車用超級電容管理系統(tǒng)設計與應用開發(fā)

章 錦 朱建新 顏亮亮 龔正大 魏 濤

1.上海奧威科技開發(fā)有限公司

2.上海交通大學機械與動力工程學院

0 引言

我國的超級電容器發(fā)展起步較晚，但是在國家對新能源產(chǎn)業(yè)的政策支持下，超級電容器取得了飛速的發(fā)展，市場規(guī)模也迅速增長。目前國內(nèi)主要生產(chǎn)超級電容器的廠家有北京集星、上海奧威、南通江海、浙江中車、錦州凱美等，其技術水平與國外廠商的差距正在逐漸縮小。此外，超級電容管理系統(tǒng)是超級電容產(chǎn)品的重要零部件，隨著國內(nèi)電容管理系統(tǒng)技術的快速發(fā)展，差距也在逐步縮小。目前BMS部分關鍵技術的發(fā)展依然處于瓶頸期，如基于安時積分法來估算SOC的精度不高［1］、電壓采樣波動性、充電策略不符合電池的特性［2］、電池模組內(nèi)的均衡難以實現(xiàn)等［3］。如何開發(fā)出更加安全、可靠的電池管理系統(tǒng)是當下我國汽車行業(yè)亟待解決的任務。此外，隨著電池管理系統(tǒng)軟件功能增多，對可靠性和精度的要求也越來越高，導致開發(fā)和測試驗證的難度也進一步增大。

本文以恩智浦S32K148作為MCU及LTC6813模擬前端開發(fā)的超級電容管理系統(tǒng)，針對外部輸入干擾，其硬件電路安全可靠，可緩解外部高頻干擾。軟件上針對SOC工程應用跳變問題，引入安時積分系數(shù)因子和逼近算法。測試結果顯示，本次超級電容管理系統(tǒng)采樣更加穩(wěn)定和準確，且SOC跳變問題得到有效解決。

1 硬件電路設計

超級電容管理系統(tǒng)采用飛思卡爾S32K148-144作為核心單元，配合電源、GPIO、ADC采樣、CAN通信以及FAE芯片復雜驅動構成，硬件電路設計框圖見圖1。

圖1 硬件組成電路框圖

1.1微 處理控制單元

飛思卡爾S32K148-144單片機作為處理器（MCU），S32K148芯片相較于其他汽車電子芯片價格便宜，性價比高，擁有一流的外設，具有低功耗、最大集成度、簡單結構、處理數(shù)據(jù)速度快、市場應用廣等優(yōu)點。S32K148-144引腳分配見圖2。

圖2 S32K148-144單片機資源接口圖

1.2低 壓電源電路設計

電源電路以恩智浦公司專業(yè)的電源管理芯片MC33FS6501CAE為核心，它是一種線性穩(wěn)壓器（LDO），可為MCU芯片或AD芯片提供5V或3.3 V電源，同時可通過CAN，LIN，I/O，LDT多種模式喚醒。其節(jié)能模式下電流32μA，可實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗休眠。如圖3所示，電源芯片可由三種喚醒信號啟動超級電容管理系統(tǒng)工作，包括車載充電機V_OBC或非車載充電機A+喚醒、點火啟動信號IGN喚醒、自喚醒信號SELF_CTL。其中自喚醒信號由MCU的內(nèi)部實時時鐘產(chǎn)生中斷實現(xiàn)，可設置2 h自動喚醒或者休眠1次。從而滿足車輛未啟動情況下的超級電容24 h數(shù)據(jù)監(jiān)控需求。

圖3 低壓電源電路

1.3均 衡電路設計

高頻紋波會干擾模擬前端的采樣精度，如圖4所示，R241與C147構成RC低通濾波電路對采樣通道進行濾波，利用1 k?電阻和10nF電容對采集線上的雜波進行過濾，根據(jù)公式（1）計算其截止頻率為15.923 kHz，即高于此頻率的紋波都不會通過采樣通道進入模擬前端芯片中，提高了采樣通道的穩(wěn)定性。同時在采集公共點超級電容單體C1_0和地之間增加了共模電感L7型號BLM31AJ601SN1，以消除共模干擾對采樣的影響。

