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武汉大学珞珈学院本科毕业论文
制策略运行，显示混合动力汽车的优越性。如采用常用的线束联接方法，完成两种动力的配合，就会增加系统的复杂层度、重量还有成本，势必会造成通信可靠性的降低，从而影响汽车的性能。由此可见，设计智能化的消息节点，组建新的汽车通信网络是十分必要的[12]。如今汽车领域较为先进的CAN总线就可以解决复杂的汽车网络的通信问题，而CAN是唯一取得国际标准的现场总线，以它优越的性能被广泛应用在汽车与其它工业控制领域[13]。所以文章选用CAN总线来进行电池管理系统通信网络的研究。CAN总线应用于混合动力电动汽车智能节点之上具有以下优势[14-16]： 1.降低各种功能模块所需的线束数与占用体积。
2.降低汽车的重量同时减少了成本；数据传输可靠性高，研发过程中的节点扩展十分方便。
3.动力电池的环境温度、电机运行状态与荷电状态等能同时在总线上共享，这样就可以去除了多余的传感器，让局域网内的线束减少，智能节点数据传输速 率更快。
4.通过扩展节点就能增加功能，在研发过程中升级软件方便。
另外，经过软件处理，它还能实时监控和纠正由电磁干扰导致的消息传输错 误同时检测到故障后存储故障代码。
但是传统的CAN总线系统具有不适应硬实时系统的需要、网络资源利用率低、易造成消息的阻塞等缺点，在电池管理系统这样一个对消息传输可靠性和实时性要求极高的状况下，还难以达到令人满足的效果[17]。改进的方向包括硬件与软件两个方面，该问题在后续章节中将会讲到，这里不再赘述。
1.2 电池管理系统及其通信网络技术发展现状
1.2.1 国外的发展状况
近年来新能源概念汽车的应用研究大有燎原之势，升温不断[18]。世界上的许多大型汽车生产商和蓄电池厂家针对各种动力用车载蓄电池作了大量的理论研究和试验。一些著名企业和科研机构还成功地研发出了比较高效的电池管理系统，设计了各种各样的电池数学模型，将其应用在电动汽车之上。它们当中较为典型的电池管理系统包括:由美国通用汽车公司研发的“EV1”型电动汽车上使用的电池管理系统；美国Averovironment公司开发的Long--Life Battery Using Intelligent Modular Control System(通常被称为SmartGuard电池管理系统)；德国MentzerElectronic GmbH和Werner Retzlaff研发的BADICHEQ电池管理系统和BADICOACH电池管理系统；德国B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国AC Propulsion公司推出的BatOpt高级蓄电池管理系统。
1.EVl的电池管理系统
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GE公司生产的“EV1”型电池管理系统应用了一台微型计算机对蓄电池组进行智能控制，监控蓄电池的充放电状态并对相应故障作出相应反应，运用算法估计蓄电池组的剩余电量[19]。该电动汽车采用的是用26节铅酸蓄电池串联方式来使用的，他们通过深度放电实验测得电池放电深度可以到达到80%，电池使用寿命大概是450个电池充放电周期，110公里左右的市内行驶距离。EV1的电池管理系统最基本的功能有:单体蓄电池的电压状态测量；电池组实时充放电电流监测；电池组高电压自动预警与断电保护；防止深度放电保护；电量与里程的折算计算；蓄电池组外壳绝缘失效检测及断电保护。该系统的电池管理、电机控制等模块采用的控制总线是CAN总线。 2.BADICOACH系统
该系统最突出特点是在每个蓄电池单体上装备有一个非线性电路据此来测量电池电压，再将电池组每个单体电池电压量的信号通过一束信号线传信号递给BADICOACH系统；剩余电量最少的电池单体的荷电状态被显示来出来；对最近的24充放电周期的电池基本参数作出相应分析与存储，依据分析数据来对电池均衡与健康状态作出判断，同时快速查询蓄电池的基本信息与错误使用情况，故障诊断与检修提供参考[20]。该系统采用的是CAN与LIN的联合组网。 3.SmartGuard系统
SmartGuard系统最突出特点是在蓄电池上装有一分布式的传感器网络来测量电池的电压、电流与温度。系统的基本功能是对过充电控制与测量，电池历史数据的纪录，提供荷电状态最不理想的电池单体的参数信息。该系统的智能控制节点数较少，但同样是采用了CAN和LIN两种总线的联合组网[21]。
4.BatOpt系统
该系统是一个分布式系统，有中心主控制器单元与各蓄电池组的单独监控模块所构成[22]。利用控制总线是twowire总线，各个电池监控节点向主控制器节点传递各个电池的基本参数信息，主控制器节点收集信息后进行最优化的控制与处理。 除此之外，许多西欧国家与日本的汽车制造商也研发出了自主知识产权的蓄电池能量管理系统，在此就不再作过多介绍。
电动汽车的迅速发展与普及为与其它相关的电子技术发展提供了巨大的契机。电池电子技术就其本质来说就是针对电池的复杂的电化学的研究，它是化学、自动制动、电力电子技术、计算机技术的一个新兴交叉领域。电池电子技术的最终目标就是要将蓄电池应用推向一个更高的阶段，达到少维护、通用性好、无人管理、高安全、智能化与无公害，最大限度的优化电池的使用和延长电池的寿命，一定程度上解决目前的能源问题与环境问题。 1.2.2 国内的发展状况
中国在十五期间新型电动汽车设立为重大的专门研究项目，通过数年的研究与努力，在电池管理及其相关技术方面取得很大的突破，就目前来说，我们的技术与国外
