微型混合動(dòng)力汽車(chē)鉛酸電池能效管理

　　電池管理系統(BMS)可根據起動(dòng)能力對充電狀態(tài)(SoC)、健康狀態(tài)(SoH)和功能狀態(tài)(SoF)進(jìn)行快速、可靠的監測，以提供必要的信息。因此，BMS能夠最大限度地降低因為電池意外失效而導致的汽車(chē)故障次數，從而盡可能地提升電池使用壽命和電池效率，并實(shí)現CO2減排功能。BMS的關(guān)鍵元件是智能電池傳感器(IBS)，它可以測量電池的端電壓、電流和溫度，并計算出電池的狀態(tài)。

　　本文將介紹如何使用最先進(jìn)的算法計算SoC、SoH和SoF來(lái)實(shí)現BMS，以及它們在飛思卡爾(Freescale)鉛酸電池IBS上的有效實(shí)現。

技術(shù)簡(jiǎn)介

　　過(guò)去，汽車(chē)電池的充電等級一直是一項未被了解的因素，它在許多情況下會(huì )導致汽車(chē)故障。根據汽車(chē)的生命期不同，與電池有關(guān)的故障率可能攀升至10000ppm。

　　對于現存的嚴峻形勢而言，汽車(chē)電池還面臨著(zhù)來(lái)自于不斷增長(cháng)的電能和功耗，同時(shí)減小CO2減放等要求的其他挑戰。

　　由于電子技術(shù)在汽車(chē)創(chuàng )新領(lǐng)域起著(zhù)非常重要的作用，因此隨著(zhù)汽車(chē)的舒適性、安全相關(guān)功能電氣化、動(dòng)力混合、駕駛輔助和信息娛樂(lè )等功能不斷發(fā)展，對能量的需求也越來(lái)越高。

　　另一方面，越來(lái)越多的法規出臺呼吁降低CO2排放和燃料消耗。

　　為了應對上述互為對立的要求，需要采用先進(jìn)的能源管理系統，來(lái)確保在各種工作場(chǎng)合中電池都能為引擎起動(dòng)提供足夠的電能。

電能管理系統

　　用來(lái)為起停系統供電的典型供電網(wǎng)絡(luò )包含一個(gè)車(chē)身控制模塊(BCM)、一個(gè)電池管理系統(BMS)、一個(gè)發(fā)電機和一個(gè)DC/DC轉換器(見(jiàn)圖1)。

　　BMS借助專(zhuān)用的負載管理算法為BCM提供電池狀態(tài)信息，BCM通過(guò)對發(fā)電機和DC/DC轉換器進(jìn)行控制來(lái)穩定和管理供電網(wǎng)絡(luò )。DC/DC轉換器為汽車(chē)內部的各個(gè)用電部件分配電能。

　　通常，鉛酸電池的BMS直接安裝在電池夾上的智能連接器中。該連接器包括一個(gè)低阻值的分流電阻(通常在100μΩ范圍內)和一個(gè)帶有高度集成器件(具有準確測量和處理功能)的小型PCB，稱(chēng)為智能電池傳感器(IBS, 見(jiàn)圖2)。IBS即便是在最?lèi)毫拥臈l件下以及在整個(gè)使用壽命中都能以高分辨率和高精確度測量電池電壓、電流和溫度，從而正確預測電池的充電狀態(tài)(SoC)、健康狀態(tài)(SoH)和功能狀態(tài)(SoF)。這些參數定期或根據要求通過(guò)已獲汽車(chē)行業(yè)認證的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )傳送至BCM。

　　除上述功能與參數性能外，對IBS提出的其它關(guān)鍵要求包括低功耗、能夠在惡劣的汽車(chē)環(huán)境中(即EMC、ESD)工作、進(jìn)行汽車(chē)OEM廠(chǎng)商驗收的車(chē)載通信接口一致性測試(即LIN)、滿(mǎn)足汽車(chē)等級測試限制(針對被測參數的6σ限制)，另外還需符合AEC-Q100標準要求。

