基于OZ890的電池管理模塊的研制

摘 要：介紹了一種基于OZ890的混合動力汽車電池管理模塊的研制方案，模塊包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件系統(tǒng)包括電源電路、數(shù)據(jù)采集電路、I2C通信電路、RS 232通信電路、CAN通信電路、通信隔離電路；軟件系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集處理程序、CAN發(fā)送／接收程序、串口發(fā)送／接收程序、SoC估算程序、故障診斷程序、周期中斷服務(wù)程序、下溢中斷服務(wù)程序。模塊實(shí)現(xiàn)了對動力電池的監(jiān)控和保護(hù)。
關(guān)鍵詞：電池管理模塊；CAN通信；周期中斷；下溢中斷

0 引 言
    電池管理模塊(Battery Management Module)是電動汽車必不可少的核心部件。它能夠?qū)π铍姵亟M進(jìn)行安全監(jiān)控和有效管理，提高蓄電池的使用效率和可靠性，延長電池的使用壽命。電池管理模塊可以檢測混合動力電動汽車電池的充放電電流、總電壓、單體電壓，估算電池荷電狀態(tài)(State of Charge)在汽車啟動和加速時(shí)提供能量，剎車時(shí)電池組能回收能量。電池管理技術(shù)是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

l 電池管理模塊的功能
    電池管理模塊具有數(shù)據(jù)采集、電池荷電狀態(tài)和可用功率估算、電池組均衡控制、熱管理、各種通信以及故障診斷功能。
1．1 數(shù)據(jù)采集
    單體電壓的采集使用凹凸科技公司的電池專用采集轉(zhuǎn)換芯片OZ890，它具有13位模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊，可以完成前端單體電壓的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，1片OZ890最多能夠采集13節(jié)鋰離子電池單體電壓或3個模塊的鎳氫電池模塊電壓?？傠妷骸㈦娏骱?strong>溫度由TI公司的DSP芯片TMS320LF2407 A來完成，它具有16通道的10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊。
1．2 電池SoC估算
    SoC是反映電池性能的重要參數(shù)，也是車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行能量輸入／輸出的判斷依據(jù)。SoC的準(zhǔn)確估算可以保護(hù)電池，防止電池的過充過放，同時(shí)使整車做出合理的控制策略，達(dá)到節(jié)能的目的。由于SoC與電池的多個參數(shù)有關(guān)，且具有較強(qiáng)的非線性，因此SoC的準(zhǔn)確估算是目前國內(nèi)外研究的一個難題。該模塊利用卡爾曼濾波法估計(jì)SoC，卡爾曼濾波把被估計(jì)量作為系統(tǒng)的狀態(tài)，用系統(tǒng)狀態(tài)方程來描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程，各時(shí)刻之間的狀態(tài)相關(guān)函數(shù)，可以根據(jù)狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)移特性來描述，解決非平穩(wěn)隨機(jī)過程估計(jì)的困難。通過實(shí)際測量的電池電壓與預(yù)估SoC建立的觀測方程所得到的電壓之差，對預(yù)估SoC進(jìn)行修正得到優(yōu)化估計(jì)值，作為當(dāng)前SoC值。
1．3 電池組均衡控制
    單體電池的容量、內(nèi)阻等電池參數(shù)存在差異，并隨時(shí)間、溫度和放電電流呈現(xiàn)非線性變化，導(dǎo)致電池組的使用壽命比單體平均壽命短很多，通過對電池進(jìn)行均衡控制可以解決此問題。在充電過程中后期，均衡電路開始工作，對于電池電壓過高的單體進(jìn)行放電，限制單體電池電壓不高于充電截止電壓，實(shí)現(xiàn)了電池組中單體電池荷電狀態(tài)的平衡，保持相近的荷電程度。
1．4 熱管理
    電池在大功率放電和高溫條件下使用時(shí)，溫度會不斷上升，當(dāng)電池溫度高于35℃時(shí)，電池管理模塊控制風(fēng)扇開啟，使電池的溫度降低或保持在允許的工作溫度范圍內(nèi)。
1．5 通信功能
    通信功能包括：
    (1)I2C通信。DSP可以通過I2C總線來讀取OZ890采集轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)和OZ890的狀態(tài)信息，還可以可通過I2C總線向OZ890寫入配置OZ890的工作狀態(tài)；
    (2)串口通信。DSP通過串口將電池當(dāng)前的電壓、電流、溫度等狀態(tài)參數(shù)發(fā)送到PC機(jī)界面上，還可以通過串口向DSP發(fā)送修改電池的相關(guān)參數(shù)；
    (3)CAN通信。DSP將電池狀態(tài)參數(shù)、故障標(biāo)志等發(fā)給整車控制器HCU，并從HCU接收與電池相關(guān)的信息。
1．6 故障診斷
    故障診斷主要是對采集到的電池電壓、電流、溫度、SoC、絕緣電阻等參數(shù)進(jìn)行分析，判斷這些參數(shù)是否超出故障閾值，當(dāng)超過故障閾值達(dá)到一定計(jì)數(shù)時(shí)，報(bào)警標(biāo)志置位。DSP通過報(bào)警標(biāo)志可以判斷電池發(fā)生故障的等級和類型，然后做出保護(hù)措施。這是保證動力電池系統(tǒng)可靠工作、車輛行駛安全、滿足用戶駕車需求的重要技術(shù)手段。

