章 錦 朱建新 顏亮亮 龔正大 魏 濤

1.上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司

2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

我國(guó)的超級(jí)電容器發(fā)展起步較晚，但是在國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的政策支持下，超級(jí)電容器取得了飛速的發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模也迅速增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)超級(jí)電容器的廠家有北京集星、上海奧威、南通江海、浙江中車(chē)、錦州凱美等，其技術(shù)水平與國(guó)外廠商的差距正在逐漸縮小。此外，超級(jí)電容管理系統(tǒng)是超級(jí)電容產(chǎn)品的重要零部件，隨著國(guó)內(nèi)電容管理系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，差距也在逐步縮小。目前BMS部分關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展依然處于瓶頸期，如基于安時(shí)積分法來(lái)估算SOC的精度不高［1］、電壓采樣波動(dòng)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(shí)現(xiàn)等［3］。如何開(kāi)發(fā)出更加安全、可靠的電池管理系統(tǒng)是當(dāng)下我國(guó)汽車(chē)行業(yè)亟待解決的任務(wù)。此外，隨著電池管理系統(tǒng)軟件功能增多，對(duì)可靠性和精度的要求也越來(lái)越高，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證的難度也進(jìn)一步增大。

本文以恩智浦S32K148作為MCU及LTC6813模擬前端開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容管理系統(tǒng)，針對(duì)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(duì)SOC工程應(yīng)用跳變問(wèn)題，引入安時(shí)積分系數(shù)因子和逼近算法。測(cè)試結(jié)果顯示，本次超級(jí)電容管理系統(tǒng)采樣更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，且SOC跳變問(wèn)題得到有效解決。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

超級(jí)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(fù)雜驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，硬件電路設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)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(jī)作為處理器（MCU），S32K148芯片相較于其他汽車(chē)電子芯片價(jià)格便宜，性?xún)r(jià)比高，擁有一流的外設(shè)，具有低功耗、最大集成度、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、處理數(shù)據(jù)速度快、市場(chǎng)應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)。S32K148-144引腳分配見(jiàn)圖2。

圖2 S32K148-144單片機(jī)資源接口圖

1.2低 壓電源電路設(shè)計(jì)

電源電路以恩智浦公司專(zhuān)業(yè)的電源管理芯片MC33FS6501CAE為核心，它是一種線(xiàn)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(shí)可通過(guò)CAN，LIN，I/O，LDT多種模式喚醒。其節(jié)能模式下電流32μA，可實(shí)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(hào)啟動(dòng)超級(jí)電容管理系統(tǒng)工作，包括車(chē)載充電機(jī)V_OBC或非車(chē)載充電機(jī)A+喚醒、點(diǎn)火啟動(dòng)信號(hào)IGN喚醒、自喚醒信號(hào)SELF_CTL。其中自喚醒信號(hào)由MCU的內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生中斷實(shí)現(xiàn)，可設(shè)置2 h自動(dòng)喚醒或者休眠1次。從而滿(mǎn)足車(chē)輛未啟動(dòng)情況下的超級(jí)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(shè)計(jì)

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

如圖4和圖5所示，本文方案選用外部被動(dòng)均衡電路以增強(qiáng)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(qū)動(dòng)外部MOSFET的柵極。當(dāng)LTC6813內(nèi)部的S1下端MOS管導(dǎo)通時(shí)，柵極電壓為0，外部P-MOS管Q27為導(dǎo)通狀態(tài)，C1_1與C1_0為第1個(gè)超級(jí)電容單體正負(fù)極，單體會(huì)通過(guò)R207，R225進(jìn)行放電，均衡啟動(dòng)。當(dāng)LTC6813內(nèi)部的S1上端MOS管導(dǎo)通時(shí)，柵極電壓為第1個(gè)超級(jí)電容電壓，外部P-MOS管Q27為截止?fàn)顟B(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(shè)計(jì)

MCU與LTC6813之間采用隔離的SPI進(jìn)行通信，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，選用LTC6820［2］作為信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片。LTC6820提供雙向SPI通信，每個(gè)LTC6820將邏輯狀態(tài)編碼通過(guò)隔離變壓器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)LTC6820，接收LTC6820解碼傳輸并驅(qū)動(dòng)從總線(xiàn)到適當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài)，最終信號(hào)傳輸給MCU進(jìn)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(shí)鐘信號(hào)SCK、片選信號(hào)CS，連接到圖2對(duì)應(yīng)MCU上的SPI驅(qū)動(dòng)接口，其中片選信號(hào)CS對(duì)應(yīng)MCU的GPIOs中的PTE6引腳。

為保證一定的通信長(zhǎng)度以及對(duì)線(xiàn)纜的特性有一定的要求，線(xiàn)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(xiàn)。LTC6820接收門(mén)限電壓可以適當(dāng)調(diào)低，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸質(zhì)量，如圖6驅(qū)動(dòng)電路所示，并根據(jù)公式（2）、（3）計(jì)算驅(qū)動(dòng)電流、門(mén)限電壓，過(guò)程如下：

圖6 LTC6820驅(qū)動(dòng)電路

如圖7所示，通過(guò)一個(gè)脈沖變壓器HMU2103NL可以達(dá)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(qū)動(dòng)差分信號(hào)，減少電磁干擾，其接收器中的窗口比較器通過(guò)檢測(cè)差異信號(hào)來(lái)分辨0和1信號(hào)。