　　飛思卡爾宣布推出一款完全集成的基于Freescale S12 MCU技術(shù)的LIN電池監控器件，這種技術(shù)能夠滿(mǎn)足上述所有參數要求。該器件包括三個(gè)獨立的測量通道：通過(guò)外部分流電阻測量電流；通過(guò)直接安裝在電池正極的串聯(lián)電阻測量電池電壓；通過(guò)集成傳感器測量溫度。采用一個(gè)集成的LIN 2.1接口直接將傳感器連接至LIN總線(xiàn)，無(wú)需其他元件。飛思卡爾IBS完全符合汽車(chē)行業(yè)的AEC-Q100標準要求。

　　下文我們將為您介紹的是使用飛思卡爾IBS器件的BMS實(shí)現方案，以及如何通過(guò)利用IBS的硬件特性和定點(diǎn)算法實(shí)現高效率的BMS。

電池監控

　　正如前一段中所提到的，IBS的主要用途是監控電池狀態(tài)，并根據需要將狀態(tài)變量傳送至BCM或者其他ECU。將測量到的電池電流、電池電壓和溫度采樣值作為電池監控輸入。電池監控輸出為SoC、SoH和SoF。

　　1. 充電狀態(tài) (SoC)

　　SoC的定義非常直觀(guān)，通常以百分數的形式表示。完全充電的電池SoC為100%，完全放電的電池SoC為0%。SoC值隨電池的充電和放電而改變。

　　This leads to formula (1), where Cr is the remaining (dischargeable) capacity of the battery and Ca is the total available battery capacity:

　　該值通過(guò)公式(1)計算，其中Cr代表電池的剩余(可放電)電量，Ca代表電池的可用總電量：

　　但是，常常會(huì )出現可用電池電量與電池的標稱(chēng)容量(通常標注在電池外殼上)不同的問(wèn)題。對于一個(gè)新電池，它可能比標稱(chēng)容量更高，對于已經(jīng)使用一段時(shí)間的電池來(lái)說(shuō)，可用電量會(huì )降低。另一個(gè)問(wèn)題是，實(shí)際可用電量很難根據IBS的輸入值來(lái)確定。

　　因此，SoC通常用標稱(chēng)容量Cn來(lái)評定，它具有多項優(yōu)點(diǎn)：

　　特定SoC的電池可用充電量是已知的，包括舊電池；Cn是在確定的電流(I=Cn/20h)和溫度(27 °C)下來(lái)測定的。

　　共有2種常用的SoC計算方法：庫侖計數法，也稱(chēng)為電流積分或安時(shí)平衡，以及開(kāi)路電壓(OCV)測量。

　　庫侖計數法是跟蹤SoC快速變化的最佳算法。它基于對流入和流出電池的電流進(jìn)行積分，并相應地調整計算出的電池SoC。公式(2)用于SoC計算，其中Q(t0)表示電池的初始電量，α表示效率因子，i(t)表示電流(正向或反向)，Cn表示電池的標稱(chēng)容量。

　　除α因子外，公式中的參數都非常直觀(guān)。這是一個(gè)用來(lái)描述效率的因子，也稱(chēng)為Peukert定律。它表述了在不同放電率情況下鉛酸電池的電量。當放電率提高時(shí)，電池的可用電量會(huì )降低。另一個(gè)影響可用電量的參數是溫度。溫度越高，可用電量也就越高。兩種效率都使用α描述，因此α值需要采用一個(gè)2維數組(溫度和放電率)。根據測量到的溫度和放電率，相應的值被分別用于每一個(gè)積分步驟。α值在很大程度上取決于電池的設計和化學(xué)組成，通常情況下即便是同一家制造商的不同型號的電池，該值也會(huì )有所不同。他們通常是在實(shí)驗室里通過(guò)充電和放電測試獲得。

　　雖然Peukert定律只適用于放電的情況，但也有一個(gè)與α值類(lèi)似的效率因子被用于充電周期。除了溫度和充電率以外，實(shí)際的SoC也需要考慮在內，因為SoC較高時(shí)的充電效率要小于中等SoC情況下的充電效率。

