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(chǔ)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(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)。

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)(BatteryManagementSystem，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(yù)測電池的功率強(qiáng)度，以便監(jiān)控電池的使用狀況。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用途。

1電池管理系統(tǒng)的功能

電池管理系統(tǒng)的重要功能包括：電池狀態(tài)參數(shù)的采集、電池狀態(tài)的預(yù)測、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Freescale集成的10位A/D轉(zhuǎn)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(yù)測

電池狀態(tài)預(yù)測包括兩個方面。一方面是以安時積分法為基礎(chǔ)的電池荷電狀態(tài)的預(yù)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(yù)測。整車控制器以這兩個參數(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。這是保證動力鋰電池系統(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，不僅會導(dǎo)致電池組的使用壽命比單體電池短很多;同時，關(guān)于鋰離子電池而言，由于其對充放電要求很高，當(dāng)過充、過放、過電流及短路等情況發(fā)生時，鋰離子電池壓力與熱量大量新增，容易出現(xiàn)火花、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

重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)計方式重要有兩種：分布式設(shè)計和集中式設(shè)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(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Freescale9S12系列的Dp512和DG128作為處理器。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2.1電源模塊

整車為BMS供應(yīng)的電壓是12V，管理系統(tǒng)要的電壓有：5V，單片機(jī)及驅(qū)動芯片用;±15V，運放及電流傳感器用。采用DC/DC模塊將12V電壓轉(zhuǎn)成5V或者15V。[page]

2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊

Frescale16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(guān)陣列發(fā)出控制信號，控制光電開關(guān)固態(tài)繼電器分時導(dǎo)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(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。

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R2兩端新增由電阻R3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4中利用二極管單向?qū)щ娦裕瑢⒄?fù)電流分別經(jīng)過電阻和運算放大器組成的網(wǎng)絡(luò)，最終轉(zhuǎn)換為電壓信號，進(jìn)入A/D模塊。

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

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2.3均衡模塊

根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)電池管理系統(tǒng)認(rèn)為某一單體電壓BATn要均衡時，給出均衡控制信號EQ_CTRLn，光耦閉合，MOS管導(dǎo)通，均衡電路啟動，如圖6所示。

2.4CAN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。Freescale9S12系列單片機(jī)已經(jīng)集成CAN模塊MSCAN，外擴(kuò)引腳CANTX和CANRX。還要pCA82C250來作為驅(qū)動芯片，如圖7所示。

3分布式電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

電池管理系統(tǒng)軟件以CodeWarriorforHCS12V4.7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(shè)計。

3.1主控制模塊

主控制模塊的任務(wù)重要有：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、按時器下溢中斷、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5ms。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)5ms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，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10ms，因此設(shè)置下溢中斷的時鐘節(jié)拍為5ms，相應(yīng)地，以上所有任務(wù)的執(zhí)行周期均為10ms。

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3.2子模塊

子模塊的任務(wù)重要有：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CAN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、按時器下溢中斷。

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2.5ms。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)2.5ms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，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10ms，要間隔一次A/D轉(zhuǎn)換后才啟動，其他任務(wù)執(zhí)行周期則為5ms。

4結(jié)論

均衡控制功能解決了電池單體電壓不均衡造成的過充問題。Freescale9S12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力汽車電池管理的所有要求，在實際中得到了良好的效果。