基于FPGA的動力電池管理系統研究與開發

李國洪，凌 牧

(天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室,天津 300384)

車用動力電池的安全性、使用成本以及續航里程一直是影響電動汽車推廣應用的主要因素。在現有電池技術的基礎上，一個有效的電池管理系統能對車用動力電池進行保護、延長其使用壽命、提高續航里程并降低其使用成本,是加速電動汽車發展的一項非常關鍵的技術。電池管理系統的核心荷電狀態SOC(State of Charge)估計則是重中之重[1]。本文利用現場可編程門陣列FPGA改進了現有的模擬多路開關采集電池信息，提高了采集速度，并擴展了采集電池的個數。

1 電動汽車電池組管理系統方案

動力電池組是由400個3.2 V標稱電壓、容量11 A的單體鋰離子電池，采用4并100串的方式組成的動力電池組。電壓檢測采用分布式檢測法，即將電池分為幾組，采用多套檢測電路分時檢測每4個并聯單體電池。這種檢測技術比較直觀，為了檢測每個電池的電壓，需要將每個電池的電壓信號引入檢測設備，采用多通道切換技術，即通過開關器件把多節單體電池的電壓信號切換到同一個信號處理電路。“開關切換”動態地改變了參考點，保證每次測量都是一個單體電池的端電壓；而差分輸入則保證了電池組與檢測電路不共地，雖然沒有做到全隔離，但比共地連接要安全[2]。利用CAN總線進行通信。整個電池管理系統的設計采用模塊化設計思路,按功能可以分為控制電路和信號采集電路兩大部分，如圖1所示。

1.1 控制電路設計

控制電路綜合采集到的電壓、電流、溫度信息，對電池進行SOC估算，通過CAN總線接口與上位機及整車控制系統進行通信。

MC9S12DG128屬于高性能的16 bit微控制器HC12系列，中央處理單元為16 bit HCS12 CPU。具有2通道SPI，2通道SCI,一個8通道16 bit增強型捕捉定時器，一個8通道8 bit或4通道16 bit PWM，兩個8通道10 bit ADC，兩個MSCAN模塊和一個I2C總線。另外MC9S12DG128還包括29個獨立的數字I/O口,其中20個I/O口具有中斷和喚醒的功能。

因此，采用MC9S12DG128芯片作為主控制器可以充分利用其片上資源豐富、采集和處理數據速度快的優點，從而可以實現復雜的算法及準確的估算SOC，有效解決基于傳統單片機的電池管理系統資源有限，算法簡單的問題。

1.2 通信接口設計

在本系統中，CAN總線智能節點電路由MC9S12DG128內置模塊CAN控制模塊，CAN總線驅動器PCA82C250和高速光耦6N137，可實現數據在CAN總線的通信。其設計圖如2所示。

PCA82C250作為CAN協議控制器和物理總線間的接口，滿足汽車中高速通信速率1 Mb/s[3]的設計要求。具有對總線提供差動發送能力,及對CAN控制器提供差動接收的能力，符合ISO11898[4]標準。PCA82C250還具有抗汽車環境中的瞬間干擾、保護總線能力，其斜率控制可降低射頻干擾（RFI）。作為差分接收器，能夠抗寬范圍的共模干擾和電磁干擾（EMI）。

1.3 均衡模塊的設計

當電動車電池組由多個單體電池串聯使用時，即使單節電池的性能優良，但由于配組使用的各單體電池特性不一致，會導致電池組內部各單體電池過充和過放情況的嚴重不一致，從而影響整個電池組的品質[5]。

為解決上述問題，典型的方法是利用發熱電阻旁路分流均衡法。即為每節單體電池配備一個放電平衡電阻，當某電池電壓高于其他電池超過設定值時，MCU控制的多路開關閉合，此節通過放電平衡電阻分流，使電池電壓下降，如此反復循環使得電池組各單體電池能平衡充電。

1.4 安全模塊的設計

電動汽車動力電池組的總電壓一般在300 V以上，因此安全控制模塊是必不可少的[6]。

圖3所示中安全管理器主要有 4個參數：BAT＋、BAT－、HV＋、HV－，管理著三個繼電器 S1、S2、S3，R為預充電電阻。此系統主要通過測量以上4個參數的變化來判斷電池安全情況，通過開關繼電器進行管理。利用正負母線對地的接地電阻產生的漏電流，來測量母線對地的接地電阻大小，從而判別母線的接地故障。這一技術無需在母線上疊加任何信號，對直流母線供電不會有任何不良影響，并且可以徹底根除由母線對地分布電容所引起的誤判與漏判。

2 SOC的預測

電池荷電狀態SOC是描述電池狀態的重要參數。進行SOC預測的方法主要有開路電壓法、負載電壓法、Ah法及直流內阻法等。如果有足夠的數據，還可以用自適應的控制計算方法建立電池模型[7]。本設計以Ah法為主，配合負載電壓法和內阻法對SOC進行估測。電池充放電容量與充放電電流i的關系為：

只要實時監控電池充/放電電流，然后在時域上積分，就可以得到該時間段Δt上的電池容量的變化量q。

只要知道初時容量C0,則剩余容量為：

對SOC預測有影響的因素從大到小分別為：放電電流、溫度、老化、自放電。標準溫度下一定電流的剩余容量為：

其中C0s為標準溫度下標準放電電流釋放的總電量；CΔs為實際使用電量折合為標準溫度下標準放電電流放電時的電量 ；K=ωi×δi為 電 流 修 正 系 數 ，ωi代 表 標準溫度下，標準電流I放電放出的電量與不同放電電流i放電電流放出的電量之比，δi代表溫度修正系數。由于電池老化對剩余容量的影響，C0s不等于蓄電池標稱容量q，它們的關系：

測量蓄電池在標準條件下,從充滿狀態放電到截止電壓所放出的電量CM除以它的標稱容量CN，便得到SOH。這種方法直接從定義出發，容易理解：

將式(4)、式(5)代入 SOC定義：

3 軟件設計

本系統的軟件按功能分為三個部分：底層ECU的數據采集與控制、主控ECU的管理、整個系統的CAN通信。圖4所示為底層ECU軟件流程圖。

系統根據3個標志位的置位進行溫度與電壓的采集，采集到的電壓數據由CAN總線通信。

本文應用單片機、FPGA和CAN總線等先進技術研究了一種分布式的電池管理系統,實現了數據采集、SOC估計、CAN通信等功能。在codewarrior與quartus軟件上，對電池管理系統的硬件和軟件進行了調試。該系統具有較高的預測精度和較強的實用性，可望應用于電動汽車領域。

[1]何莉萍、趙曦.基于DSP的電動汽車電池管理系統的設計[J].湖南大學學報(自然科學版)，2009，36(5)：33－36.

[2]李成學,楊大柱.電動汽車蓄電池組電池管理及其狀態檢測[J].電源技術，2010，34(1):80－83.

[3]Road vehicles-Interchange of digital information-controller area network(CAN)for high-speed communication，ISO 11898， International Standardization Organization，1993.

[4]岳仁超,王艷.電池管理系統的設計[J].低壓電器，2010，11(1)：31－34.

[5]CHAN C C,Sun Fengchun， Zhu Jiaguang.Technology on modern electric vehicles[C].Beijing Institute of Technology Press，2002.

[6]馮勇，王輝，梁驍.純電動汽車電池管理系統研究與設計[J].測控技術，2010，29（9）：54－57.

[7]Zheng Minxin， Qi Bojin，Wu Hongjie.A li-ion battery management system based on CAN-bus for electric vehicle[C].2008 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications，ICIEA 2008.