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简述引入CAN总线技术开发船用动力电池控制系统的必要性

2020-05-22 203 上传者：管理员

摘要：舰船电力推进技术的发展对船舶储能、船舶智能化及电气化提出了新的挑战，以锂电池为代表的清洁新能源应用将带动绿色船舶和智慧船舶技术革新。船用动力电池系统作为电动船舶动力系统的核心，其控制与监测技术影响船舶操控与运维的安全性。针对现代化船舶舱室多、管线复杂的现实情况，引入CAN总线技术开发船用动力电池控制系统，并基于此设计船用动力电池系统从岸电充电、电能储存到电能输出各阶段的模块化控制策略，最后以电池管理系统为核心进行系统集成，完成对船用动力电池系统的综合管理。实际应用表明，该方法有效对船用动力电池系统的运行和维护进行有效的管理。

关键词：
CAN总线
动力锂电池
控制策略
船舶工程
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舰船电力推进具有很长的发展历史[1]，自19世纪起，电力推进船舶已投入航运。自20世纪起，电力推进技术在潜艇上大量应用，目前电力推进系统广泛应用于客运船舶、工程船舶和动力定位系统[2]。2016年10月。美国海军DDG-1000“朱姆沃尔特号”正式服役，标志着海军进入全电推进时代，其全舰计算环境(TSCE)为全船各系统进行信息整合与综合管控，表明在电力推进系统中，信息的集成与系统控制是下一代舰船设计核心方向[3]。

舰船电力推进技术应用中，电能储存介质的研究是重点。美国DRS公司为“伯克”级DDG-51FLIGHT IIA驱逐舰开发的储能模块(ESM)已投入使用。2018年10月4日，日本海上自卫队“苍龙”级潜艇11号艇“应龙”号(JS Oryu，舷号SS-511)在三菱重工神户造船厂举行下水仪式。该艇是目前世界上首艘使用锂离子电池的潜艇。“苍龙”目前使用的斯特林AIP技术是根据瑞典许可证生产的斯特林发动机，即两组3 000马力柴油机、4组100马力“斯特林”热力机作为主动力，配合锂离子电池，二者分别在浮航或潜航状态下发电驱动一台推进用永磁电机。与目前常规潜艇搭载的铅酸电池相比，锂离子电池质量更小、能量密度大、充电速度更快。升级换装锂离子电池组的潜艇可以大幅提升水下巡航速度、水下巡航时间和综合战斗力。俄罗斯第五代常规潜艇将应用AIP装置和锂电池并于2020年完成研发。

2014年，中国船级社(CCS)发布《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》，对入级的江船和海船中作为动力的锂电池提供检验标准[4]。该标准中，强调电池管理系统对动力锂电池的管理，特别是针对危险状态的防控与处理以及信息的集成与显示。当前CAN总线技术以其传输距离长、抗干扰能力强的优点在船舶自动化系统中得到广泛的应用[5,6]。在动力锂电池的管理方面，CAN总线技术在新能源汽车中应用已经作为主流总线协议[7]。一方面，CAN总线通过节点接入，故其可拓展性强，能够提高线束设计灵活性。另一方面，CAN总线拥有更高的传输速度，更有利于实现实时监测[8]。但是高传输速度会降低信号有效传输距离，故CAN总线技术在中小型全电船舶中更为适用。

基于CAN总线的动力锂电池控制系统，将动力锂电池充电系统、动力锂电池状态监测、动力锂电池电能传输模块化设计，利用CAN总线拓扑网络结构将各个模块衔接成整体，并集成与显示。研究结果对于动力锂电池在新能源船舶中的应用，起到一定的指导作用。

