Integracao_via_Rede_CAN_Samuel_Cordeiro

INTEGRAÇÃO DO SISTEMA DE
GERENCIAMENTO DE BATERIA
(BMS) E DE TRAÇÃO DE VEÍCULOS
ELÉTRICOS VIA REDE CAN
Samuel Cordeiro da Costa
Centro Universitário da FEI
Prof. Dr. Fábio Delatore
Centro Universitário da FEI
TEMA
Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema
capaz de integrar via rede CAN (Controller Area Network), os
principais módulos de um veículo elétrico e disponibilizar
remotamente os principais parâmetros de operação do
powertrain elétrico, assim como todas as falhas ocorridas.
INTRODUÇÃO
Para realizar o diagnóstico do sistema, utilizou-se um software
de diagnóstico chamado DiagPC. Ao iniciar este software, o
operador tem a liberdade de selecionar quais informações do
veículo gostaria de visualizar. Esta requisição é transmitida via
RF (Radio Frequency) para o Módulo de Diagnóstico que, por
sua vez, interage no barramento com o(s) módulo(s)
responsável(eis), coleta as informações necessárias para
montar a(s) resposta(s), padroniza-a(s) no formato do
protocolo do DiagPC e retorna para o software que exibe-a(s)
no formato de gráficos para o operador. A Figura 1 apresenta
o diagrama do sistema completo.
Nos últimos anos, os veículos elétricos vêm ocupando um
espaço cada vez maior no segmento automobilístico, sendo
uma possível alternativa para a mobilidade nos centros
urbanos, apontada por estudos científicos voltados às
mudanças climáticas em função dos gases de efeito estufa e
disponibilidade finita dos recursos naturais. Assim como nos
veículos a combustão, onde a eficiência do sistema está
baseada na emissão de poluentes, consumo de combustível e o
máximo aproveitamento de energia, a eficiência dos veículos
elétricos está principalmente baseada no equilíbrio entre a
máxima autonomia com a máxima potência disponível.
Este trabalho tem como objetivo integrar, via rede CAN, os
principais componentes de um powertrain (conjunto de
elementos responsáveis pela propulsão) elétrico e
disponibilizar remotamente as informações de funcionamento
do sistema para um software de diagnóstico semelhante aos
softwares utilizados atualmente nos grandes centros de reparo
automotivo para os tradicionais powertrains a combustão. As
informações disponibilizadas remotamente são referentes aos
principais parâmetros do sistema e as falhas ocorridas e
armazenadas em memória.
METODOLOGIA
Para o desenvolvimento deste projeto, utilizou-se uma solução
pronta com suporte à rede CAN, efetuando o papel do Módulo
de Diagnóstico.
O Módulo de Diagnóstico interage no barramento CAN com
os demais módulos presentes na rede através de mensagens
específicas para cada tipo de informação.
Figura 1. – Diagrama do sistema completo
Os elementos fundamentais envolvidos no desenvolvimento
deste projeto serão descritos a seguir.
Rede CAN (ControllerArea Network)
Na década de 80, a Robert Bosch GmbH propôs um novo
modelo de rede automotiva para interconexão dos
componentes eletrônicos chamado CAN. O CAN possibilitou
uma enorme redução na complexidade da rede e na quantidade
de cabeamento, pois utiliza-se de um único barramento para a
conexão de múltiplos módulos.
A rede CAN está padronizada mundialmente pela ISO
(International Standards Organization) 11898 que é composta
por cinco partes:
•
•
•
•
•
ISO 11898-1: camada de sinais físicos;
ISO 11898-2: CAN high-speed;
ISO 11898-3: CAN low-speed;
ISO 11898-4: CAN time-triggered;
ISO 11898-5: CAN high-speed p/ aplicações de baixo
consumo;
As aplicações dos diferentes tipos de rede CAN e as
aplicações em diversas modalidades automotivas é
regulamentada pela SAE. Neste trabalho abordaremos o
padrão ISO 11898-2, por ser o padrão aplicado nos demais
componentes presentes no nosso sistema. Este padrão aplicase em taxas de comunicação de alta velocidade (taxa máxima
de 1Mbps). A comunicação na rede é realizada através de
mensagens compostas por conjuntos de bits com suas
respectivas funções. Existem dois formatos padronizados de
mensagens para as redes de alta velocidade: CAN 2.0A (11
bits de ID) e CAN 2.0B (29 bits de ID).
A Figura 2 mostra alguns detalhes referentes ao formato CAN
2.0A, utilizado neste projeto.
