基于FPGA的動(dòng)力電池管理系統研究與開(kāi)發(fā)

車(chē)用動(dòng)力電池的安全性、使用成本以及續航里程一直是影響電動(dòng)汽車(chē)推廣應用的主要因素。在現有電池技術(shù)的基礎上，一個(gè)有效的電池管理系統能對車(chē)用動(dòng)力電池進(jìn)行保護、延長(cháng)其使用壽命、提高續航里程并降低其使用成本,是加速電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一項非常關(guān)鍵的技術(shù)。電池管理系統的核心荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)估計則是重中之重[１]。本文利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA改進(jìn)了現有的模擬多路開(kāi)關(guān)采集電池信息，提高了采集速度，并擴展了采集電池的個(gè)數。

1 電動(dòng)汽車(chē)電池組管理系統方案

動(dòng)力電池組是由400個(gè)3.2 V標稱(chēng)電壓、容量11 A的單體鋰離子電池，采用4并100串的方式組成的動(dòng)力電池組。電壓檢測采用分布式檢測法，即將電池分為幾組，采用多套檢測電路分時(shí)檢測每4個(gè)并聯(lián)單體電池。這種檢測技術(shù)比較直觀(guān)，為了檢測每個(gè)電池的電壓，需要將每個(gè)電池的電壓信號引入檢測設備，采用多通道切換技術(shù)，即通過(guò)開(kāi)關(guān)器件把多節單體電池的電壓信號切換到同一個(gè)信號處理電路。“開(kāi)關(guān)切換”動(dòng)態(tài)地改變了參考點(diǎn)，保證每次測量都是一個(gè)單體電池的端電壓；而差分輸入則保證了電池組與檢測電路不共地，雖然沒(méi)有做到全隔離，但比共地連接要安全[２]。利用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。整個(gè)電池管理系統的設計采用模塊化設計思路,按功能可以分為控制電路和信號采集電路兩大部分，如圖1所示。

1．1控制電路設計

控制電路綜合采集到的電壓、電流、溫度信息，對電池進(jìn)行SOC估算，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口與上位機及整車(chē)控制系統進(jìn)行通信。

MC9S12DG128屬于高性能的16 bit微控制器HC12系列，中央處理單元為16 bit HCS12 CPU。具有2通道SPI，2通道SCI,一個(gè)8通道16 bit增強型捕捉定時(shí)器，一個(gè)8通道8 bit或4通道16 bit PWM，兩個(gè)8通道10 bit ADC，兩個(gè)MSCAN模塊和一個(gè)I2C總線(xiàn)。另外MC9S12DG128還包括29個(gè)獨立的數字I/O口,其中20個(gè)I/O口具有中斷和喚醒的功能。

因此，采用MC9S12DG128芯片作為主控制器可以充分利用其片上資源豐富、采集和處理數據速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而可以實(shí)現復雜的算法及準確的估算SOC，有效解決基于傳統單片機的電池管理系統資源有限，算法簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

1．2通信接口設計

在本系統中，CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)電路由MC9S12DG128內置模塊CAN控制模塊，CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250和高速光耦6N137，可實(shí)現數據在CAN總線(xiàn)的通信。其設計圖如2所示。

PCA82C250作為CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)間的接口，滿(mǎn)足汽車(chē)中高速通信速率1 Mb/s[3]的設計要求。具有對總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力,及對CAN控制器提供差動(dòng)接收的能力，符合ISO11898[4]標準。PCA82C250還具有抗汽車(chē)環(huán)境中的瞬間干擾、保護總線(xiàn)能力，其斜率控制可降低射頻干擾（RFI）。作為差分接收器，能夠抗寬范圍的共模干擾和電磁干擾（EMI）。

1．3 均衡模塊的設計

當電動(dòng)車(chē)電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí)，即使單節電池的性能優(yōu)良，但由于配組使用的各單體電池特性不一致，會(huì )導致電池組內部各單體電池過(guò)充和過(guò)放情況的嚴重不一致，從而影響整個(gè)電池組的品質(zhì)[5]。

為解決上述問(wèn)題，典型的方法是利用發(fā)熱電阻旁路分流均衡法。即為每節單體電池配備一個(gè)放電平衡電阻，當某電池電壓高于其他電池超過(guò)設定值時(shí)，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)閉合，此節通過(guò)放電平衡電阻分流，使電池電壓下降，如此反復循環(huán)使得電池組各單體電池能平衡充電。

1．4 安全模塊的設計

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的總電壓一般在300 V以上，　因此安全控制模塊是必不可少的[6]。

圖3所示中安全管理器主要有4個(gè)參數：BAT＋、BAT－、HV＋、HV－，管理著(zhù)三個(gè)繼電器S1、S2、S3，R為預充電電阻。此系統主要通過(guò)測量以上4個(gè)參數的變化來(lái)判斷電池安全情況，通過(guò)開(kāi)關(guān)繼電器進(jìn)行管理。利用正負母線(xiàn)對地的接地電阻產(chǎn)生的漏電流，來(lái)測量母線(xiàn)對地的接地電阻大小，從而判別母線(xiàn)的接地故障。這一技術(shù)無(wú)需在母線(xiàn)上疊加任何信號，對直流母線(xiàn)供電不會(huì )有任何不良影響，并且可以徹底根除由母線(xiàn)對地分布電容所引起的誤判與漏判。

2 SOC的預測

電池荷電狀態(tài)SOC是描述電池狀態(tài)的重要參數。進(jìn)行SOC預測的方法主要有開(kāi)路電壓法、負載電壓法、Ah法及直流內阻法等。如果有足夠的數據，還可以用自適應的控制計算方法建立電池模型[7]。本設計以Ah法為主，配合負載電壓法和內阻法對SOC進(jìn)行估測。電池充放電容量與充放電電流ｉ的關(guān)系為：

其中C0 s為標準溫度下標準放電電流釋放的總電量；C?駐 s為實(shí)際使用電量折合為標準溫度下標準放電電流放電時(shí)的電量；K=ωi×δi為電流修正系數，ωi代表標準溫度下，標準電流I放電放出的電量與不同放電電流ｉ放電電流放出的電量之比，δi代表溫度修正系數。由于電池老化對剩余容量的影響，C0 s不等于蓄電池標稱(chēng)容量q，它們的關(guān)系：　

系統根據3個(gè)標志位的置位進(jìn)行溫度與電壓的采集，采集到的電壓數據由CAN總線(xiàn)通信。

本文應用單片機、FPGA和CAN總線(xiàn)等先進(jìn)技術(shù)研究了一種分布式的電池管理系統,實(shí)現了數據采集、SOC估計、CAN通信等功能。在codewarrior與quartus軟件上，對電池管理系統的硬件和軟件進(jìn)行了調試。該系統具有較高的預測精度和較強的實(shí)用性，可望應用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。