李 鮑 徐華中 陳伶紅 吳友宇

(武漢理工大學自動化學院1) 武漢 430070) (武漢理工大學信息學院2) 武漢 430070)

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高精度電池管理系統(tǒng)AECU的研究與設計

李 鮑1)徐華中1)陳伶紅1)吳友宇2)

(武漢理工大學自動化學院1)武漢 430070) (武漢理工大學信息學院2)武漢 430070)

為實現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)檢測和實時有效的數(shù)據(jù)傳輸，研究并開發(fā)了高精度電池管理系統(tǒng)采集單元AECU.以飛思卡爾16位單片機為控制核心，采用LTC6804進行動態(tài)電壓檢測，并構建CAN通信電路與電池管理系統(tǒng)頂層的電池組管理單元進行通信，在上位機上實時顯示24節(jié)單體電池電壓.實驗結果表明，此電壓采集單元性能穩(wěn)定可靠，單體電壓測量精度可以達到2.4 mV，平均誤差遠小于0.5%，在電動車電池管理系統(tǒng)應用中有很大的優(yōu)勢.

高精度；AECU；LTC6804；CAN總線

0 引 言

隨著能源、環(huán)保等問題的日益突出，各國的汽車行業(yè)將研究和發(fā)展重心放在了以電池為主要動力的新能源汽車上.但是電池組的性能和安全問題阻礙了新能源車的商用化，因此，可以緩解這些問題的電池管理系統(tǒng)[1-2]成為了研究的重點.電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)主要由電池管理單元(battery management unit, BMU)和采集板(acquisition electrical control unit，AECU)組成.BMS的作用主要是動態(tài)采集電池單體的數(shù)據(jù)信息，判斷單體充放電狀態(tài)，估算電池的剩余電量SOC,以及實現(xiàn)電池均衡等.現(xiàn)階段，BMS的重難點是電池的SOC估算精度問題和主動均衡.而高精度的電池數(shù)據(jù)檢測是解決這2個問題的關鍵.因此，很有必要設計一套檢測精度高的動力電池組電壓采集單元AECU.

目前，國內(nèi)的電池供應商和一些高校對電池管理系統(tǒng)都進行了一定的研究.楊虎等[3]采用模塊化結構實現(xiàn)的電壓采集單元能夠實現(xiàn)單體電壓測量精度達到5 mV，通過485總線與電池管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換.麻金龍等[4]使用LTC6802進行單體電池電壓檢測，平均誤差達到1%.郭軍等[5]設計的電池管理系統(tǒng)采集板使用LTC6802可一次采集12節(jié)單體電壓，其檢測精度為0.5%，同時還可以外接兩個熱敏電阻進行溫度測量.雖然這些研究都取得了一些成果，但相比于國外，對于動力電池組電壓采集的精度、SOC估算精度等關鍵技術仍有待攻克.文中以磷酸鐵鋰電池為研究對象，實現(xiàn)了具有被動均衡功能的高精度的實時電壓采集單元AECU.

1 電池管理系統(tǒng)BMS總體結構

電池管理系統(tǒng)BMS由電池管理單元BMU，采集單元AECU，以及上位機等組成.采集單元AECU的主要功能是完成車載電池組的單體電壓檢測，溫度檢測，并將檢測的數(shù)據(jù)處理之后執(zhí)行相應的操作.除此之外，還通過CAN網(wǎng)絡與電池管理單元BMU進行通信，接收來自BMU的請求命令，并發(fā)送相應的數(shù)據(jù)，上位機用來顯示所有電池單體的電壓.

文中檢測的動力電池包由96節(jié)鋰電池組成，每塊AECU最多可檢測24節(jié)單體電池的電壓，所以總共需要4塊采集板AECU.此外，每塊采集板AECU實現(xiàn)4個溫度采樣點的檢測.通過硬件電路設計，完成了采集板AECU的電路板制作與調試，使用C語言進行了驅動設計.電池管理系統(tǒng)BMS的整體結構見圖1.

圖1 采集板AECU的系統(tǒng)框圖

2 采集單元AECU的硬件設計

AECU的硬件電路主要由主控制器最小系統(tǒng)電路，電壓采集電路，溫度測量電路，SPI隔離通信電路，CAN通信電路和電源電路組成.系統(tǒng)采用主控芯片的SPI模塊和電池狀態(tài)檢測芯片LTC6804進行數(shù)據(jù)傳輸，采用CAN模塊和電池管理單元BMU進行數(shù)據(jù)交換.