　　由于整合了電流值和α值，因而電池狀況改變時(shí)產(chǎn)生的誤差以及電流測量和量化誤差將隨著(zhù)時(shí)間的推移而變大。因此，參數Q(t0)(電流積分的起點(diǎn))通常通過(guò)一種能夠提供更高精確度的不同方法來(lái)獲得：OCV方法。OCV是在沒(méi)有用電器件從電池中汲取電流時(shí)電池兩極間的電壓。

　　鉛酸電池顯示OCV與SoC之間具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。因此，通過(guò)測量OCV，SoC可被直接計算出來(lái)。OCV和SoC之間的確切因子(exact factor)必須被表征出來(lái)。

　　這種方法的唯一缺陷是，OCV只能在停車(chē)以后測量，即(幾乎)所有的用電器件都關(guān)閉后，而且要在汽車(chē)熄火后經(jīng)過(guò)數十分鐘甚至數小時(shí)再測量。

　　因此，OCV法常被用于重校準庫侖計數，而庫侖計數法連續運行。這種組合提供了一種良好的SoC計算方法，并且可在較長(cháng)的停車(chē)時(shí)間內，用自放電率校正SoC來(lái)使計算結果更加精確。

　　2. 健康狀態(tài) (SoH)

　　鉛酸電池的各種老化效應會(huì )對電池造成不同的影響。由于很難通過(guò)IBS分別對這些老化效應進(jìn)行監測和量化，因此SoH通常不直接根據這些老化效應來(lái)評定。取而代之的是，SoH是通過(guò)使用壽命內電池容量的減少來(lái)評定的，這是老化的主要結果。與電池老化相關(guān)的另一個(gè)非常重要的參數是起動(dòng)性能，但是它通常用起動(dòng)能力的功能狀態(tài)(SoF)來(lái)表述。

　　由此，SoH可通過(guò)公式(3)來(lái)估算，其中Caged代表老化的電池容量，Cn代表按照SoC的計算作為參考的標稱(chēng)容量。

　　由于Cn是已知的，因此計算SoH的關(guān)鍵任務(wù)是找到Caged。一種可能的方法是在電池的整個(gè)使用壽命內跟蹤所達到的最大電量(或SoC)。如果在隨后進(jìn)行的若干次完全充電后，電池的最大充電水平低于之前計算的老化容量，則表示老化容量變小。相應地，Caged和SoH必須根據庫侖計數和OCV方法確定的容量進(jìn)行調整。完全充電狀態(tài)可以在充電電流降至特定閾值以下時(shí)監測。

　　確定SoH的另一個(gè)方法是跟蹤充電和放電周期，以電池制造商所提供的周期穩定性來(lái)進(jìn)行評估。通常，制造商會(huì )確保在指定溫度下對于某一深度的充放電周期總量，例如，27℃、25%放電深度時(shí)為500個(gè)周期。通過(guò)用這些數字對所有周期進(jìn)行評估，并應用溫度和充電狀態(tài)校正因子，可提供對上文提到的Caged的跟蹤。這些校正因子必須通過(guò)對電池特性的表征來(lái)確定。

　　但是，這兩種方法通常還會(huì )與其他專(zhuān)用算法結合使用，這些算法與電池使用壽命中的多個(gè)電池參數緊密結合。在實(shí)驗室中通過(guò)大量的電池特性分析可確定這些電池參數，它們通常只適用于一個(gè)特定的電池型號。

　　3. 功能狀態(tài) (SoF)

　　對鉛酸電池來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)汽車(chē)引擎即便不是最重要的功能，也是非常重要的功能。因此，BMS的一個(gè)非常重要的任務(wù)是在實(shí)際條件下預測汽車(chē)能否起動(dòng)。起動(dòng)預測通過(guò)SoF參數表示。

　　除了“傳統的”停車(chē)后再起動(dòng)，通過(guò)在微型混合動(dòng)力汽車(chē)中引入起停系統，起動(dòng)預測功能正變得更加重要。BMS必須決定是否可在引擎關(guān)閉后再次起動(dòng)，以及是否可以安全地進(jìn)入停止模式，并與BCM進(jìn)行通信。

