麻金龍，夏超英，蔡　奔

(1．天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津　300072；2．柳州五菱汽車有限責(zé)任公司，廣西柳州　545007)

0　引言

精確有效的電池管理系統(tǒng)，不僅可以延長(zhǎng)電池組的使用壽命，也提升了電動(dòng)汽車的安全性能[1]。由于鋰電池具有高能量密度的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為未來電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓?。文中以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，根據(jù)電池組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)出了高精度的實(shí)時(shí)采集單元。

1　電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)所針對(duì)的動(dòng)力電池組是由108節(jié)磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)而成，額定容量為60 A·h．整個(gè)動(dòng)力電池組分為3個(gè)電池箱，每個(gè)電池箱又分為3個(gè)電池包，其中每個(gè)電池包具有12節(jié)磷酸鐵鋰電池單體。電池組通過外部線纜、正負(fù)極接觸器以及熔斷器連接成一個(gè)整體。因此，為了確保傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計(jì)采用了基于雙CAN的分布式電池管理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)電池管理系統(tǒng)(BMS)由電池管理單元(BMU)，電池控制單元(BCU)，9個(gè)單體電壓溫度采集單元(BVT)以及上位機(jī)系統(tǒng)組成。各單元在電池管理單元的協(xié)調(diào)下完成數(shù)據(jù)采集、均衡控制、SOC估算、CAN通信和故障診斷等任務(wù)。9個(gè)BVT與BMU，BCU共同組成一個(gè)內(nèi)部CAN總線網(wǎng)絡(luò)。而BMU與整車控制器(VCU)通過外部CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

BMU選取了汽車級(jí)單片機(jī)XC2785作為控制芯片。XC2785是一款高性能16位微控制器，具有五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)和集成DSP功能的MAC單元，可滿足實(shí)時(shí)嵌入式控制應(yīng)用的高性能需求。XC2785體系架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有更高的指令吞吐能力，對(duì)外部激勵(lì)(中斷)的響應(yīng)時(shí)間更短。由于XC2785的數(shù)據(jù)處理能力可以同時(shí)完成電壓電流采集，SOC估算及故障分析等功能，再加上各子系統(tǒng)采用了FreeScale的8位單片機(jī)分擔(dān)了BMU部分功能，使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠。

2　采集單元硬件設(shè)計(jì)

2．1電池總電壓和母線電流采集單元

總電壓及母線電流是管理單元估算SOC的重要依據(jù)，因此本設(shè)計(jì)選取了美信(Maxim)的集成片外AD轉(zhuǎn)換器MAX1321作為總電壓和母線電流采集單元的轉(zhuǎn)換芯片。MAX1321具有高達(dá)14位的轉(zhuǎn)換精度，最低有效位為0.610 2 mV，并且具有4個(gè)模擬量輸入通道，在4路通道同時(shí)轉(zhuǎn)換的情況下，只需2.5 μs即可完成全部轉(zhuǎn)換，單路通道工作只需1.6 μs即可完成轉(zhuǎn)換。MAX1321采用的是并行通信方式，相比其他的串行片外轉(zhuǎn)換器而言，提升了通信速度。此外，MAX1321也比一般單片機(jī)的內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器具有更高的轉(zhuǎn)換精度?？傠妷汉湍妇€電流采集電路如圖2所示。

總電壓和母線電流的采集是由電池管理單元(BMU)完成的，MAX1321與XC2785一共通過20個(gè)通用I/O口連接。由于XC2785的P10.0、P10.1、P10.2口與程序調(diào)試有關(guān)，因此，在硬件電路設(shè)計(jì)上，使用了P10口與P11口同時(shí)作為數(shù)據(jù)傳輸接口，P2口作為控制接口使用。XC2785通過CONVST發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，由D0～D7控制轉(zhuǎn)換通道的選擇，MAX1321轉(zhuǎn)換完成之后由/EOC和/EOLC向單片機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，單片機(jī)開始準(zhǔn)備接收工作。MAX1321的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)可以保持在穩(wěn)定的2.500 V，保證了其轉(zhuǎn)換結(jié)果的可靠性。傳感器的輸出端經(jīng)過調(diào)理電路、電壓跟隨器以及鉗壓電路后進(jìn)入MAX1321的模擬量輸入通道。電壓跟隨器由運(yùn)算放大器OPA134構(gòu)成，它具有超低失真，低噪聲的特點(diǎn)。根據(jù)OPA134的特性，在輸入端采用RC濾波過濾噪聲干擾，其中電阻R=2 kΩ，電容C=100 pF．

圖2　總電壓和母線電流采集電路原理圖

電壓和電流傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，選取HBV025A型霍爾電壓傳感器采集電壓，HBV025A是利用磁補(bǔ)償原理的一種霍爾傳感器，能夠測(cè)量直流、交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上似乎高度絕緣的。其工作原理為：用磁檢測(cè)器檢測(cè)磁芯中次級(jí)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償初級(jí)電流所產(chǎn)生的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工作。因此有等式：

