Freescale单片机在电池管理系统中的应用
摘要： 为了实现电动汽车电池的实时监控，在研究了锂离子电池特点的基础上，提出了一种用于混合动力汽车的分布式电池管理系统。其中，硬件系统包括电源模块、基于Freescale系列单片机的主控制模块和子模块、均衡模块以及CAN总线通信模块等;软件系统包括基于下溢中断的数据采集与处理、SOC估算、均衡处理和CAN通信等任务。
Abstract：
Key words :
為了實現電動汽車電池的實時監控，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" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" title="電池管理">電池管理" 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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(Battery Management System，BMS)能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。電池管理系統不僅要監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，以便監控電池的使用狀況。因此，電池管理系統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 電池管理系統的功能
電池管理系統的主要功能包括：電池狀態參數的采集、電池狀態的預測、電池組故障診斷、均衡保護以及通信等。
1.1 電池狀態參數采集
電池管理系統的所有算法都是以采集到的電池狀態參數為基礎的，因此必須保證數據的精確度。采用Freescale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 電池狀態的預測
電池狀態預測包括兩個方面。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
能夠根據采集到的參數，實時診斷電池溫度過高、過低故障，電池過壓、欠壓故障，發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生時，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產生火花、燃燒甚至爆炸。為確保安全性和穩定性，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的CAN通信。
2 分布式電池管理系統硬件組成
目前，常用的電池管理系統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是將電池管理系統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。系統硬件框圖如圖1所示。
2.1 電源模塊
整車為BMS提供的電壓是12 V，管理系統需要的電壓有：5 V，單片機及驅動芯片用;±15 V，運放及電流傳感器用。采用DC/DC模塊將12 V電壓轉成5 V或者15 V。
2.2 A/D轉換模塊
Frescale 16位系列芯片集成10位的A/D轉換模塊，滿足整車的采樣精度要求。A/D采樣電路包括電壓采樣、電流采樣與溫度采樣。子模塊中用CPLD控制光耦陣列開關，實現模塊電壓巡檢采樣，主模塊中直接對總電壓周期采樣;采用霍爾傳感器實現電流采樣;采用熱敏電阻實現溫度采樣。
DG128通過I/O向CPLD實時發送電池模塊選通信號，CPLD根據傳送過來的信號經由內部與非邏輯組合的運算，向高壓光電隔離開關陣列發出控制信號，控制光電開關固態繼電器分時導通;被選中的模塊電壓信號再經過線性隔離放大和低通濾波預處理，最后進入DG128的A/D轉換模塊。開關陣列控制隔離濾波電路如圖2所示。
如圖3所示，設電池總電壓為U，電阻R2兩端的電壓為U2，當求得R2兩端的電壓U2，即可反求U。為了提高U2的采樣精度，抑制高頻干擾，在R2兩端增加由電阻R3和電容C1組成的低通濾波器，再經光藕AQW214隔離后，將U2傳給線性光電隔離放大環節ISO124，最終傳給DP512的A/D，經處理，求得U。
圖4中利用二極管單向導電性，將正負電流分別經過電阻和運算放大器組成的網絡，最終轉換為電壓信號，進入A/D模塊。
圖5中，虛線框內的RV，為熱敏電阻，R2為低溫漂精密電阻。5 V經R2分壓，即可求得RV的阻值變化，查表進而得到對應的溫度值。與測量其他信號一樣，溫度轉換的電壓信號也經過一個低通濾波器進入A/D模塊。
關鍵字：Freescale 電池管理
2.3 均衡模塊
根據實時采集的數據，當電池管理系統認為某一單體電壓BATn需要均衡時，給出均衡控制信號EQ_CTRLn，光耦閉合，MOS管導通，均衡電路啟動，如圖6所示。
2.4 CAN通信模塊
CAN通信是整車與BMS之間、BMS主控制模塊和子模塊之間的信息橋梁。子模塊將采集到的單體電壓和溫度值通過CAN總線上傳給主控模塊，主控模塊通過CAN總線給子模塊下達均衡命令;主控模塊將電池參數發送給整車，整車控制器通過判斷決策能量分配。Freescale 9S12系列單片機已經集成CAN模塊MSCAN，外擴引腳CANTX和CANRX。還需要PCA82C250來作為驅動芯片，如圖7所示。
3 分布式電池管理系統的軟件設計
電池管理系統軟件以CodeWarrior for HCS12V4.7為開發環境，采用C語言編寫，包括了主控制模塊和子模塊兩個部分的軟件設計。
3.1 主控制模塊
主控制模塊的任務主要有：A/D轉換與數據處理任務、整車CAN接收任務、整車CAN發送任務、系統監控任務、SOC與能量估算任務以及均衡處理任務。中斷有：A/D采集中斷、定時器下溢中斷、CAN接收中斷。
如圖8所示，系統初始化工作完成后，軟件以模/數減法計數器的下溢中斷來確定系統的執行周期，計數周期為5 ms。在模/數計數器前一次下溢中斷程序中，選擇電壓采集通道，并查詢整車CAN接收;經5 ms在本次下溢中斷到來后，中斷服務程序進行A/D轉換的啟動，轉換完成進入A/D中斷，開啟其他任務的執行，如此循環交替進行。根據整車控制策略，CAN上的電池狀態數據每幀的刷新周期為10 ms，因此設置下溢中斷的時鐘節拍為5ms，相應地，以上所有任務的執行周期均為10 ms。
關鍵字：Freescale 電池管理
3.2 子模塊
子模塊的任務主要有：A/D轉換與數據處理任務、內部CAN接收任務、內部CAN發送任務、以及均衡執行任務。中斷有：A/D采集中斷、定時器下溢中斷。
如圖9所示，軟件以模/數減法計數器的下溢中斷來確定系統的執行周期，計數周期為2.5 ms。在模/數計數器前一次下溢中斷程序中，選擇電壓采集通道，并查詢內部CAN接收;經2.5 ms在本次下溢中斷到來后，中斷服務程序進行A/D轉換的啟動，轉換完成進入A/D中斷，開啟其他任務的執行，如此循環交替進行。其中，根據協議，內部CAN發送任務為保證周期為10 ms，要間隔一次A/D轉換后才啟動，其他任務執行周期則為5 ms。
4 結論
均衡控制功能解決了電池單體電壓不均衡造成的過充問題。Freescale 9S12系列單片機強大的數據處理功能，豐富的外圍接口和良好的電磁兼容性滿足了混合動力汽車電池管理的所有要求，在實際中得到了良好的效果。
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