電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐朝勝，閆改珍，李 進(jìn) （安徽科技學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng)233100）

近年來(lái)，迫于能源危機(jī)與生態(tài)環(huán)境惡化的壓力，電動(dòng)汽車 （EV）和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV）取得了長(zhǎng)足發(fā)展。與電動(dòng)汽車的數(shù)量同比增長(zhǎng)的是人們對(duì)電動(dòng)汽車安全性的擔(dān)憂。其安全性能，特別是在高溫、高原、高寒等極端環(huán)境下的電氣安全備受關(guān)注。而電動(dòng)汽車的安全駕駛很大程度上取決于車載動(dòng)力電池組監(jiān)控檢測(cè)的準(zhǔn)確性。自1859年發(fā)明以來(lái)，鉛酸蓄電池已經(jīng)歷了近150年的發(fā)展歷程，在交通、通信、電力、軍事、航海、航空等各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，起到了不可缺少的作用。鉛酸電池銷售額占全球蓄電池銷售額的30%以上［1］。筆者以12V鉛酸電池組為監(jiān)控對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)安全并能適應(yīng)惡劣環(huán)境的電池管理安全系統(tǒng)。限于篇幅，筆者將著重介紹系統(tǒng)架構(gòu)及中央管理單元。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車載動(dòng)力電池通常由許多個(gè)單體電池通過(guò)串聯(lián)而成，因而系統(tǒng)可能由多個(gè)電池監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)各個(gè)單體電池的狀態(tài)參量的監(jiān)測(cè)，并把監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給電池管理系統(tǒng)的中央管理單元做科學(xué)決策。同時(shí)電源管理模塊與車身網(wǎng)關(guān)通訊，以協(xié)調(diào)整車各電氣部件行為。鑒于此，電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用CAN （Controller Area Network）和 LIN （Local Interconnect Network）相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)的中央管理單元通過(guò)CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)定時(shí)、自動(dòng)變速 （AT）和油門控制、防抱死制動(dòng) （ABS）、防滑控制 （ASC）、啟停 （start／stop）系統(tǒng)等電氣部件以及車身網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，而中央管理單元與各電池監(jiān)測(cè)終端則通過(guò)LIN總線實(shí)現(xiàn)通信。

CAN總線具有較高的可靠性和檢錯(cuò)能力，能適應(yīng)強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，在汽車電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。LIN是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的通信應(yīng)用中 （如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊）使用LIN總線可大大節(jié)省成本，是CAN總線網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充［2］。

1．2 細(xì)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中央管理單元負(fù)責(zé)充電控制、時(shí)鐘同步、提供友好的人機(jī)交互接口、CAN／LIN網(wǎng)絡(luò)通信、電池組的荷電狀態(tài)SOC（State of charge）估算、健康狀態(tài) （SOH）估計(jì)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄存儲(chǔ)等。而電池監(jiān)測(cè)終端則主要負(fù)責(zé)電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、單體SOC估計(jì)、過(guò)壓、過(guò)流檢測(cè)、數(shù)據(jù)的LIN網(wǎng)絡(luò)傳送。據(jù)此細(xì)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1）中央管理單元 中央管理單元選用Freescale系列單片機(jī)MC9S12XS128MAA為主控芯片，該芯片是針對(duì)汽車電子市場(chǎng)的高速低耗16位單片機(jī)，具有豐富的片上資源，其中包含128KB程序Flash、8Kb數(shù)據(jù)Flash和8KB RAM，1個(gè)用于實(shí)現(xiàn)CAN通信的MSCAN模塊，2個(gè)支持LIN協(xié)議的的增強(qiáng)型SCI接口、1個(gè)可用于SD卡讀寫(xiě)的SPI接口［3］。因此圖2所示各功能模塊僅需在該CPU的基礎(chǔ)上配置少量外圍電路即可實(shí)現(xiàn)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，芯片的工作溫度范圍寬，為-40～125℃，可滿足汽車內(nèi)外及極端天氣下的溫度要求。

2）電池監(jiān)測(cè)終端 電池監(jiān)測(cè)終端以MM912J637為核心。該芯片為飛思卡爾公司2011年推出的用于汽車電池監(jiān)控的高精度、低功耗、高度集成智能傳感器，在魯棒性上，達(dá)到了汽車工業(yè)ESD（ElectroStatic Discharge）、EMC （Electro Magnetic Compatibility）及零缺陷質(zhì)量水平的最高標(biāo)準(zhǔn)。在-40～125℃工作范圍內(nèi)完全滿足AEC-Q100汽車用集成電路標(biāo)準(zhǔn)［4］。芯片內(nèi)部集成S12微控制器，這使得單體電池的荷電狀態(tài)估計(jì)、過(guò)壓、過(guò)流判定等功能可以在本地完成，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，減小了中央管理單元的負(fù)荷。芯片具有LIN網(wǎng)絡(luò)接口，提供精確的溫度測(cè)量、電壓測(cè)量、電流測(cè)量，在極端苛刻環(huán)境下，也可對(duì)對(duì)電池健康狀態(tài)、充電狀態(tài)和功能狀態(tài)做出正確預(yù)測(cè)。