圖7 通信隔離電路

1.5總 電壓采集電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)高壓上電過(guò)程，司機(jī)按下啟動(dòng)按鈕，車(chē)載控制器（VCU）發(fā)送高壓上電指令，超級(jí)電容管理系統(tǒng)控制線(xiàn)路接觸器閉合，實(shí)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(jí)電容電源總正，BUS-連接到超級(jí)電容總負(fù)，利用采樣電阻對(duì)總電壓進(jìn)行分壓，并經(jīng)運(yùn)算放大器TS9224IYDT提高輸入阻抗。通過(guò)高壓隔離的模擬信號(hào)輸入到MCU的ADC端口，上高壓之前，首先判斷超級(jí)電容系統(tǒng)總電壓有無(wú)欠壓、過(guò)壓、接觸器有無(wú)粘連情況，以保證系統(tǒng)順利執(zhí)行上高壓過(guò)程。

圖8 電壓采集電路

1.6電 流采集電路設(shè)計(jì)

本次電流采集選用的LEM公司的DHAB S/18線(xiàn)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(diǎn)［4］。DHAB S/118工作原理是電流流過(guò)霍爾元件時(shí)，電子在洛倫茲力的作用下進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)，進(jìn)而形成霍爾電壓，通過(guò)適配電阻，并進(jìn)行運(yùn)算處理可以得出實(shí)際的充放電電流數(shù)值。

如圖9所示，DHAB S/18有著兩個(gè)輸出通道，具有兩種測(cè)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(gè)電流采樣通道對(duì)超級(jí)電容充放電電流進(jìn)行采集，大電流時(shí)采用通道S2模擬量，小電流時(shí)采用通道S1模擬量，使測(cè)量結(jié)果精度更加準(zhǔn)確，為后面估算超級(jí)電容SOC狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。

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(chē)電池包負(fù)極連接車(chē)架底盤(pán)，短路接地容易導(dǎo)致嚴(yán)重故障，使用高邊驅(qū)動(dòng)的方式能夠保障負(fù)載失效時(shí)超級(jí)電容管理系統(tǒng)具備切斷高壓的能力，從而避免更嚴(yán)重事故的發(fā)生。其控制回路由主芯片GPIO輸出通過(guò)達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)陣NCV1413BDR2G作為高邊驅(qū)動(dòng)芯片，以驅(qū)動(dòng)信號(hào)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。高邊驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖11。

圖11 高邊驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 LTC6813的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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(yàn)字節(jié)，一包數(shù)據(jù)12個(gè)字節(jié)。

表1 A組寄存器配置表寫(xiě)入命令

配置A組寄存器的嵌入式代碼如下所示：

LTC6813驅(qū)動(dòng)流程圖見(jiàn)圖12。

圖12 LTC6813驅(qū)動(dòng)流程圖

2.2超 級(jí)電容電量（SOC）的計(jì)算

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

但是，該方法計(jì)算SOC時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)在怠速時(shí)SOC出現(xiàn)短暫跳變問(wèn)題。為了防止SOC跳變影響用戶(hù)體驗(yàn)?？稍诔绦蛑性黾觾蓚€(gè)SOC值，一個(gè)為真實(shí)SOC值，即實(shí)際SOC狀態(tài)。另一個(gè)為顯示的SOC值，同時(shí)引入系數(shù)因子和跟隨算法實(shí)現(xiàn)SOC值在充放電過(guò)程中的平滑緩慢變化。修正方程見(jiàn)式（4）。SOC的修正模型見(jiàn)圖13。

圖13 SOC的修正模型

SOC估算功能模塊開(kāi)發(fā)完成后，可通過(guò)模型在環(huán)測(cè)試驗(yàn)時(shí)驗(yàn)證模型精度，然后對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)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(cè)試與分析

3.1單 體電壓采集

二次開(kāi)發(fā)的顯示界面與CAN報(bào)文相比，在視覺(jué)上更清晰明了，且更有益于分析處理現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。其中威綸通公司的EBpro軟件集成了組態(tài)開(kāi)發(fā)環(huán)境，擁有豐富的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議庫(kù)，通過(guò)串口和MCU的UART口進(jìn)行連接通信，便可完成信號(hào)處理、分析和連接數(shù)據(jù)管理、記錄與報(bào)表生成、應(yīng)用發(fā)布的功能，有利于調(diào)試使用。

如圖14所示，二次開(kāi)發(fā)的顯示界面可以直觀地顯示出LTC6813芯片上傳的超級(jí)電容單體電壓信息、超級(jí)電容溫度信息以及均衡的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。單體電壓采樣數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

圖14 單體電壓及均衡狀態(tài)顯示界面

3.2母 線(xiàn)電壓與電流采集

圖15為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電曲線(xiàn)，橙色為專(zhuān)用超級(jí)電容充放電設(shè)備采集得出；藍(lán)色為超級(jí)電容管理系統(tǒng)采集得出，由圖15可知開(kāi)發(fā)的管理系統(tǒng)在電壓和電流采樣上有著很好的準(zhǔn)確性。

3.3 SOC估算

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

圖16 SOC精度對(duì)比分析

4 結(jié)論

針對(duì)車(chē)用領(lǐng)域的超級(jí)電容管理系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，本文詳細(xì)介紹了母線(xiàn)電壓、母線(xiàn)電流和單體電壓采集的硬件設(shè)計(jì)；其次列舉基于LTC6813芯片單體采樣的部分底層軟件驅(qū)動(dòng)邏輯，同時(shí)基于Matlab/Simulink軟件開(kāi)發(fā)超級(jí)電容系統(tǒng)SOC估算功能，以及通過(guò)二次開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面來(lái)觀測(cè)到超級(jí)電容單體的電壓和均衡狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果表明，超級(jí)電容單體電壓采樣平均誤差在0.5%以?xún)?nèi)，母線(xiàn)電壓和電流誤差在1%以?xún)?nèi)，SOC估算跳變誤差逐漸被修正，驗(yàn)證了超級(jí)電容管理系統(tǒng)電壓電流采樣有著較高的準(zhǔn)確性。