基于Freescale單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

     摘  要：為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在研究了鋰離子電池特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種用于混合動(dòng)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(jī)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(wù)。

　　0 引言

　　混合動(dòng)力汽車的整車性能很大程度上依賴于動(dòng)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(cè)混合動(dòng)力電動(dòng)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(yù)測(cè)電池的功率強(qiáng)度，以便監(jiān)控電池的使用狀況，在汽車啟動(dòng)和加速時(shí)提供足夠的輸出功率，剎車時(shí)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(duì)電池組造成傷害。當(dāng)電池出現(xiàn)過充或過放、溫度過高等異常情況時(shí)，電池管理系統(tǒng)會(huì)記錄電池號(hào)、診斷電池故障并報(bào)警，同時(shí)整車控制系統(tǒng)對(duì)充電機(jī)和用電設(shè)備給出控制信號(hào)。因此，電池管理系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車的重要電子控制單元之一，對(duì)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(yù)測(cè)、電池組故障診斷、均衡保護(hù)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(chǔ)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(zhuǎn)換模塊完成對(duì)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(yù)測(cè)

　　電池狀態(tài)預(yù)測(cè)包括兩個(gè)方面。一方面是以安時(shí)積分法為基礎(chǔ)的電池荷電狀態(tài)的預(yù)測(cè); 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(yù)測(cè)。整車控制器以這兩個(gè)參數(shù)為參考，正確地進(jìn)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(shí)時(shí)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(dòng)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(shù)手段。

　　1. 4   均衡保護(hù)

　　單體電池的差異性，不僅會(huì)導(dǎo)致電池組的使用壽命比單體電池短很多; 同時(shí)，對(duì)于鋰離子電池而言，由于其對(duì)充放電要求很高，當(dāng)過充、過放、過電流及短路等情況發(fā)生時(shí)，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(shè)計(jì)方式主要有兩種:

　　分布式設(shè)計(jì)和集中式設(shè)計(jì)。分布式電池管理系統(tǒng)是將電池管理系統(tǒng)分為若干個(gè)子模塊和一個(gè)主控制模塊。

　　每一個(gè)子模塊能單獨(dú)完成電池信息測(cè)量、電池能量均衡、通信等功能，每一個(gè)子模塊都分別與一個(gè)電池模塊連接在一起，各個(gè)子模塊之間以及子模塊與主控制模塊之間通過總線進(jìn)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(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片用; ! 15 V，運(yùn)放及電流傳感器用。采用DC/ DC 模塊將12 V 電壓轉(zhuǎn)成5 V或者15 V。

　　2. 2   A/ D 轉(zhuǎn)換模塊

　　Frescale 16 位系列芯片集成10 位的A/ D 轉(zhuǎn)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(guān)，實(shí)現(xiàn)模塊電壓巡檢采樣，主模塊中直接對(duì)總電壓周期采樣; 采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電流采樣;采用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度采樣。

　　DG128 通過I/ O 向CPLD 實(shí)時(shí)發(fā)送電池模塊選通信號(hào)，CPLD 根據(jù)傳送過來的信號(hào)經(jīng)由內(nèi)部與非邏輯組合的運(yùn)算，向高壓光電隔離開關(guān)陣列發(fā)出控制信號(hào)，控制光電開關(guān)固態(tài)繼電器分時(shí)導(dǎo)通; 被選中的模塊電壓信號(hào)再經(jīng)過線性隔離放大和低通濾波預(yù)處理，最后進(jìn)入DG128 的A/ D 轉(zhuǎn)換模塊。開關(guān)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(shè)電池總電壓為U，電阻R2 兩端的電壓為U2 ，當(dāng)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?qū)щ娦?，將正?fù)電流分別經(jīng)過電阻和運(yùn)算放大器組成的網(wǎng)絡(luò)，最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，進(jìn)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(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的溫度值。與測(cè)量其他信號(hào)一樣，溫度轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)也經(jīng)過一個(gè)低通濾波器進(jìn)入A/ D 模塊。

圖5  溫度采集電路

　　2. 3   均衡模塊

　　根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)電池管理系統(tǒng)認(rèn)為某一單體電壓BATn 需要均衡時(shí)，給出均衡控制信號(hào)EQ _CT RLn ，光耦閉合，MOS 管導(dǎo)通，均衡電路啟動(dòng)，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(dá)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(jī)已經(jīng)集成CAN 模塊MSCAN，外擴(kuò)引腳CANTX 和CANRX。還需要PCA82C250 來作為驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

　　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(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)。

　　3. 1  主控制模塊

　　主控制模塊的任務(wù)主要有: A/ D 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理任務(wù)、整車CAN 接收任務(wù)、整車CAN 發(fā)送任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)、SOC 與能量估算任務(wù)以及均衡處理任務(wù)。中斷有：A/ D 采集中斷、定時(shí)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(jì)數(shù)器的下溢中斷來確定系統(tǒng)的執(zhí)行周期，計(jì)數(shù)周期為5 ms。在模/ 數(shù)計(jì)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(wù)程序進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換完成進(jìn)入A/ D 中斷，開啟其他任務(wù)的執(zhí)行，如此循環(huán)交替進(jìn)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(shè)置下溢中斷的時(shí)鐘節(jié)拍為5ms，相應(yīng)地，以上所有任務(wù)的執(zhí)行周期均為10 ms。

圖8主控制模塊軟件時(shí)序圖

　　3. 2   子模塊

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

　　如圖9 所示，軟件以模/ 數(shù)減法計(jì)數(shù)器的下溢中斷來確定系統(tǒng)的執(zhí)行周期，計(jì)數(shù)周期為2. 5 ms。在模/ 數(shù)計(jì)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(wù)程序進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換完成進(jìn)入A/ D 中斷，開啟其他任務(wù)的執(zhí)行，如此循環(huán)交替進(jìn)行。其中，根據(jù)協(xié)議，內(nèi)部CAN 發(fā)送任務(wù)為保證周期為10 ms，要間隔一次A/ D 轉(zhuǎn)換后才啟動(dòng)，其他任務(wù)執(zhí)行周期則為5 ms。

圖9  子模塊軟件時(shí)序圖

　　4   結(jié)  論

　　基于Freescale 單片機(jī)的分布式電池管理系統(tǒng)，用集成A/ D 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)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(jī)強(qiáng)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(dòng)力汽車電池管理的所有要求，在實(shí)際中得到了良好的效果。