圖2 細(xì)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 中央管理單元的網(wǎng)絡(luò)模塊

中央管理單元提供LIN和CAN兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，其硬件電路示意圖如圖3所示。其中TJA1020為L(zhǎng)IN收發(fā)器，提供LIN控制器和物理傳輸媒體之間的接口，最高波特率為20kbps，具有高抗電磁干擾（EMI）及低電磁輻射（EMC），能夠很好的滿足車載網(wǎng)絡(luò)的需求。應(yīng)用MC9S12XS128中的串口0實(shí)現(xiàn)LIN通信，PT7用于TJA1020的使能控制。TJA1050為高速CAN收發(fā)器，符合車內(nèi)CAN高速通信標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。應(yīng)用中將MC9S12XS128控制器的引腳RXCAN0和TXCAN0分別與TJA1050的RXD、TXD引腳相連。

2．2 中央管理單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除完成電池電流、電壓、溫度精確測(cè)量及荷電狀態(tài)估計(jì)外，還應(yīng)該具有跟蹤電池工作狀態(tài)的功能，即存儲(chǔ)各單體電池的歷史狀態(tài)記錄，以便于電池檢測(cè)人員定位和分析單體電池歷史故障。鑒于SD卡讀寫(xiě)速度高，容量大，易插拔，筆者選用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備。MC9S12XS128與SD接口的連接示意圖如圖4所示?？梢钥闯?，SD卡工作于子表SPI模式，直接與MC9S12XS128提供的SPI接口相連，實(shí)現(xiàn)每秒1Mb的讀寫(xiě)速度，可以滿足系統(tǒng)需求。SD卡可選用Innodisk公司生產(chǎn)的工業(yè)寬溫SD卡DS2A-01GI81W1S（-40～＋85℃），最大容量可至8Gb，速度等級(jí)為10級(jí)，足以滿足系統(tǒng)需求。

圖3 網(wǎng)絡(luò)接口電路圖

圖4 SD接口電路圖

2．3 電池監(jiān)測(cè)終端

電池監(jiān)測(cè)終端以MM912J637為核心，其內(nèi)部提供3個(gè)獨(dú)立的通道，可完成電壓、電流、溫度的同步采集。MM912J637的外圍電路如圖5所示。

1）電壓 VSUP為器件的供電輸入端，通過(guò)D1與電池正極相連，D1為防反接二極管。C1與C2是電源退耦電容，容值分別為4．4μF和100nF。

2）電流 ISENSEH和ISENSEL為電流檢測(cè)信號(hào)的輸入端。R2、R3、R4與C3、C4、C5構(gòu)成外圍電流檢測(cè)電路。其中R2為分流器，其阻值為100μΩ，接在電池負(fù)極與車輛底盤(pán)地之間，其上電壓的大小反映了電池回路電流的大小。其余各元件用于改善電路的電磁兼容特性，其值通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取。

3）溫度 溫度檢測(cè)電壓由VTEMP引腳輸入，需串接20kΩ限流電阻（R7），TSUP為外部溫度傳感器供1．25V供電電壓。溫度傳感器R5采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，以減小常溫下的能量損耗。筆者選用標(biāo)稱值為10kΩ，精度為±1%的熱敏電阻ERT-J1VG103FA。

圖5 電池監(jiān)測(cè)終端外圍硬件電路圖

為了提高電路的電磁兼容特性，內(nèi)部模塊的不同供電電源分別外接退耦電容C6、C7、C8，推薦值分別為1μF、220nF、47nF。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 數(shù)據(jù)采集過(guò)程控制

數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖6所示，由中央管理單元發(fā)送一個(gè) “數(shù)據(jù)同步”命令到LIN網(wǎng)絡(luò)，同步啟動(dòng)各電池監(jiān)測(cè)終端開(kāi)始電壓、電流和溫度測(cè)量，之后每1s完成一次數(shù)據(jù)采集，將測(cè)量結(jié)果分別存儲(chǔ)到寄存器ACQ＿VOLT、ACQ＿CURR、ACQ＿ETEMP中，并實(shí)時(shí)完成SOC估計(jì)和過(guò)壓、過(guò)流檢測(cè)，當(dāng)接收到中央管理單元的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令時(shí)，才將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送至LIN網(wǎng)絡(luò)接口。

3．2 數(shù)據(jù)的SD存儲(chǔ)