Figura 2. – Formato do frame CAN
Os códigos da Figura 2 têm os seguintes significados:
• SOF (Start Of Frame): Campo de 1 bit indicando o início
do frame;
• ID (Identifier): Campo composto de 11 bits de
Identificação (valor único na rede), sendo que o menor
valor possui prioridade na transmissão da mensagem;
• RTR (Remote Transmission Request): Campo de 1 bit
que indica se é um frame de dados ou um frame remoto;
• IDE (Identifier Extension Bit): Bit utilizado para indicar
se o frame possui ID extendido;
• R0: Bit reservado;
• DLC (Data Length Code): Campo de 4 bits contendo o
total de bytes de dados do frame;
• Data: Campo de dados que pode ser composto de até 64
bits;
• CRC: Campo de 15 bits de verificação de integridade do
frame e mais um bit recessivo (CRC Delimiter);
• ACK: Composto por dois bits, sendo o ACK slot como
recessivo (1) e qualquer nó pode torná-lo dominante (0) no
caso de falha no frame e o ACK delimiter (bit recessivo);
• EOF (End Of Frame): Campo composto por 7 bits
recessivos indicando o final do frame.
• IFS (Inter Frame Space): Campo de 7 bits representando
o tempo mínimo para que o controlador CAN capture o
frame transmitido na rede.
BMS (Battery Manager System)
O BMS utilizado neste trabalho foi o Lithiumate Pro,
fabricado pela empresa Elithion. Existem diversos modelos de
BMS disponíveis com interface CAN, porém foi escolhido
este devido à disponibilidade para testes práticos dentro do
Centro Universitário da FEI.
Figura 3. – BMS Lithiumate Pro
Os packs de baterias presentes nos veículos elétricos
normalmente são compostos com diversas células, na maioria
das vezes Li-Ion, configuradas em série e/ou paralelo. Este
módulo suporta conexão de até 255 células e monitora suas
temperaturas e tensões individualmente, efetuando o
balanceamento do pack durante as cargas e descargas. O BMS
também administra as falhas apresentadas pelas células e
efetua as providências necessárias, caso estiver programado,
ou apenas armazena o defeito em memória para que possa ser
apresentado posteriormente. A taxa de comunicação no
barramento CAN (baudrate) pode ser configurada para 125
Kbps, 250 Kbps, 500 Kbps (default) ou 1 Mbps. Utiliza-se o
padrão ISO 11898-2 Standard (CAN 2.0 A).
Inversor de Frequência
O Inversor de Frequência utilizado neste trabalho foi o
Bamocar D3, fabricado pela empresa Unitek. Assim como a
BMS, esse modelo foi escolhido devido à disponibilidade para
testes práticos dentro do Centro Universitário da FEI.
Figura 4. – Inversor de Frequência Bamocar D3
Este componente possui funcionamento semelhante à uma
ECU de Injeção Eletrônica nos veículos à combustão, pois
recebe os sinais dos atuadores de controle do veículo, como o
pedal do acelerador, freio, alimentação dos packs de baterias,
entre outros, efetua as estratégias pré-programadas e fornece a
saída para o motor onde está acoplado ao conjunto de tração
do veículo. Por ser um módulo passivo no barramento CAN,
para obter os dados dos parâmetros ou as falhas armazenadas,
é necessário que o Módulo de Diagnóstico faça a requisição
das respectivas informações. As taxas de comunicação no
barramento CAN (baudrate) são configuráveis, partindo de
100 Kbps até 1 Mbps. Utiliza-se o padrão ISO 11898-2
Standard (CAN 2.0 A).
Módulo de Diagnóstico
O Módulo de Diagnóstico, cedido gratuitamente pela Alfatest
Ind. e Com. de Produtos Eletrônicos para o desenvolvimento
deste trabalho, faz uso de um transciver Microchip MCP2551
para comunicação física no barramento CAN (CAN High e
CAN Low) e um microcontrolador Microchip PIC32 operando
com clock de 80MHz e com suporte à rede CAN integrado
que recebe os sinais do transciver e disponibiliza os frames
prontos para a camada de aplicação do firmware.