Np·Ip=Ns·Is

式中：Ip為初級(jí)電流；Np為初級(jí)匝數(shù)；N為次級(jí)匝數(shù)；Is為次級(jí)電流。初級(jí)線圈與次級(jí)線圈匝數(shù)比為2 500∶1 000。

HBV025A輸出端經(jīng)過一個(gè)大小為200的下拉電阻形成一個(gè)與輸入電壓具有線性關(guān)系的電壓值，由于電池管理系統(tǒng)需要分別采集總電壓U1和母線電壓U2，因此使用了兩個(gè)電壓傳感器，分別對(duì)應(yīng)于MAX1321的CH0和CH1通道。電流傳感器選取了LEM公司專門用于電動(dòng)汽車的雙量程電流傳感器DHAB-S18，它的雙量程可以在大小2個(gè)區(qū)間進(jìn)行多種選擇組合，小電流環(huán)的選擇范圍為±30 A，大電流環(huán)的選擇范圍為±350 A，兩個(gè)電流環(huán)對(duì)應(yīng)于圖2中的I1，I2，即MAX1321中的CH3和CH2通道。它能夠提供全范圍內(nèi)的大電流測(cè)量而不損壞小電流環(huán)，同時(shí)具備小電流狀態(tài)下的高精度測(cè)量能力。

圖3　電壓和電流傳感器結(jié)構(gòu)圖

2．2電池單體電壓采集單元

單體電壓采集單元以LTC6802-1為核心。LTC6802-1是一款較完善的電池監(jiān)視芯片，它內(nèi)置一個(gè)12位的ADC以及一個(gè)精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)。一個(gè)LTC6802-1能測(cè)量12個(gè)電池單體，共模電壓最高可達(dá)60 V，能在13 ms內(nèi)完成所有單體電壓檢測(cè)，測(cè)量誤差小于0.25%，具有高電磁兼容能力、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，LTC6802-1還具有被動(dòng)電阻均衡的功能。LTC6802-1電路見圖4。

單體電池信息的采集是由底層采集板(BVT)來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)中共使用了9組采集板，每組采集板由Freescale的8位單片機(jī)MC9S08DZ60通過內(nèi)部CAN與電池管理單元(BMU)進(jìn)行通信。MC9S08DZ60內(nèi)部自帶的SPI模塊可以用來實(shí)現(xiàn)與LTC6802-1的串行通信，由于LTC6802-1是由電池組直接進(jìn)行供電，故在SPI的線路上加入鉗壓措施，以確保單片機(jī)的安全。每個(gè)電池輸入均具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的PMOS開關(guān)，用于對(duì)過充電池進(jìn)行放電。為了保護(hù)LTC6802-1電壓采集引腳，防止電壓高出最大輸入電壓，在每一個(gè)單體電壓采集輸入端口并聯(lián)一個(gè)6.2 V穩(wěn)壓管，并在每個(gè)電壓采集引腳前加入阻容濾波，從而有效地濾除高頻干擾，保證電壓采集的準(zhǔn)確性。采用LTC3802-1取代傳統(tǒng)的巡檢電路作為單體電壓的監(jiān)測(cè)芯片，不僅提高了可靠性和抗干擾性，也降低了系統(tǒng)的功耗。

2．3電池單體溫度采集單元

溫度采集單元電路如圖5所示，單體溫度采集選用DS18B20溫度傳感器，外圍電路只需要一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻就可以連接在單片機(jī)的通用 I/O 口上。它具有9 位～12 位可編程的A/D 轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率0.062 5 ℃，測(cè)量范圍為-55～125℃．18B20是一種一線制單總線器件，所有信號(hào)可以共用同一條總線，通過18B20內(nèi)部的唯一ID進(jìn)行識(shí)別?？紤]到每個(gè)底層采集板需要采集12個(gè)電池單體，若在同一條總線上掛接12個(gè)DS18B20可能會(huì)出現(xiàn)總線驅(qū)動(dòng)不足，因此將12個(gè)分成2組，用2個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。

圖4　電池單體電壓采集電路

圖5　電池單體溫度采集電路

3　采集模塊軟件設(shè)計(jì)

