基于Freescale單片機的電池管理系統(tǒng)設計

摘 要：為了實現(xiàn)電動汽車電池的實時監(jiān)控，在研究了鋰離子電池特點的基礎上，提出了一種用于混合動力汽車的分布式電池管理系統(tǒng)。其中，硬件系統(tǒng)包括電源模塊、基于Freescale 系列單片機的主控制模塊和子模塊、均衡模塊以及CAN 總線通信模塊等; 軟件系統(tǒng)包括基于下溢中斷的數(shù)據(jù)采集與處理、SOC 估算、均衡處理和CAN 通信等任務。

　　0 引言

　　混合動力汽車的整車性能很大程度上依賴于動力蓄電池。高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)( Bat ter yManag ement Sy stem，BMS) 能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。電池管理系統(tǒng)不僅要監(jiān)測混合動力電動汽車電池的充放電電流、總電壓、單體電壓和剩余電量SOC，還要預測電池的功率強度，以便監(jiān)控電池的使用狀況，在汽車啟動和加速時提供足夠的輸出功率，剎車時電池組能回收更多的能量，即提供足夠的輸入功率，并且不對電池組造成傷害。當電池出現(xiàn)過充或過放、溫度過高等異常情況時，電池管理系統(tǒng)會記錄電池號、診斷電池故障并報警，同時整車控制系統(tǒng)對充電機和用電設備給出控制信號。因此，電池管理系統(tǒng)是混合動力汽車的重要電子控制單元之一，對保障電池的可靠性和安全性起到重要作用。

　　1 電池管理系統(tǒng)的功能

　　電池管理系統(tǒng)的主要功能包括: 電池狀態(tài)參數(shù)的采集、電池狀態(tài)的預測、電池組故障診斷、均衡保護以及通信等。

　　1. 1 電池狀態(tài)參數(shù)采集

　　電池管理系統(tǒng)的所有算法都是以采集到的電池狀態(tài)參數(shù)為基礎的，因此必須保證數(shù)據(jù)的精確度。采用Fr eescale 集成的10 位A/ D 轉換模塊完成對單體電壓、溫度、總電壓以及充放電電流的采集。

　　1. 2 電池狀態(tài)的預測

　　電池狀態(tài)預測包括兩個方面。一方面是以安時積分法為基礎的電池荷電狀態(tài)的預測; 另一方面是以電流、電壓、溫度為輸入完成最大充放電功率的預測。整車控制器以這兩個參數(shù)為參考，正確地進行功率分配。

　　1. 3 電池組故障診斷

　　能夠根據(jù)采集到的參數(shù)，實時診斷電池溫度過高、過低故障，電池過壓、欠壓故障，發(fā)出電池充放電電流過大、電池組絕緣故障警告。這是保證動力電池系統(tǒng)可靠、車輛行駛安全、滿足用戶駕車需求的重要技術手段。

　　1. 4 均衡保護

　　單體電池的差異性，不僅會導致電池組的使用壽命比單體電池短很多; 同時，對于鋰離子電池而言，由于其對充放電要求很高，當過充、過放、過電流及短路等情況發(fā)生時，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生火*、燃燒甚至爆炸。為確保安全性和穩(wěn)定性，必須采取均衡措施。

　　1. 5 通信功能

　　主要指整車與電池管理系統(tǒng)的CAN 通信。

　　2 分布式電池管理系統(tǒng)硬件組成

　　目前，常用的電池管理系統(tǒng)設計方式主要有兩種:

　　分布式設計和集中式設計。分布式電池管理系統(tǒng)是將電池管理系統(tǒng)分為若干個子模塊和一個主控制模塊。

　　每一個子模塊能單獨完成電池信息測量、電池能量均衡、通信等功能，每一個子模塊都分別與一個電池模塊連接在一起，各個子模塊之間以及子模塊與主控制模塊之間通過總線進行通信。主控制模塊完成電池信息的處理、荷電狀態(tài)估算、電池故障診斷、電池組熱管理、電池組與整車通信等功能。

　　主控制模塊和子模塊分別采用Freescale 9S12 系列的DP512 和DG128 作為處理器。系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