Módulo RF
O RF proposto neste trabalho é um par de dispositivos ZigBee,
fabricados pela Digi International Inc. A tecnologia ZigBee é
um protocolo desenvolvido pela ZigBee Aliance baseado no
padrão IEEE 802.15.4. Esta tecnologia possui diversas
vantagens, dentre elas, destaca-se a facilidade de operação e o
baixo consumo de energia. O padrão 802.15.4 da IEEE
garante taxas de transferência de dados de 250Kb/s (2.4GHz16 canais), 40Kb/s (915 MHz - 10 canais) e 20Kb/s (868MHz
- 1 canal). O alcance varia de 10 a 1600 metros, dependendo
da potência empregada e das condições ambientais, tais como
edifícios, paredes e a geografia local.
CONCLUSÕES ESPERADAS
Para possibilitar os testes de integração, foi necessário o
desenvolvimento de um firmware para o Módulo de
Diagnóstico que trabalhasse como um sniffer para monitorar o
barramento CAN e transmitir, via UART, os frames
trafegados no barramento. Para isso, utilizou-se a IDE
MPLAB, compilador PIC32 e ferramentas de debuger como o
PIC-Kit 3. A validação do sniffer foi realizada com o apoio de
uma ferramenta chamada CAN ANALYSER que simular uma
rede CAN.
Com o sniffer finalizado, iniciou-se o estudo de quais
parâmetros disponíveis nos módulos BMS e Inversor de
Frequência seriam necessários para realizar um diagnóstico
completo no veículo.
Parâmetros - BMS
Figura 5. – Módulo de Diagnóstico
O Módulo de Diagnóstico tornou-se o componente
fundamental na integração da rede, pois cada módulo possui
uma identificação única (ID) e apenas o Módulo de
Diagnóstico reconhece todos os IDs presentes no barramento,
podendo operar como mensageiro entre os módulos ou apenas
coletando informações para reportar remotamente ao software
DiagPC. Seu ID na rede foi adotado como 7E0h.
Software de Diagnóstico - DiagPC
O DiagPC é um software de propriedade da Alfatest Ind. e
Com. de Produtos Eletrônicos, também cedido gratuitamente
para o desenvolvido deste trabalho. Este software é composto
por uma base de dados onde contém todas as informações
disponíveis para o diagnóstico de todos os veículos realizado
pela empresa.
O software oferece diversos recursos para realizar um
diagnóstico completo no veículo, podendo monitorar diversos
parâmetros simultaneamente, com opção de gráficos,
apresenta as falhas contidas no sistema com guias de reparo, e
outros recursos que não foram utilizados, como teste de
atuadores e ajustes do veículo.
O módulo BMS possui diversos parâmetros disponíveis, onde
os principais estão em um grupo chamado Standard Traction
Pack Messages. Este grupo de parâmetros é divido em várias
mensagens CAN contendo IDs específicos e são transmitidas
no barramento com período de 1s. Seguem os 26 parâmetros
escolhidos para o sistema de diagnóstico:
•
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Nome do Fabricante
Revisão de Hardware e Software
Tempo de funcionamento [s]
Tensão da Bateria [V]
Menor tensão nas células de bateria [V]
ID da célula com a menor tensão
Maior tensão nas células de bateria [V]
ID da célula com a maior tensão
Corrente da Bateria [A]
Corrente máxima permitida (carga) [A]
Corrente máxima permitida (descarga) [A]
Total de energia carregada [kWH]
Total de energia consumida [kWH]
Carga da bateria [%]
Capacidade atual da bateria [AH]
Estado da bateria [%]
Temperatura média da bateria [ºC]
Menor temperatura nas células de bateria [ºC]
ID da célula com a menor temperatura
Maior temperatura nas células de bateria [ºC]
ID da célula com a maior temperatura
Resistência total da bateria [mΩ]
Menor resistência nas células de bateria [mΩ]
ID da célula com a menor resistência
Maior resistência nas células de bateria [mΩ]
ID da célula com a maior resistência
Parâmetros - Inversor de Frequência
Existem diferentes maneiras de requisitar os parâmetros para
este módulo. Neste trabalho foi utilizada a estrutura de
requisição unitária, onde é efetuado o pedido do parâmetro
através do ID 201h e a resposta é fornecida na sequência
através do ID 181h. Seguem os 3 parâmetros escolhidos para o
sistema de diagnóstico:
•
•
•
Rotação do motor [rpm]
Sobre-Alimentação
Status do Freio
O mesmo estudo realizado na seleção dos parâmetros foi
realizado para a montagem da lista das falhas que o sistema
pode apresentar. A maneira de aquisição das falhas é
semelhante à dos parâmetros.