1、CAN总线的动力锂电池网络拓扑结构

1.1 CAN总线网络核心控制模块设计

船用动力锂电池控制系统采用模块化设计和集中式控制，利用CAN总线拓扑网络将充电机子系统、动力锂电池组、电池管理系统和DC-DC子系统4个模块进行监测和控制。实时监测数据传输到船舶操控台或者集控室上位机进行储存和处理，上位机下达指令控制动力锂电池系统完成充电或者放电。CAN总线网络拓扑结构如图1。

图1 基于CAN总线的船用动力锂电池控制系统网络拓扑结构

船用动力锂电池控制系统采用赛意法公司开发的STM32F103ZET6嵌入式单片机作为主控制器，如图2。该单片机采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz，同时具有512 kb的FLASH，是赛意法公司主推适用于CAN开发的单片机。STM32F103ZET6单片机具备扩展CAN外设，与CAN网络连接，并且支持CAN2.0协议，最高传输速度达到1 Mb/s。因此，CAN通信核心控制模块以该单片机为核心，外围配合晶振电路、电源、复位电路和CAN通信接口电路等，即可完成组网。

图2 CAN总线网络嵌入式核心处理器设计

CAN通信核心控制模块的主要功能是完成从传感器采集到数据按照CAN通信协议处理，再到通过CAN接口传输的过程[9]。在核心控制模块的设计中，首先需要一个满足STM32F103ZET6嵌入式单片机正常工作的最小系统，即含有相应的晶振电路、复位电路和电源电路，其次为了便于调试和升级，预留JTAG接口。

1.2 CAN总线设计

船用动力锂电池系统一般配置在船舶的动力舱室，位于甲板下层，工作环境波动较大，伴随着船体晃动引起的随机振动与温湿度的变化。CAN总线传输的信号，要穿过船体舱室，到达位于甲板上层的操控台或者集控室。同时，船舶运行过程中的无线电设备，通讯导航设备等电磁波对长距离信号传输产生一定的影响，这对信号传输的有效距离、抗干扰度和传输速度提出了较高的要求。

船用动力锂电池系统CAN总线设计传输速率最高为1 Mbps，有效传输距离小于40 m[10]。传输速度和传输距离能够满足中小型船舶的动力锂电池控制系统的需求。为了提高传输信号的抗干扰能力和可靠性，CAN总线收发器采用恩智浦公司汽车级的高速CAN接收器芯片MC33901CAN总线收发器。CAN总线通信节点硬件原理如图3。船用动力锂电池系统CAN总线通信节点采用AT89C52作为节点的微处理器，在总线通信接口中采用PHILIPS公司的SJA1000芯片和NXP公司的MC33901芯片。其中，SJA1000是独立的CAN通信控制器，MC33901为高性能汽车级CAN总线收发器。

船用动力锂电池系统CAN总线通信的过程为MC33901 CAN总线收发器收到信号后，经过处理和转换，通过其TXD端口，即信号调理传输端口发送至6N137高速隔离光耦芯片。高速隔离光耦芯片的目的是有效隔离监测点的大功率电信号的影响，以提高CAN总线的稳定性和安全性[11]。高速隔离光耦芯片输出的信号接入SJA1000 CAN总线通信控制器芯片的RXO端口，经过SJA1000芯片的信号转换，通过AD0-AD7连接至AT89C52的P0口。另外，在MC33901芯片的CAN＿H和CAN＿L之间串联120Ω电阻，用以对总线阻抗的匹配作用。

图3 CAN总线通信节点硬件原理

2、基于CAN总线的动力锂电池系统控制策略设计

2.1 动力电池系统模块化设计

船用动力锂电池系统采用模块化设计，主要由交流充电系统、动力电池系统、DC/DC系统和船用动力锂电池管理系统组成，各子系统模块化设计可布置在不同舱室，如图4。交流充电系统采用岸电220 V/50 Hz交流的充电方式接入。该设计考虑到岸电配置220 V/50 Hz交流电在国内小型船舶码头较为普遍，即便是简易码头临时系泊，在充电功率不大的情况下依旧可以有效充电，适配性较好。动力电池系统是整个系统储能的核心，由若干个磷酸铁锂电池组组成。DC/DC系统需要在满足船舶动力要求和日常用电需求的情况下合理配置，且所有模块化子系统状态均要求被动力锂电池管理系统有效监控。