考慮到AECU通過主控制器與電池檢測芯片LTC6804之間通過SPI通信，還需要與電池管理單元通過CAN通信來交換數(shù)據(jù)，因此，主控制器選用的是Freescale的16位單片機S912XET256J2MAA.它是一款低成本，高性能，低引腳數(shù)的汽車專業(yè)級單片機產(chǎn)品，集成了SPI通信模塊和CAN通信模塊，可滿足實時嵌入式控制應用的高性能要求.

2.1 電池單體電壓采集單元

電池數(shù)據(jù)的測量精度會影響SOC的估算，為了保證測量精度，選用電池監(jiān)測芯片LTC6804進行電壓檢測.相比于LTC6802，LTC6804在電池電壓檢測的準確度和速度都有了顯著改善.準確度方面，LTC6802的最大誤差是0.25%，而LTC6804降低至了0.04%；速度方面， LTC6802最快可在13 ms完成12節(jié)電池單體檢測，LTC6804將其提升至290 μs.且LTC6804睡眠電流為4 μA，小于LTC6802的12 μA.

S912XET256J2MAA和LTC6804-2之間的采用隔離芯片ADUM5401用以隔離DC/DC轉換器的磁性元件和邏輯信號.S912XET256J2MAA的SPI模塊與隔離芯片ADUM5401輸入端相連，兩片LTC6804采取并聯(lián)的方式與隔離芯片的輸出相連，根據(jù)芯片的硬件地址進行尋址，完成SPI通信，見圖2.

LTC6804由電池組供電，LTC6804芯片的C1至C12管腳是電池輸入.S1至S12管腳用于平衡電池單元.LTC6804有兩種均衡電路設計：利用內(nèi)部MOSFET進行電池均衡和利用外部MOSFET進行電池均衡.利用內(nèi)部MOSFET進行電池均衡時，MOS管消耗大量的功率時會出現(xiàn)器件過熱，導致芯片的溫度升高，過高的溫度會出現(xiàn)器件損毀.因此，此次設計采用外部MOSFET對電池進行均衡，均衡電路見圖2.S輸出引腳驅動外部MOSFET的柵極來控制MOS開關的閉合，從而控制均衡回路的接通與斷開.

圖2 電壓檢測和均衡電路

2.2 溫度檢測電路

DS18B20是 “一線總線”接口的數(shù)字溫度傳感器，體積小，經(jīng)濟靈活，通過程序可設定檢測值的分辨率，直接通過讀寄存器就可以得到采集的溫度值，很方便.且-55～+125 ℃的測溫范圍使其非常適合動力電池的溫度測量，圖3為AECU的溫度檢測電路.

圖3 溫度檢測電路

如圖3所示，一塊采集板AECU設計了4個溫度采樣點，4個DS18B20均采用外部電源供電，其數(shù)據(jù)線DQ分別連接S912XET256J2MAA的4個IO口.進行溫度測量時，將4個DS18B20放在需要測量溫度的位置，然后在軟件程序設計里按照DS18B20的時序進行溫度轉換和數(shù)據(jù)讀取就可以得到相應的溫度值了.

3 采集單元軟件設計

采集板AECU的主要功能分為3部分：電壓檢測，溫度檢測和CAN通信.電壓檢測是通過主控制器與兩片電池檢測器LTC6804之間的SPI通信完成的；溫度檢測是通過主控制器與4個數(shù)字溫度芯片DS18B20之間的單總線通信完成的；CAN通信是指采集板AECU與電池管理單元通過CAN網(wǎng)絡完成內(nèi)網(wǎng)通信協(xié)議.

3.1 主程序設計

主程序的流程圖見圖4.首先設置總線時鐘，用PLL分頻將總線時鐘設為16 M，然后對CAN總線、SPI總線、DS18B20、LTC6804和定時器進行初始化，之后進入主循環(huán).主循環(huán)等待定時器設置的100 ms的17號中斷.在中斷處理函數(shù)中有兩個標志位，分別表示定時100 ms和200 ms，定時時間到，相應的標志位置1，另外，CAN總線上收到相應的信息，則進入CAN中斷處理函數(shù)，相應的標志位置1.在主函數(shù)中，對這三個標志位進行查詢，如果定時100 ms時間到，則采集電池數(shù)據(jù).定時200 ms時間到，則發(fā)送電池基本信息給電池管理單元.如果收到電池管理單元的請求信息，則發(fā)送電池的詳細數(shù)據(jù)給電池管理單元.