　　獲取SoF參數的一個(gè)非常好的方法是對最近的引擎起動(dòng)情況、剩余電量(作為SoC和SoH的函數)和實(shí)際溫度進(jìn)行分析。在起動(dòng)期間，電池內阻Ri(通過(guò)電壓降和電流來(lái)計算)需要被記錄下來(lái)。因為Ri在電池的使用壽命中是相對一致的，并且只是在電池使用壽命結束前顯著(zhù)升高，因此Ri平均值需要低于某個(gè)特定的閾值，以確保安全起動(dòng)。老化電池的另一個(gè)影響是，在起動(dòng)階段，從電壓和電流采樣中計算出的Ri值會(huì )趨向于非線(xiàn)性，即對于相同的電壓采樣值會(huì )有不同的電流值。而對于新電池來(lái)說(shuō)，Ri是線(xiàn)性的。參見(jiàn)圖3和圖4了解起動(dòng)過(guò)程中常見(jiàn)的電壓和電流變化趨勢。

　　綜合Ri(通過(guò)電壓降和電流來(lái)計算)、電池剩余電量和實(shí)際溫度，可以很好地表征起動(dòng)能力。此外，這些閾值也必須通過(guò)電池的特性分析來(lái)確定。

　　為了以必要的準確度確定Ri的線(xiàn)性性或非線(xiàn)性性，所有起動(dòng)階段取樣的電壓和電流值都需要使用線(xiàn)性濾波器來(lái)過(guò)濾，最好采用帶通濾波器。

高效實(shí)現BMS的硬件和軟件

　　電能效率是新型汽車(chē)一個(gè)最重要的特性，由BMS來(lái)實(shí)現。除了管理一些節電功能外，BMS還需要具有高能效，因為它是一種始終運行的系統，當發(fā)電機不工作時(shí)需要通過(guò)鉛酸電池供電。為滿(mǎn)足這一要求，IBS的功耗必須盡可能低。

　　為實(shí)現這一目標，飛思卡爾的IBS實(shí)施采用兩種低功耗模型，其中CPU和其他不需要的硬件(HW)模塊被關(guān)閉。為降低正常運行模式時(shí)的功耗，并減少客戶(hù)端的軟件(SW)開(kāi)發(fā)工作，增加了額外的硬件模塊以降低軟件復雜性。這樣便可以使用尺寸更小、功耗更低、性?xún)r(jià)比更高的16位微控制器。另一種降低軟件復雜性的方法是在整個(gè)使用壽命期間確保產(chǎn)品參數，并將工廠(chǎng)調校值存儲在非易失性存儲器(NVM)中。作為產(chǎn)品下線(xiàn)測試的一部分，這些調校值針對每個(gè)芯片分別進(jìn)行表征描述，并相應地存儲。因此，在軟件中無(wú)需使用復雜的校準算法。

　　除了在硬件中實(shí)施的這三種技術(shù)以外，本文還介紹了電池監控算法的高效軟件實(shí)現方法。

　　1． 低功耗模式

　　實(shí)現低功耗模式是一種非常好的降低功耗的方法。實(shí)現方法是，在不需要SoC的部件(尤其是CPU)時(shí)將其關(guān)閉、并僅在需要時(shí)切換到正常模式(即激活所有硬件模塊)。正如前面所提到的，共有兩種低功耗模型，其不同之處僅在于CPU被喚醒后使用的程序入口點(diǎn)。

　　但是，在低功耗(即沒(méi)有軟件交互)模式下，也需要監控電池狀態(tài)。首先，需要跟蹤電流，用庫侖計數法計算出SoC。相應地，可支持低功耗模式下的電流測量和電流采樣值的自動(dòng)求和(即庫侖計數)。