1）文件系統(tǒng)的移植 移植文件系統(tǒng)后，采集數(shù)據(jù)以文件的形式保存在SD卡中，不必另行開(kāi)發(fā)上位機(jī)，即可在PC中直接讀取、檢索和管理數(shù)據(jù)，筆者移植的文件系統(tǒng)為FATFS。該系統(tǒng)具有輕型、開(kāi)源、可裁剪、效率高等優(yōu)點(diǎn)。FATFS分用戶接口層、FATFS主體及存儲(chǔ)介質(zhì)接口層。其中用戶接口層提供一系列的接口函數(shù)供使用者調(diào)用創(chuàng)建文件和讀寫(xiě)文件等服務(wù)，這些服務(wù)由FATFS主體完成。存儲(chǔ)介質(zhì)接口層含disk＿initialize （）、disk＿status （）、disk＿read （）和disk＿write （）等函數(shù)，完成對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的讀和寫(xiě)等底層操作，并向上提供服務(wù)，是移植需要實(shí)現(xiàn)的主要部分［5］。

圖6 數(shù)據(jù)采集控制流程圖

應(yīng)用中的存儲(chǔ)介質(zhì)為SD卡，通過(guò)MM912＿J637的SPI接口讀寫(xiě)。因此移植分2個(gè)層面，一是通過(guò)SPI接口的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和SPI接口的配置及使用：使能SPI系統(tǒng) （SPE=1）；設(shè)置為SPI主模式 （MSTR=1）；配置為8位數(shù)據(jù)傳輸模式 （XFRW=0）；波特率設(shè)置為24．41kbps（SPIBR=0x76），以減小電磁輻射干擾。當(dāng)SPI接口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，存放在SPIDR中，并產(chǎn)生接收中斷 （SPIF=1）；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)放到SPIDR中，發(fā)送完畢后產(chǎn)生發(fā)送中斷 （SPTEF=1）；二是在此基礎(chǔ)上的SD卡扇區(qū)的讀寫(xiě)。讀寫(xiě)SD卡前，首先對(duì)其初始化。系統(tǒng)上電后，令SD卡等待大于74個(gè)時(shí)鐘周期，然后令SD的CS引腳為0，發(fā)送SD復(fù)位命令CMD0，使SD卡進(jìn)入SPI模式。返回01時(shí)，發(fā)送命令CMD1；返回00時(shí)，表明SD卡已完成初始化過(guò)程，之后即可進(jìn)行扇區(qū)的讀寫(xiě)操作。

2）采集信息的存儲(chǔ)格式 采集的電壓、電流、溫度按樣本點(diǎn)分成不同的記錄存儲(chǔ)。記錄之間由回車分隔，每條記錄的格式為：

其中，ID為監(jiān)測(cè)終端標(biāo)識(shí)符，U、I、T分別代表同一時(shí)刻采集到得電壓、電流和溫度，SOC為該時(shí)刻下估算的荷電狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)文件中的數(shù)據(jù)量達(dá)到1KB時(shí)，創(chuàng)建新的文件存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)。每個(gè)文件創(chuàng)建時(shí)，以創(chuàng)建時(shí)間 （格式為：時(shí)-分-秒，共6位）為文件名，后綴為．txt。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者構(gòu)建了一個(gè)12V鉛蓄電池組電動(dòng)汽車動(dòng)力電池監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中，中央管理單元與監(jiān)測(cè)終端采用LIN網(wǎng)絡(luò)通訊，以節(jié)約系統(tǒng)成本；將各單體電池的SOC估計(jì)、SOH估計(jì)及過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫檢測(cè)下移至電池監(jiān)測(cè)終端，中央管理單元在必要時(shí)，通過(guò)LIN網(wǎng)絡(luò)向電池監(jiān)測(cè)終端發(fā)送輪詢命令，有效減小了通訊量，并提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。電池組的SOC和SOH由各單體電池的相關(guān)數(shù)據(jù)取均值獲得。

［1］李偉，胡勇 ．動(dòng)力鉛酸電池的發(fā)展現(xiàn)狀及其使用壽命的研究進(jìn)展 ［J］．中國(guó)制造業(yè)信息化，2011，4（7）：70-72．

［2］段輝．LIN通訊技術(shù)在汽車智能電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 ［D］．北京：北京郵電大學(xué)，2008．

［3］Freescale．MC9S12XS128Reference Manual［EB／OL］．http：／／www．freescale．com，2008-06-18．

［4］Freescale Semiconductor．Xtrinsic Battery Sensor with LIN for 12VLead-acid Batteries ［EB／OL］ ．http：／／www．freescale．com／webapp／sps／site／，2012-01-05．

［5］韓曉雪，曾鳴，邵貝貝 ．MC9S12UF32的嵌入式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 ［J］．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（2）：98-101．