图4 船用动力锂电池系统模块化分布

2.2 基于CAN总线的充电系统模块化设计及控制策略

船用动力锂电池系统在充电状态的实时数据和历史数据在CAN总线组成的网络中实时传送，且可以通过存储器存储历史故障报文，便于对系统进行维护[12]。船用动力电池系统充电控制策略如图5，通过CAN总线传输信号如图6。

图5 充电系统控制策略

图6 放电系统控制策略

充电机插充电枪后，充电机与岸电握手信号导通，唤醒电池管理系统进行充电前的自检。若自检故障或存在故障风险，通过CAN总线上传报文并报警，禁止充电;若自检无故障则闭合动力电池系统的总负和总正继电器，开启充电。充电状态下DC24V继电器闭合，用以给船舶日常用电供电，同时检测电压和电流实时数据。充电完成后，断开主负和主正继电器，并断开DC24V继电器，充电系统休眠。需要注意的是，由于动力电池系统在充电状态下是一个容性负载，为此需要一个预充电的过程来消除容性负载对于大电压的冲击。

2.3 基于CAN总线的DC/DC系统模块化控制策略

船用动力锂电池系统在放电状态即实际应用状态的实时数据与历史数据在CAN总线网络中实时传送，对电池系统的状态进行有效监测与管理。船用动力锂电池系统在启动钥匙或刷卡后，启动电源连通后唤醒电池管理系统。自检正常后动力电池系统主负继电器闭合，DC24V继电器闭合，船舶日常用电系统供电。CAN总线网络检测是否有充电信号，防止充电状态误启动。确认无充电信号后，开启预充。预充的目的是避免容性负载在大电压的冲击下造成损坏。预充完成后主正继电器闭合，电池管理系统巡检无误的情况下，DC48V继电器闭合，推进器上电，推进船舶前进。综上所述，船用动力锂电池系统充电与放电控制策略在CAN总线网络的控制下有序工作，若有故障上报相应的报文，在操控台显示、报警和存储。

3、试验测试与结果分析

船用动力锂电池系统测试平台主要由6个部分组成，具体功能如表1，主要使用动力电池充放电测试系统测试基于CAN总线的主控系统对锂电池组的监测功能和充放电时的策略控制有效性。

表1 船用动力锂电池系统组成

船用动力锂电池系统测试平台测试参数设置参考《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》，主要参数如表2。

表2 船用动力锂电池系统测试参数

测试平台可以监测动力电池系统实时数据。通过与上位机计算所得数据进行对比，结果表明:船用动力锂电池系统电压采集测量误差为±1%以内;温度采集测量误差为±0.5%以内;SOC计算误差在±5%以内;基于CAN总线的船用动力锂电池控制系统能够实现对锂电池组的实时监测，完成充电和放电的控制，满足作为船舶动力源的设计需求。

4、结语

以磷酸铁锂为代表的锂电池新能源技术在船舶动力储能的应用是未来船舶电动化发展的重要方向。CAN总线技术在船舶电动化方向具有重要的应用前景。实时数据采集与传输的可靠、实用与高效CAN通信网络能够有效监测动力锂电池，并对其开展有效的控制。笔者以船用动力锂电池控制系统为例，首先从拓扑网络结构设计的角度引入CAN总线通信，其次依托典型的CAN通信芯片设计CAN通信网络节点，最后通过充电和放电控制策略的设计将CAN通信节点、拓扑网络与船舶动力储能系统的逻辑控制有效结合，能够较好满足船用动力电池系统的工作要求。

参考文献：

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[4] 中国船级社.太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南:GD10-2014[S].北京:中国船级社,2014.

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