　　IBS必須能夠對電池和汽車(chē)的狀態(tài)變更做出反應，即電池傳感器必須在各種事件發(fā)生時(shí)被喚醒。相應地，也需要測量低功耗模式時(shí)的電流和溫度。電流變化通常表明汽車(chē)狀態(tài)發(fā)生變化(用電器件的開(kāi)和關(guān))，而溫度改變時(shí)有時(shí)需要重新校準測量通道參數?？梢耘渲秒娏骱蜏囟炔蓸又档拈撝?，如果超出閾值則喚醒。還可以使用自動(dòng)庫侖計數器閾值喚醒機制。

　　除了那些針對被測參數的喚醒事件以外，還可實(shí)現其它喚醒機制，允許BCM或汽車(chē)中的其它電子器件喚醒IBS(通過(guò)LIN消息或直接導線(xiàn)連接)，此外還有定時(shí)喚醒機制。

　　上述低功耗模式和喚醒機制的實(shí)現允許IBS在大多數時(shí)間里都運行在低功耗模式下(通常約為70%)，包括引擎運行時(shí)。在正常運行模式期間，SoC、SoH和SoF參數將被重新計算。

　　2． 將軟件任務(wù)移至硬件模塊

　　采用專(zhuān)用硬件模塊來(lái)承擔軟件的任務(wù)是降低軟件復雜性和節省電能的一種有效方式。在將此類(lèi)硬件模塊用于電池監控算法以前，可以非常有效地將其用于電壓、電流和溫度測量采樣值的預處理。這一點(diǎn)非常有必要，因為汽車(chē)的電源線(xiàn)經(jīng)常受到干擾，而且對于IBS來(lái)說(shuō)，采樣值的測量精度要求很高。

　　帶有抽取濾波器和抗干擾濾波器的高精度16位Σ-Δ ADC非常適合這種應用，因為與其他ADC技術(shù)相比它具有高測量精確度。結合誤差補償功能，已經(jīng)能夠提供非常好的精確度。但是，在信號處理鏈后常常需要對采樣值進(jìn)行再濾波。這樣做的原因是可以去除汽車(chē)中其它電子器件的噪音，因此濾波器需要有可自由轉換的頻率特性。另一個(gè)原因是，作為電池監控的一部分而被觀(guān)測的特定電池參數，與激勵頻率(由電池的化學(xué)組成決定)緊密聯(lián)系在一起。例如Ri就是如此。

　　可編程線(xiàn)性濾波器可以滿(mǎn)足這些要求：濾波器系數可經(jīng)過(guò)寄存器傳送到硬件濾波器模塊。這些寄存器被編程后，在軟件中就不再需要完成濾波任務(wù)。

　　電流測量面臨著(zhù)需要對小電流進(jìn)行高精度測量，同時(shí)還必須支持寬測量范圍的挑戰。所要求的精度要高于10mA，這意味著(zhù)在100μΩ的分流器上產(chǎn)生1μV的壓降。而在汽車(chē)起動(dòng)過(guò)程中，會(huì )出現1000A甚至更高的電流。為支持上述兩種需要同時(shí)避免在軟件上進(jìn)行手動(dòng)測量重配置，需要引入一個(gè)自動(dòng)增益放大器?？蛇x增益因子用來(lái)調節輸入信號，使其與ADC的參考電壓達到最優(yōu)匹配。增益因子的調節可以自動(dòng)完成，在整個(gè)運行過(guò)程中，無(wú)需對軟件進(jìn)行重配置。出于測試的目的，或者當存在特殊的應用需求，也可以選擇固定增益因子。

　　3． 簡(jiǎn)化校準工作

　　確保器件在整個(gè)使用壽命期間都保持高精確度的一個(gè)非常重要的任務(wù)是調整和校準。為此，之前測試得到的校正因子被應用到關(guān)鍵的器件參數中。作為產(chǎn)品線(xiàn)器件測試的一部分，這些因子在各種溫度下被測試，并存儲到IBS的NVM中。在器件啟動(dòng)時(shí)，各調整參數需由軟件寫(xiě)入到器件的寄存器中。需要調整的參數可在電流和電壓測量鏈中得到。另外，振蕩器、電壓基準和LIN定時(shí)也需要被校準。在運行期間需要進(jìn)行重校準，例如需要定期校準或在溫度出現急劇變化時(shí)進(jìn)行校準。如果有的話(huà)，不同的校正因子需再次寫(xiě)入到各自的寄存器中。