如圖4和圖5所示，本文方案選用外部被動均衡電路以增強系統(tǒng)均衡能力，LTC6813內(nèi)部有1 k系列電阻的內(nèi)部上拉PMOS晶體管的S引腳可以作為數(shù)字輸出適合驅動外部MOSFET的柵極。當LTC6813內(nèi)部的S1下端MOS管導通時，柵極電壓為0，外部P-MOS管Q27為導通狀態(tài)，C1_1與C1_0為第1個超級電容單體正負極，單體會通過R207，R225進行放電，均衡啟動。當LTC6813內(nèi)部的S1上端MOS管導通時，柵極電壓為第1個超級電容電壓，外部P-MOS管Q27為截止狀態(tài)，均衡停止。

圖4 電壓采樣及均衡電路

圖5 LTC6813內(nèi)部S(n)放電電路

1.4單 體電壓采樣設計

MCU與LTC6813之間采用隔離的SPI進行通信，為實現(xiàn)信號的隔離，選用LTC6820［2］作為信號轉換芯片。LTC6820提供雙向SPI通信，每個LTC6820將邏輯狀態(tài)編碼通過隔離變壓器傳輸?shù)搅硪粋€LTC6820，接收LTC6820解碼傳輸并驅動從總線到適當?shù)倪壿嫚顟B(tài)，最終信號傳輸給MCU進行解析。如圖6所示，LTC6820的數(shù)據(jù)輸入MOSI、數(shù)據(jù)輸出MISO、時鐘信號SCK、片選信號CS，連接到圖2對應MCU上的SPI驅動接口，其中片選信號CS對應MCU的GPIOs中的PTE6引腳。

為保證一定的通信長度以及對線纜的特性有一定的要求，線纜直流阻抗DCR不能太大，優(yōu)選的控制在1.2Ω/10 m內(nèi)，選擇CAT5雙絞線。LTC6820接收門限電壓可以適當調(diào)低，增強信號的傳輸質(zhì)量，如圖6驅動電路所示，并根據(jù)公式（2）、（3）計算驅動電流、門限電壓，過程如下：

圖6 LTC6820驅動電路

如圖7所示，通過一個脈沖變壓器HMU2103NL可以達到幾百伏特，最高3 500 V的DC隔離。LTC6820使用匹配的電壓源，匯聚電流驅動差分信號，減少電磁干擾，其接收器中的窗口比較器通過檢測差異信號來分辨0和1信號。

圖7 通信隔離電路

1.5總 電壓采集電路設計

電動汽車高壓上電過程，司機按下啟動按鈕，車載控制器（VCU）發(fā)送高壓上電指令，超級電容管理系統(tǒng)控制線路接觸器閉合，實現(xiàn)高壓的上電，電能的傳輸。在閉合接觸器之前，需要判斷接觸器前、后端的電壓。如圖8中的BUS+連接超級電容電源總正，BUS-連接到超級電容總負，利用采樣電阻對總電壓進行分壓，并經(jīng)運算放大器TS9224IYDT提高輸入阻抗。通過高壓隔離的模擬信號輸入到MCU的ADC端口，上高壓之前，首先判斷超級電容系統(tǒng)總電壓有無欠壓、過壓、接觸器有無粘連情況，以保證系統(tǒng)順利執(zhí)行上高壓過程。

圖8 電壓采集電路

1.6電 流采集電路設計

本次電流采集選用的LEM公司的DHAB S/18線性型霍爾電流傳感器，其具有高精度、熱偏移漂移較低、熱靈敏度漂移較低等特點［4］。DHAB S/118工作原理是電流流過霍爾元件時，電子在洛倫茲力的作用下進行偏轉，這種偏轉導致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，進而形成霍爾電壓，通過適配電阻，并進行運算處理可以得出實際的充放電電流數(shù)值。

如圖9所示，DHAB S/18有著兩個輸出通道，具有兩種測量量程，通道1量程±35 A，通道2量程為±350 A。如圖10所示，兩個電流采樣通道對超級電容充放電電流進行采集，大電流時采用通道S2模擬量，小電流時采用通道S1模擬量，使測量結果精度更加準確，為后面估算超級電容SOC狀態(tài)奠定基礎。

圖9 DHAB S/118電流傳感器工作示例圖

圖10 電流采集電路

1.7繼 電器控制電路

由于汽車電池包負極連接車架底盤，短路接地容易導致嚴重故障，使用高邊驅動的方式能夠保障負載失效時超級電容管理系統(tǒng)具備切斷高壓的能力，從而避免更嚴重事故的發(fā)生。其控制回路由主芯片GPIO輸出通過達林頓驅動陣NCV1413BDR2G作為高邊驅動芯片，以驅動信號翻轉動作。高邊驅動電路見圖11。