2 電池管理模塊硬件組成
    電池管理模塊硬件由系統(tǒng)供電電路、TMS320LF2407A主控制電路、OZ890單體電壓采集電路、I2C通信電路、SCI通信電路、CAN通信電路組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

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2．1 電源模塊
    整車提供的電源為+12 V，管理模塊需要的電壓包括：DSP用的+3．3 V，總線驅(qū)動等芯片用的+5 V，電流傳感器、OZ890等芯片用的±15 V，通過DC-DC轉(zhuǎn)換可以得到各個芯片的供電電壓并能起到隔離抗干擾的作用。如圖2中所示的整車12 V電源通過12 V轉(zhuǎn)5 V的DC／DC模塊轉(zhuǎn)為+5 V。
2．2 OZ890單體電壓采集電路
    OZ890芯片內(nèi)部集成了多路電池單體電壓巡檢電路，它可以通過I2C總線將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)發(fā)給DSP。OZ890具有自動均衡功能，電路如圖3所示。
    圖3中BATn和BATn+1為OZ890入口端，RF為限流電阻?？梢钥闯霎?dāng)此節(jié)電池單體電壓過高時(shí)，OZ890的內(nèi)部控制邏輯就會將控制輸出端CBn+1置為高電平，MOSFET導(dǎo)通后利用Rb放電避免電池過充。
    DSP通過兩個I／O口可以根據(jù)I2C協(xié)議模擬I2C通信。I2C總線由SCL和SDA兩根線組成。為了防止電磁干擾的影響，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸，需對總線信號進(jìn)行隔離。利用6N137進(jìn)行隔離時(shí)，SCL為單向傳輸，DSP作為主設(shè)備提供總線時(shí)鐘，圖4為SCL信號光耦隔離電路。

    SDA是雙向傳輸信號，用1個光耦不能達(dá)到雙向隔離的目的，設(shè)計(jì)了如圖5所示的雙向隔離電路。圖5中，sDADI作為I2C總線SDA信號的方向控制信號，SDADI高電平時(shí)DSP發(fā)送數(shù)據(jù)，低電平時(shí)DSP接收數(shù)據(jù)。

2．3 串口通信電路
    電池管理模塊將采集處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)界面上，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。串口界面可以顯示電池的總電壓、單體電壓、電流、SoC、故障狀態(tài)、充放電功率等參數(shù)。在串口界面上通過串口發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的在線標(biāo)定。其硬件電路主要由類似于圖4的光耦隔離電路和基于MAX232電平轉(zhuǎn)換電路組成，如圖6所示。

