基于Freescale單片機的電池管理系統(tǒng)設計

     摘  要：為了實現(xiàn)電動汽車電池的實時監(jiān)控，在研究了鋰離子電池特點的基礎上，提出了一種用于混合動力汽車的分布式電池管理系統(tǒng)。其中，硬件系統(tǒng)包括電源模塊、基于Freescale 系列單片機的主控制模塊和子模塊、均衡模塊以及CAN 總線通信模塊等; 軟件系統(tǒng)包括基于下溢中斷的數(shù)據(jù)采集與處理、SOC 估算、均衡處理和CAN 通信等任務。

　　0 引言

　　混合動力汽車的整車性能很大程度上依賴于動力蓄電池。高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)( Bat ter yManag ement Sy stem，BMS) 能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。電池管理系統(tǒng)不僅要監(jiān)測混合動力電動汽車電池的充放電電流、總電壓、單體電壓和剩余電量SOC，還要預測電池的功率強度，以便監(jiān)控電池的使用狀況，在汽車啟動和加速時提供足夠的輸出功率，剎車時電池組能回收更多的能量，即提供足夠的輸入功率，并且不對電池組造成傷害。當電池出現(xiàn)過充或過放、溫度過高等異常情況時，電池管理系統(tǒng)會記錄電池號、診斷電池故障并報警，同時整車控制系統(tǒng)對充電機和用電設備給出控制信號。因此，電池管理系統(tǒng)是混合動力汽車的重要電子控制單元之一，對保障電池的可靠性和安全性起到重要作用。

　　1   電池管理系統(tǒng)的功能

　　電池管理系統(tǒng)的主要功能包括: 電池狀態(tài)參數(shù)的采集、電池狀態(tài)的預測、電池組故障診斷、均衡保護以及通信等。

　　1. 1   電池狀態(tài)參數(shù)采集

　　電池管理系統(tǒng)的所有算法都是以采集到的電池狀態(tài)參數(shù)為基礎的，因此必須保證數(shù)據(jù)的精確度。采用Fr eescale 集成的10 位A/ D 轉換模塊完成對單體電壓、溫度、總電壓以及充放電電流的采集。

　　1. 2   電池狀態(tài)的預測

　　電池狀態(tài)預測包括兩個方面。一方面是以安時積分法為基礎的電池荷電狀態(tài)的預測; 另一方面是以電流、電壓、溫度為輸入完成最大充放電功率的預測。整車控制器以這兩個參數(shù)為參考，正確地進行功率分配。

　　1. 3   電池組故障診斷

　　能夠根據(jù)采集到的參數(shù)，實時診斷電池溫度過高、過低故障，電池過壓、欠壓故障，發(fā)出電池充放電電流過大、電池組絕緣故障警告。這是保證動力電池系統(tǒng)可靠、車輛行駛安全、滿足用戶駕車需求的重要技術手段。

　　1. 4   均衡保護

　　單體電池的差異性，不僅會導致電池組的使用壽命比單體電池短很多; 同時，對于鋰離子電池而言，由于其對充放電要求很高，當過充、過放、過電流及短路等情況發(fā)生時，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生火*、燃燒甚至爆炸。為確保安全性和穩(wěn)定性，必須采取均衡措施。

　　1. 5   通信功能

　　主要指整車與電池管理系統(tǒng)的CAN 通信。

　　2   分布式電池管理系統(tǒng)硬件組成

　　目前，常用的電池管理系統(tǒng)設計方式主要有兩種:

　　分布式設計和集中式設計。分布式電池管理系統(tǒng)是將電池管理系統(tǒng)分為若干個子模塊和一個主控制模塊。

　　每一個子模塊能單獨完成電池信息測量、電池能量均衡、通信等功能，每一個子模塊都分別與一個電池模塊連接在一起，各個子模塊之間以及子模塊與主控制模塊之間通過總線進行通信。主控制模塊完成電池信息的處理、荷電狀態(tài)估算、電池故障診斷、電池組熱管理、電池組與整車通信等功能。

　　主控制模塊和子模塊分別采用Freescale 9S12 系列的DP512 和DG128 作為處理器。系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1   系統(tǒng)硬件框圖

　　2. 1   電源模塊

　　整車為BMS 提供的電壓是12 V，管理系統(tǒng)需要的電壓有: 5 V，單片機及驅動芯片用; ! 15 V，運放及電流傳感器用。采用DC/ DC 模塊將12 V 電壓轉成5 V或者15 V。

　　2. 2   A/ D 轉換模塊

　　Frescale 16 位系列芯片集成10 位的A/ D 轉換模塊，滿足整車的采樣精度要求。A/ D 采樣電路包括電壓采樣、電流采樣與溫度采樣。子模塊中用CPLD 控制光耦陣列開關，實現(xiàn)模塊電壓巡檢采樣，主模塊中直接對總電壓周期采樣; 采用霍爾傳感器實現(xiàn)電流采樣;采用熱敏電阻實現(xiàn)溫度采樣。

　　DG128 通過I/ O 向CPLD 實時發(fā)送電池模塊選通信號，CPLD 根據(jù)傳送過來的信號經(jīng)由內(nèi)部與非邏輯組合的運算，向高壓光電隔離開關陣列發(fā)出控制信號，控制光電開關固態(tài)繼電器分時導通; 被選中的模塊電壓信號再經(jīng)過線性隔離放大和低通濾波預處理，最后進入DG128 的A/ D 轉換模塊。開關陣列控制隔離濾波電路如圖2 所示。