3．1總電壓和母線電流采集子程序

總電壓和母線電流采集單元流程如圖6所示，利用XC2785的GPT2(通用定時(shí)器)中的T6定時(shí)器完成MAX1321的采樣子程序。MAX1321的4路輸入通道全部轉(zhuǎn)換完成僅需2.5 μs，因此設(shè)定定時(shí)器每10 μs對(duì)總電壓和電流進(jìn)行1次采樣，取5×104次電流采樣的累加值作為電流最終采樣結(jié)果，選定第5×104次電壓采樣值作為總電壓最終采樣結(jié)果。DHAB-S18的小電流環(huán)理論上可測(cè)范圍為±30 A，因此當(dāng)電流超過30 A之后，將大電流環(huán)通道的采樣值作為有效值。在放電狀態(tài)下，DHAB-S18的輸出范圍為2.5～5 V，充電情況下為0～2.5 V．因此，設(shè)計(jì)中省去了對(duì)負(fù)電壓的處理部分，根據(jù)公式計(jì)算母線電流。

圖6　總電壓及電流采集流程圖

式中：G為DHAB-S18對(duì)應(yīng)靈敏度系數(shù)，不同量程的電流環(huán)系數(shù)不同；Vc為供電電壓；Vout為傳感器輸出值。

3．2單體電壓和溫度采集子程序

單體電壓和溫度采集程序如圖7所示，通過CAN接收中斷完成單體電壓和溫度的采集。底層采集板BVT上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化并開啟CAN接收中斷，根據(jù)管理單元(BMU)發(fā)送的命令及狀態(tài)信息進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)BMU發(fā)送轉(zhuǎn)換命令后，采集單元分別向LTC6802-1和18B20發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，并且在轉(zhuǎn)換完后讀取LTC6802-1的電壓寄存器，整理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于電壓轉(zhuǎn)換完成后溫度轉(zhuǎn)換并未完成，因此將讀取電壓與讀取溫度部分分開，電壓讀取在轉(zhuǎn)換命令發(fā)送后進(jìn)行，而溫度讀取在請(qǐng)求信息命令發(fā)送之后進(jìn)行。這樣可以保證溫度完全轉(zhuǎn)換，防止采集到錯(cuò)誤溫度信息。

圖7　單體電壓和溫度程序流程圖

采集單元根據(jù)管理單元發(fā)送的充放電狀態(tài)信息進(jìn)行均衡判斷，如果單體電壓之間滿足均衡放電條件，則開啟均衡開關(guān)進(jìn)行放電。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4．1單體電壓測(cè)試結(jié)果

該采集系統(tǒng)的測(cè)試主要是在臺(tái)架上進(jìn)行的。在測(cè)試單體電壓測(cè)量精度的實(shí)驗(yàn)中，任意選取其中一組電池共12節(jié)電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，放電電流為C/3，放電時(shí)間為2 h，環(huán)境溫度為18±2 ℃，每隔20 min記錄1次數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中用(YOKOGAWA)DL1620示波器的測(cè)量值作為參考值。表1記錄了任意2節(jié)電池單體的電壓測(cè)量值，V1為L(zhǎng)TC6802-1測(cè)量值，V2為示波器的測(cè)量值。圖8為同一時(shí)刻下LTC6802-1與示波器對(duì)12節(jié)單體測(cè)量值之間的誤差分布圖，從圖中可以看出，單體測(cè)量誤差保持在5 mV以內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　LTC6802與示波器測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8　單體電壓誤差分布圖

4．2總電壓和母線電流測(cè)試結(jié)果

在母線電流的測(cè)試中，采用脈沖電流進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果更能體現(xiàn)系統(tǒng)處理采集數(shù)據(jù)的能力。放電設(shè)備為μc-KGCFS微電腦電池化成電池充放電電源。圖9為脈沖電流方式放電的波形圖。

圖9　脈沖電流波形圖

表2為記錄的不同電流下的測(cè)量值與參考值。在脈沖方式下，由于脈沖電流本身的不穩(wěn)定性，造成示波器顯示的電流平均值是一個(gè)變化量，故利用示波器的數(shù)據(jù)記錄功能將示波器記錄的瞬時(shí)平均值存儲(chǔ)后，累加1×104次取其平均值，得到一個(gè)穩(wěn)定的參考值。由于該采集系統(tǒng)的采樣次數(shù)為5×104次，所以盡管放電方式為不穩(wěn)定的脈沖放電，但系統(tǒng)的測(cè)量值仍具有很高的穩(wěn)定性。由表2可以看出，隨著放電電流的增加，電流的不穩(wěn)定性越來越明顯，測(cè)量誤差也呈增大趨勢(shì)，但系統(tǒng)仍保持著較高的精度。

表2　系統(tǒng)測(cè)量值與示波器測(cè)量值對(duì)比　A

5　結(jié)束語

在已有的動(dòng)力電池組的基礎(chǔ)上，利用16位單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套電池管理采集系統(tǒng)。由于選取了專門的電池監(jiān)測(cè)芯片LTC6802-1和AD轉(zhuǎn)換芯片MAX1321，取代了傳統(tǒng)的復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，提高了采樣精度和抗干擾性。該設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)單，大量的實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組的實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)測(cè)，為SOC估算提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

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