]

[1]易旺，金可音，龙永新，等.一种新型电动车电池管理系统[J].湖南工业大学学报，2013（2）：94-98.

[2]徐昕晨，彭月祥，邢晓乔.LTC6802-2在高压锂电池组测控系统中的应用[J].电源技术，2012（6）：806-809.

[3]孟凡成，侯秀杰.矿用UPS锂电池组电量检测系统设计[J].煤矿机械，2015（4）：34-37.

[4]方少乾.矿用大规模锂电池应急电源电池管理系统的设计[J].煤矿机械，2016（4）：4-7.

[5]李博.矿用车载型锂离子电源管理系统设计[J].金属矿山，2014（5）：134-137.

[6]肖林京，张瑞雪，常龙，等.矿用电机车磷酸铁锂蓄电池在线状态检测系统[J].煤矿机械，2013（4）：206-208.

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Abstract：Aiming at the lithium battery of coal mine locomotive， this paper designs a multi-section lithium battery series battery pack management system based on CAN bus， realizes the detection and analysis processing of battery information， and combines the traditional voltage method with the current integration method， and puts forward a estimation strategy of residual electricity quantity. Ensures the efficiency and reliability of the system from the aspects of hardware and software.

Key words：lithium battery; controller area network; management system; residual power