圖2  模塊電壓采集電路

　　如圖3 所示，設電池總電壓為U，電阻R2 兩端的電壓為U2 ，當求得R2 兩端的電壓U2 ，即可反求U。為了提高U2 的采樣精度，抑制高頻干擾，在R 2 兩端增加由電阻R 3 和電容C1 組成的低通濾波器，再經(jīng)光藕AQW214隔離后，將U2 傳給線性光電隔離放大環(huán)節(jié)ISO124，最終傳給DP512 的A/ D，經(jīng)處理，求得U。

圖3   總電壓采集電路

　　圖4 中利用二極管單向導電性，將正負電流分別經(jīng)過電阻和運算放大器組成的網(wǎng)絡，最終轉換為電壓信號，進入A/ D 模塊。

圖4  電流采集電路

　　圖5 中，虛線框內(nèi)的RV 為熱敏電阻，R2 為低溫漂精密電阻。5 V 經(jīng)R2 分壓，即可求得RV 的阻值變化，查表進而得到對應的溫度值。與測量其他信號一樣，溫度轉換的電壓信號也經(jīng)過一個低通濾波器進入A/ D 模塊。

圖5  溫度采集電路

　　2. 3   均衡模塊

　　根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)，當電池管理系統(tǒng)認為某一單體電壓BATn 需要均衡時，給出均衡控制信號EQ _CT RLn ，光耦閉合，MOS 管導通，均衡電路啟動，如圖6 所示。

圖6   均衡電路

　　2. 4   CAN 通信模塊

　　CAN 通信是整車與BMS 之間、BMS 主控制模塊和子模塊之間的信息橋梁。子模塊將采集到的單體電壓和溫度值通過CAN 總線上傳給主控模塊，主控模塊通過CAN 總線給子模塊下達均衡命令; 主控模塊將電池參數(shù)發(fā)送給整車，整車控制器通過判斷決策能量分配。Freescale 9S12 系列單片機已經(jīng)集成CAN 模塊MSCAN，外擴引腳CANTX 和CANRX。還需要PCA82C250 來作為驅動芯片，如圖7 所示。

圖7  CAN 通信接口電路

　　3  分布式電池管理系統(tǒng)的軟件設計

　　電池管理系統(tǒng)軟件以CodeWarrior for HCS12V4. 7 為開發(fā)環(huán)境，采用C 語言編寫，包括了主控制模塊和子模塊兩個部分的軟件設計。

　　3. 1  主控制模塊

　　主控制模塊的任務主要有: A/ D 轉換與數(shù)據(jù)處理任務、整車CAN 接收任務、整車CAN 發(fā)送任務、系統(tǒng)監(jiān)控任務、SOC 與能量估算任務以及均衡處理任務。中斷有：A/ D 采集中斷、定時器下溢中斷、CAN 接收中斷。

　　如圖8 所示，系統(tǒng)初始化工作完成后，軟件以模/ 數(shù)減法計數(shù)器的下溢中斷來確定系統(tǒng)的執(zhí)行周期，計數(shù)周期為5 ms。在模/ 數(shù)計數(shù)器前一次下溢中斷程序中，選擇電壓采集通道，并查詢整車CAN 接收; 經(jīng)5 ms 在本次下溢中斷到來后，中斷服務程序進行A/ D 轉換的啟動，轉換完成進入A/ D 中斷，開啟其他任務的執(zhí)行，如此循環(huán)交替進行。根據(jù)整車控制策略，CAN 上的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)每幀的刷新周期為10 ms，因此設置下溢中斷的時鐘節(jié)拍為5ms，相應地，以上所有任務的執(zhí)行周期均為10 ms。

圖8主控制模塊軟件時序圖

　　3. 2   子模塊

　　子模塊的任務主要有: A/ D 轉換與數(shù)據(jù)處理任務、內(nèi)部CAN 接收任務、內(nèi)部CA N 發(fā)送任務、以及均衡執(zhí)行任務。中斷有: A/ D 采集中斷、定時器下溢中斷。

　　如圖9 所示，軟件以模/ 數(shù)減法計數(shù)器的下溢中斷來確定系統(tǒng)的執(zhí)行周期，計數(shù)周期為2. 5 ms。在模/ 數(shù)計數(shù)器前一次下溢中斷程序中，選擇電壓采集通道，并查詢內(nèi)部CAN 接收; 經(jīng)2. 5 ms 在本次下溢中斷到來后，中斷服務程序進行A/ D 轉換的啟動，轉換完成進入A/ D 中斷，開啟其他任務的執(zhí)行，如此循環(huán)交替進行。其中，根據(jù)協(xié)議，內(nèi)部CAN 發(fā)送任務為保證周期為10 ms，要間隔一次A/ D 轉換后才啟動，其他任務執(zhí)行周期則為5 ms。

圖9  子模塊軟件時序圖

　　4   結  論

　　基于Freescale 單片機的分布式電池管理系統(tǒng)，用集成A/ D 轉換模塊實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，同時均衡控制功能還解決了電池單體電壓不均衡造成的過充問題。Freescale 9S12 系列單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能，豐富的外圍接口和良好的電磁兼容性滿足了混合動力汽車電池管理的所有要求，在實際中得到了良好的效果。

參考文獻:

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