    MAX232是+5 V電源的收發(fā)器，與計(jì)算機(jī)串口連接，實(shí)現(xiàn)Rs 232接口信號和TTL信號的電平轉(zhuǎn)換，使DSP和PC機(jī)能夠進(jìn)行異步串行通訊。
2．4 CAN通信電路
    控制器的局域網(wǎng)(ControlIer Area Network，CAN)是主要用于各種設(shè)備監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。CAN最初是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。CAN具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想，良好功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)。其硬件方面主要是通過PCA82C250通用CAN收發(fā)器來提供對總線數(shù)據(jù)的差動發(fā)送能力和對通信總線數(shù)據(jù)的差動接收能力。通過類似圖4的光耦隔離電路來加強(qiáng)CAN總線上的抗干擾能力，其硬件電路如圖7所示。

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    在電路中可根據(jù)整車要求決定加或不加120Ω的終端電阻。當(dāng)JP201跳線接1腳和2腳時(shí)，不加電阻；當(dāng)接2腳和3腳時(shí)，電阻接入。

3 電池管理模塊的軟件設(shè)計(jì)
    電池管理模塊的軟件包括6個應(yīng)用子程序和3個中斷服務(wù)程序。6個應(yīng)用子程序被封裝在2個任務(wù)中，其中A／D轉(zhuǎn)換處理子程序和I2C讀取OZ890中的數(shù)據(jù)子程序被封裝在任務(wù)1中；CAN接收子程序、CAN發(fā)送子程序、SoC估算子程序、故障診斷子程序、串口發(fā)送子程序被封裝在任務(wù)2中。3個中斷服務(wù)子程序包括Timerl周期中斷服務(wù)子程序、Timer1下溢中斷子程序、串口接收中斷子程序。軟件流程圖如圖8所示。
    根據(jù)整車控制策略，CAN上電池狀態(tài)數(shù)據(jù)每幀的刷新周期為10 ms，設(shè)置周期中斷的時(shí)鐘節(jié)拍為10ms；相應(yīng)地設(shè)置以上所有應(yīng)用子程序的執(zhí)行周期均為10 ms。如圖9所示。

    系統(tǒng)初始化完成以后，Timel開始計(jì)時(shí)，進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)，判斷任務(wù)1開始信號是否為1。由于任務(wù)1和任務(wù)2的開始信號初始化值均為0，系統(tǒng)等待中斷發(fā)生，如圖9中所示。當(dāng)5 ms時(shí)，在A點(diǎn)發(fā)生周期中斷，然后進(jìn)入周期中斷子程序，將任務(wù)1開始信號置1，開始執(zhí)行任務(wù)1中的所有程序，執(zhí)行完畢后將任務(wù)1開始信號清0。系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，在10 ms時(shí)發(fā)生下溢中斷，進(jìn)入下溢中斷服務(wù)子程序，將任務(wù)2的開始信號置1，任務(wù)2開始執(zhí)行，任務(wù)2所有子程序執(zhí)行完畢后，任務(wù)2開始信號清0，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次中斷的發(fā)生。利用周期中斷和下溢中斷來劃分任務(wù)執(zhí)行時(shí)間區(qū)域能夠確定關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)上執(zhí)行所需要的程序，保證了每一個子程序在10 ms內(nèi)都被執(zhí)行1次，每一個程序時(shí)間也都能通過計(jì)數(shù)器和標(biāo)志位的狀態(tài)來計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，可以更好地分配任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間段。

4 結(jié) 語
    基于OZ890的電池管理模塊，在單體電壓的采集精度、采集速度、硬件成本等方面都有很大優(yōu)勢。OZ890自帶的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，DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高效的軟件系統(tǒng)可以滿足混合動力汽車電池管理的要求，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。