基于Freescale單片機的電池管理系統設計

摘 要：為了實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)電池的實(shí)時(shí)監控，在研究了鋰離子電池特點(diǎn)的基礎上，提出了一種用于混合動(dòng)力汽車(chē)的分布式電池管理系統。其中，硬件系統包括電源模塊、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(xiàn)通信模塊等; 軟件系統包括基于下溢中斷的數據采集與處理、SOC 估算、均衡處理和CAN 通信等任務(wù)。

　　0 引言

　　混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)性能很大程度上依賴(lài)于動(dòng)力蓄電池。高性能、高可靠性的電池管理系統( 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。電池管理系統不僅要監測混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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，在汽車(chē)啟動(dòng)和加速時(shí)提供足夠的輸出功率，剎車(chē)時(shí)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。當電池出現過(guò)充或過(guò)放、溫度過(guò)高等異常情況時(shí)，電池管理系統會(huì )記錄電池號、診斷電池故障并報警，同時(shí)整車(chē)控制系統對充電機和用電設備給出控制信號。因此，電池管理系統是混合動(dòng)力汽車(chē)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(tài)參數的采集、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)參數采集

　　電池管理系統的所有算法都是以采集到的電池狀態(tài)參數為基礎的，因此必須保證數據的精確度。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(gè)方面。一方面是以安時(shí)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(chē)控制器以這兩個(gè)參數為參考，正確地進(jìn)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(shí)時(shí)診斷電池溫度過(guò)高、過(guò)低故障，電池過(guò)壓、欠壓故障，發(fā)出電池充放電電流過(guò)大、電池組絕緣故障警告。這是保證動(dòng)力電池系統可靠、車(chē)輛行駛安全、滿(mǎn)足用戶(hù)駕車(chē)需求的重要技術(shù)手段。

　　1. 4 均衡保護

　　單體電池的差異性，不僅會(huì )導致電池組的使用壽命比單體電池短很多; 同時(shí)，對于鋰離子電池而言，由于其對充放電要求很高，當過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流及短路等情況發(fā)生時(shí)，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。為確保安全性和穩定性，必須采取均衡措施。

　　1. 5 通信功能

　　主要指整車(chē)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(gè)子模塊和一個(gè)主控制模塊。

　　每一個(gè)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(gè)子模塊都分別與一個(gè)電池模塊連接在一起，各個(gè)子模塊之間以及子模塊與主控制模塊之間通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)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(chē)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。

圖1 系統硬件框圖