圖4 主程序流程圖

3.2 電壓采集和被動均衡控制

鋰電池的工作電壓為3.8 V，最大電壓可達4.2 V.被動均衡有兩種控制策略，一種是電壓達到4.2 V就接通與該電池相連的MOS開關，開啟單通道均衡；另一種是當單體電壓高于鋰電池的工作電壓，并且比單體最低電壓高50 mV時，就接通與最高電壓單體相連的MOS開關，開啟單通道均衡.該設計采用后一種均衡策略.均衡控制流程圖見圖5.

圖5 電壓采集和被動均衡控制流程圖

4 實驗結果分析

采集板AECU的測試是在工廠的調試車間進行的.調試車間是空調房，室溫為28 ℃，測試對象為4個電池包，因此總共需要4塊采集板AECU.一塊采集板可以檢測24節(jié)單體電池的電壓，但由于本次調試所用的電池包在出廠時，一個電池包只有23個電池單體，所以多媒體顯示最后一節(jié)電池的檢測值為0.圖6為采集板AECU的數(shù)據(jù)，由圖6可知，4個電池包共92節(jié)電池，電池單體電壓最大值為3.880 V，最小值為0 V.

圖6 采集板AECU的數(shù)據(jù)

由于電池數(shù)量較多，僅對采集板AECU(模塊1)檢測的1號電池包的信息加以說明，因實際只有23節(jié)電池，所以24號單體的電壓值為0.忽略24號單體，1號電池包的電池單體電壓最大值為3.879 V，最小值為3.876 V，4個溫度點的溫度值均為28 ℃.表1以專用電壓檢測設備檢測的電壓作為真實值，以AECU檢測的電壓作為檢測值，進行對比，分析誤差.

從表1中可以看出，電壓檢測精度在2.4 mV以內(nèi)，測量誤差遠小于0.5%，這將提高SOC估算的精度，進而提高電池管理系統(tǒng)的整體性能.

5 結 束 語

基于飛思卡爾16位單片機S912XET256J2MAA設計了一套完整的動力電池包電壓采集單元.由于選取了改善性能的電池檢測芯片LTC6804，取代了傳統(tǒng)的復雜的電路設計，提高了抗干擾性，且相比于LTC6802提高了檢測速率和準確度，最后實現(xiàn)了高精度的電壓測量、溫度測量、被動均衡和有效地CAN網(wǎng)絡通信，大量的實驗證明，該設計可以實現(xiàn)對動力電池組實時有效地監(jiān)測，為SOC估算提供了更可靠的數(shù)據(jù).

表1 單體電池電壓誤差

[1]DAI H F, ZHANG X L. Battery management system for electric vehicles[J]. Electronics World,2013,119(1927):38-41.

[2]CABRERA J, VEGA A, TOBAJAS F, et al. Design of a reconfigurable li-ion battery management system(BMS)[J]. Proceedings of 2014 Xi Technologies Applied to Electronics Teaching(Taee),2014,10(1109):1-6.

[3]楊虎.高精度動力電池組電壓采集單元的設計[J].電源技術,2011,35(10):1221-1224.

[4]麻金龍.基于Infineon XC2785的電池管理系統(tǒng)采集單元設計[J].儀表技術與傳感器，2014,24(4):24-28.

[5]郭軍.延長電池循環(huán)壽命的電池管理系統(tǒng)研究[D]:長春：吉林大學,2012.

[6]成建明.純電動汽車CAN-BUS研究[D]:北京：北京交通大學,2011.

[7]JEONG H B, BAI Z G, BONG J K, et al, The CAN communication application on the BMS[M]. Jeju:Jeju Publishing House,2013.

Research and Design of High Precision AECU for BMS

LI Bao1)XU Huazhong1)WU Youyu2)CHEN Linghong1)

(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SchoolofInformationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

In order to achieve higher precision of data detection and real-time data transmission effectively, the voltage detecting unit AECU is designed. This unit takes the freescale 16-bit microcontroller as the core, adopting LTC6804 for dynamic voltage detecting and communicating with the battery management unit through CAN bus. In addition, the voltage of 24 monomer batteries is displayed in real-time on the upper machine. The experimental results show that the performance of this voltage detecting unit is stable and reliable, for monomer voltage measurement precision can reach 2.4 mV and average error is far less than 0.5%, which means this unit has a huge advantage in the application of the battery management system.

high precision; AECU; LTC6804; CAN bus

2016-07-14

U469.72 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.034

李鮑(1991- )：男，碩士生，主要研究領域為智能控制、新能源汽車等