圖11 高邊驅動電路

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 LTC6813的驅動設計

表1為A組寄存器配置表，以配置該組寄存器為例，可發(fā)送如下包數(shù)據(jù)：0x00，0x01，PEC1，PEC2，0XFE，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，PEC1，PEC2。其中PEC1和PEC2為前面數(shù)據(jù)的校驗字節(jié)，一包數(shù)據(jù)12個字節(jié)。

表1 A組寄存器配置表寫入命令

配置A組寄存器的嵌入式代碼如下所示：

LTC6813驅動流程圖見圖12。

圖12 LTC6813驅動流程圖

2.2超 級電容電量（SOC）的計算

超級電容SOC的估算功能模塊通過Matlab/Simulink工具開發(fā)實現(xiàn)，其常規(guī)算法原理首先根據(jù)超級電容單體類型來選擇OCV-SOC曲線，其次查表得出開路狀態(tài)的SOC［5］。由于超級電容相比于鋰電池具有較小極化效應特性，其在開路狀態(tài)下短時間內(nèi)電壓便能穩(wěn)定，因此超級電容管理系統(tǒng)上電后可以將該SOC作為初始值，然后對電流進行積分計算，得出當前狀態(tài)的SOC值。

但是，該方法計算SOC時，通常會導致汽車在怠速時SOC出現(xiàn)短暫跳變問題。為了防止SOC跳變影響用戶體驗。可在程序中增加兩個SOC值，一個為真實SOC值，即實際SOC狀態(tài)。另一個為顯示的SOC值，同時引入系數(shù)因子和跟隨算法實現(xiàn)SOC值在充放電過程中的平滑緩慢變化。修正方程見式（4）。SOC的修正模型見圖13。

圖13 SOC的修正模型

SOC估算功能模塊開發(fā)完成后，可通過模型在環(huán)測試驗時驗證模型精度，然后對模型進行自動代碼生成。生成功能代碼配置之后提供給main函數(shù)周期調(diào)用。

3 測試與分析

3.1單 體電壓采集

二次開發(fā)的顯示界面與CAN報文相比，在視覺上更清晰明了，且更有益于分析處理現(xiàn)場問題。其中威綸通公司的EBpro軟件集成了組態(tài)開發(fā)環(huán)境，擁有豐富的標準通信協(xié)議庫，通過串口和MCU的UART口進行連接通信，便可完成信號處理、分析和連接數(shù)據(jù)管理、記錄與報表生成、應用發(fā)布的功能，有利于調(diào)試使用。

如圖14所示，二次開發(fā)的顯示界面可以直觀地顯示出LTC6813芯片上傳的超級電容單體電壓信息、超級電容溫度信息以及均衡的開關狀態(tài)。單體電壓采樣數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)對比見表2。

圖14 單體電壓及均衡狀態(tài)顯示界面

3.2母 線電壓與電流采集

圖15為超級電容儲能系統(tǒng)充放電曲線，橙色為專用超級電容充放電設備采集得出；藍色為超級電容管理系統(tǒng)采集得出，由圖15可知開發(fā)的管理系統(tǒng)在電壓和電流采樣上有著很好的準確性。

3.3 SOC估算

圖16為超級電容充電過程中發(fā)生SOC跳變問題，電容管理系統(tǒng)的SOC算法能夠及時跟隨真實情況，變化過程較為平滑符合超級電容管理系統(tǒng)的要求。

圖16 SOC精度對比分析

4 結論

針對車用領域的超級電容管理系統(tǒng)應用開發(fā)，本文詳細介紹了母線電壓、母線電流和單體電壓采集的硬件設計；其次列舉基于LTC6813芯片單體采樣的部分底層軟件驅動邏輯，同時基于Matlab/Simulink軟件開發(fā)超級電容系統(tǒng)SOC估算功能，以及通過二次開發(fā)的人機界面來觀測到超級電容單體的電壓和均衡狀態(tài)。測試結果表明，超級電容單體電壓采樣平均誤差在0.5%以內(nèi)，母線電壓和電流誤差在1%以內(nèi)，SOC估算跳變誤差逐漸被修正，驗證了超級電容管理系統(tǒng)電壓電流采樣有著較高的準確性。