Lista de Falhas – BMS e Inversor de Frequência
A Tabela 1 apresenta a lista de falhas relacionadas ao módulo
BMS. As falhas deste módulo estão contidas no ID 622h (byte
4). A Tabela 2 apresenta a lista de falhas relaciona ao módulo
Inversor de Frequência.
Tabela 1. – Lista de falhas do BMS.
Descrição
Condução foi desabilitada quando conectado
Interlock está desarmado
Falha de comunicação com um banco ou uma célula
Falha de sobrecorrente na bateria - modo carga
Falha de sobrecorrente na bateria - modo descarga
Temperatura da bateria muito alta
Tensão baixa - BMS
Tensão alta - BMS
Sem tensão de alimentação da bateria
Alta tensão B- (fuga para o chassi)
Alta tensão B+ (fuga para o chassi)
Relé K1 está em curto
Contator K2 está em curto
Contator K3 está em curto
K1 ou K3 aberto, ou K2 em curto
K2 aberto
Tempo de pré-carga excessiva
EEPROM stack overflow
Falha na comunicação CAN
Código
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Tabela 2. – Lista de falhas do Inversor de Frequência.
Descrição
REGID
Falha nos dados de parâmetro
8Fh - bit 0
Falha no estágio de saída (excesso de temperatura,
8Fh - bit 1
excesso de tensão ou curto-circuito)
Falha Reservada
8Fh - bit 2
Falha na comunicação com o CAN-BUS
8Fh - bit 3
Falha no sinal resolvedor (incorreto/defeito)
8Fh - bit 4
Sem tensão de alimentação
8Fh - bit 5
Temperatura do motor muito alta
8Fh - bit 6
Corrente muito alta
8Fh - bit 7
Corrente fora da tolerância
8Fh - bit 8
Falha de sobre-corrente (300%)
8Fh - bit 9
Falha no modo corrida (sem valor de comando, polaridade
8Fh - bit 10
incorreta)
Falha na comunicação CAN (Hardware)
8Fh - bit 11
Falha no ADC (hardware)
8Fh - bit 12
Falha no sinal do encoder incremental
8Fh - bit 13
Falha na programação do software
8Fh - bit 14
Sobrecarga no circuito do reator
8Fh - bit 15
Todas as informações do sistema de diagnóstico foram
implementadas na base de dados do DiagPC, incluindo o
nome do sistema, modelo contemplado, os parâmetros e as
falhas. Desta forma, o nosso sistema de diagnóstico trabalha
de maneira semelhante aos sistemas comerciais de propulsão a
combustão.
Os testes práticos serão realizados no Centro Universitário da
FEI assim que os componentes utilizados estiverem
disponíveis para utilização, uma vez que estão sendo
preparados para a montagem do Fórmula SAE. Para validar a
integração, serão realizados os seguintes testes:
• CAN - Integração do BMS
O objetivo deste teste é validar a comunicação entre o
Módulo de Diagnóstico e o BMS, obtendo seus parâmetros
e suas possíveis falhas, que são transmitidos
periodicamente a cada 1s;
• CAN - Integração do Inversor de Frequência
O objetivo deste teste é validar a comunicação entre o
Módulo de Diagnóstico e o Inversor de Frequência,
requisitando e recebendo seus parâmetros e suas possíveis
falhas.
• CAN - Integração completa
O objetivo deste teste final é validar o sistema como um
todo, testando a comunicação do Módulo de Diagnóstico
com o BMS e o Inversor de Frequência, certificando-se
que não há conflitos entre os módulos no barramento.
Com a comunicação CAN estabelecida entre os módulos, será
alterado o firmware do Módulo de Diagnóstico para trabalhar
como uma ECU, interagindo com os outros módulos e
disponibilizando remotamente as informações padronizadas
para o DiagPC através dos dispositivos ZigBee. Desta forma,
espera-se que o sistema de diagnóstico seja concluído com
sucesso, integrando os principais componentes de um
powertrain elétrico utilizando uma rede CAN.
Para trabalhos futuros, sugere-se:
• Adaptação do sistema para que seu uso seja feito em
competições, como por exemplo, a competição Fórmula
SAE – Elétrico;
• Desenvolvimento de outros módulos integrados na rede
para alterar propriedades do Inversor de Frequência e do
BMS em tempo real, de acordo com a atual situação do
veículo. Desta forma, será possível otimizar o
funcionamento do sistema através de estratégias para
economia de energia e melhorias no desempenho do
veículo.
CONTATO
Samuel Cordeiro da Costa – Centro Universitário da FEI
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Prof. Dr. Fábio Delatore – Centro Universitário da FEI
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