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水平比较接近。
在全国“863”项目2005年最初立项的科研课题之中，就有由北京理工大学与春兰集团负责承担的“EQ7200HEV”混合动力轿车用动力镍氢电池组及电池管理模块、湖南神舟公司与北京交通大学以及东风电动汽车股份有限公司共同承担的“EQ611 OHEV \混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司负责承担的燃料电池轿车用高功率型铿离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用铿离子电池及管理模块等课题。除此之外还有清华大学、天津大学、湖南大学等承担的汽车无刷电机控制系统、DC/ DC变换器等大量类似课题项目。
但是就从整个大的项目而言，电池管理系统((BMS)跟电动机本体设计、电机驱动技术、动力电池技术相比，还不是很成熟。电池管理系统作为电动汽车最关键的技术之一，在近年来虽然有很大的提高，很多方面都己经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在系统通信的可靠性等方面存在着问题，有待进一步改进和提高。
1.3 CAN总线在电池管理系统应用中的优势与存在的问题
1.3.1 汽车网络环境采用CAN总线通信的优势
适用于汽车系统的通信网络协议必须满足许多极其严格的要求，这是汽车运行的特殊环境所决定的。一般汽车内(主要是机舱内)变化温度很大，可达零下45摄氏度到高温100摄氏度。汽车在行驶过程中会因路况原因出现较大的振动，点火喷射系统等装置也会带来非常大的电磁干扰，在这样的情况下就要求电控装置传递信息准确及时。此外考虑到安全性的因素，要求通信网络系统必须具有极高的可靠性。所以在网络设计上，除了采用合理的总线拓扑结构方式外，必须选择具有极好的抗强磁、噪声和振动等干扰的能力和极强的容错性和检错能力的总线。同时该总线需具备故障的诊断和处理能力与高实时性性能，加上考虑成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。通过以上分析，我们选择了CAN因为它具有十分优越的特点，与其它总线相比，总结起来有以下几条:
1.在通信距离40米以内的情况下，最高速的数据传输速率可达1Mbit/s[35]，足以满足电池管理系统、汽车动力和悬架等高速系统的传输要求。
2.成本低廉。由于目前CAN己经成为车载网络应用最为广泛的标准，按照现在的发展趋势许多电子类生产厂商也正在研发或投入生产集成的CAN控制器，这就极大的减低了成本。
3.比较高的总线利用率。由于其信号发送冲突的解决方案是一种冲突规避的设计方式，总线网中的数据交互按照规律有条不紊地进行，减少了信息重发的可能性，从
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而提高了总线利用率，对于发送优先级高的重要信息尤为如此。
4.由于报文帧结构相对比较简单，开发应用层协议的方式灵活，占用总线时间短，从而保证了通信过程中极高的实时性。
5.节点可以根据报文的标识来决定接受或屏蔽总线中报文，而不是采用一般的地址方式。使得网络中增加节点的操作和软件升级变得更加方便。
6.可靠的错误处理和检错机制。只要在软件开发的过程当中设置错误定时计数器，在发送的信息遭到破坏或者干扰后，节点触发恢复机制而自动重发，同时会在判断自身错误严重的情况下，具备自动退出总线的功能，这些特点保证了系统极高的可靠性和安全性。
1.3.2 CAN总线运用在电池管理系统通信节点上中存在的问题
CAN总线是德国BOSCH公司80年代为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，目前它己经在世界范围内的应用上取得重要地位，其总线规范己被ISO国际标准组织制定为国际标准。现在沃尔沃、奔驰、宝马等品牌车型也开始在汽车上使用CAN总线。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，为了达到高实时性需求，理论上可以设置CAN的位速率可达1Mbps。
但是在实际的网络通信控制系统，比如我们的电池管理系统当中，要想达到极高的实时性与可靠性又要兼顾理想的传输速率，事情往往不是想象的那么简单。因为一般的通信控制网络主要存在着时间触发(Time Trigger)与事件触发(Event Trigger)两种通信调度机制，前者适用于传输硬实时周期性消息，后者主要适合于传输非周期性消息。CAN总线本质上属于事件触发机制，有大量文献对其消息的调度进行了研究，一般通过降低网络资源利用率来减少总线竞争与总线错误对消息实时性造成的影响。所以，传统的CAN总线系统具有如下缺点： 1.网络资源利用率有限，造成网络带宽的浪费；
2.网络中节点缺少同步机制，消息的调度不可管理与预测，不适合于硬实时系统的需要；
3.利用CAN原始的非破坏性位仲裁机制，由于总线非抢占性特点，可能低优先级的消息正在传输，造成了对高优先级消息的阻塞，即使最高优先级也可能存在延时响应。
文章的研究工作正是在基于以上问题开展的，怎样用现有的CAN标准在改进的思路与算法的基础上克服不足，实现可靠的通信，将会在后续章节逐渐介绍。
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