　　上面提到的校準方法可以避免客戶(hù)對這些參數進(jìn)行昂貴的產(chǎn)品下線(xiàn)測試。另外，通過(guò)簡(jiǎn)單地應用參數，還可以降低軟件校準的復雜性。

　　4． 軟件實(shí)現

　　在前文中提到的電池管理算法需要采用處理器密集型計算和控制算法。通常是在PC機上利用基于模型的仿真工具來(lái)完成這些算法的初次實(shí)現。這些工具通常使用浮點(diǎn)數據格式。在隨后的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，這些算法被移植到IBS上。但是，由于成本和功耗的原因，IBS所用的微控制器上并不提供浮點(diǎn)硬件。因此，為獲得合適的運行時(shí)間，在算法中所使用的數據類(lèi)型必須映射到定點(diǎn)整數格式。有多種數據類(lèi)型及相應的取值范圍可用。例如，下表列出了在飛思卡爾的IBS上提供的數據類(lèi)型。

　　數據類(lèi)型 范圍(無(wú)符號) 范圍(有符號)

　　char (8位) 0 – 255 -128 – 127

　　int (16位) 0 – 65535 -32768 – 32767

　　long int (32位) 0 – 4294967295 -2147483648 – 2147483647

　　為了表示小于1的值，LSB被映射為特定的值。該值由所需的分辨率決定。通過(guò)選擇其中一個(gè)可用的數據類(lèi)型，可以得出該變量的可用值范圍和虛擬固定小數點(diǎn)(定點(diǎn)格式)。例如，分辨率為1mV，采用無(wú)符號整型時(shí)所能表示的范圍為0~65.535V。

　　由于飛思卡爾IBS中有一個(gè)16位S12 CPU，因此整型數據類(lèi)型可以提供16位的精度。這意味著(zhù)8位和16位變量處理起來(lái)較32位性能更優(yōu)。因此，一般首選8位及16位變量。

　　上述計算SoC、SoH和SoF所用算法的實(shí)現范例顯示，在許多情況下，16位變量可以提供足夠的數值精度和范圍。這是因為電壓和溫度輸入值都是16位精度(通過(guò)使用16位ADC)。其它的一些16位精度就已足夠的數值包括SoC、SoH、Ri和校正因子α。即使采用具有24位精度的電流采樣值，也可以在大多數情況下映射到16位數據。例如在3mA的精度上，通過(guò)使用帶符號16位整型格式，可表示達±98.3A的電流值，而無(wú)需對數字格式做進(jìn)一步的修改。這足以滿(mǎn)足汽車(chē)在行駛和停止時(shí)的要求。在起動(dòng)過(guò)程中，電流采樣值會(huì )超出邊界，必須使用32位數據格式。需要32位格式的參數是與電池充電有關(guān)的值(例如，庫侖計數器)。

本文小結

　　本文介紹了如何采用飛思卡爾IBS來(lái)有效實(shí)現微型混合動(dòng)力汽車(chē)中的BMS。討論了最先進(jìn)的電池狀態(tài)計算算法(SoC、SoH和SoF)。從中可以了解到，在功耗方面可以采用哪些特殊的硬件特性來(lái)提高IBS的效率。本文還介紹了具有自動(dòng)電池狀態(tài)觀(guān)測(無(wú)需軟件交互)和復雜喚醒機制的低功耗模式的使用。因此，IBS能夠在大多數情況下都處于低功耗模式。另外，通過(guò)采用合適的硬件信號處理、可編程濾波和簡(jiǎn)化的校準方式，軟件復雜性得以降低。本文還介紹了定點(diǎn)運算原理，分析結果表明，對于BMS算法中的變量來(lái)說(shuō)，16位定點(diǎn)數據格式一般能夠滿(mǎn)足要求，僅在少數時(shí)候需采用32位格式。