摘要：構(gòu)建了基于單片機(jī)芯片MC9S12DG128與FpGA的電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電池均衡、安全管理、荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)、局域網(wǎng)（CAN）通信等功能。詳細(xì)介紹了使用該系統(tǒng)模塊的電池包的分布式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電池管理模塊的CAN總線(xiàn)接口及硬件和軟件功能設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；電池管理系統(tǒng)；FpGA

車(chē)用動(dòng)力鋰電池的安全性、使用成本以及續(xù)航里程一直是影響電動(dòng)汽車(chē)推廣應(yīng)用的重要因素。在現(xiàn)有電池技術(shù)的基礎(chǔ)上，一個(gè)有效的電池管理系統(tǒng)能對(duì)車(chē)用動(dòng)力鋰電池進(jìn)行保護(hù)、延長(zhǎng)其使用壽命、提高續(xù)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(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)。電池管理系統(tǒng)的核心荷電狀態(tài)SOC(StateofCharge)估計(jì)則是重中之重[１]。本文利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FpGA改進(jìn)了現(xiàn)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(kuò)展了采集電池的個(gè)數(shù)。

1電動(dòng)汽車(chē)電池組管理系統(tǒng)方法

動(dòng)力鋰電池組是由400個(gè)3.2V標(biāo)稱(chēng)電壓、容量11A的單體鋰離子電池，采用4并100串的方式組成的動(dòng)力鋰電池組。電壓檢測(cè)采用分布式檢測(cè)法，即將電池分為幾組，采用多套檢測(cè)電路分時(shí)檢測(cè)每4個(gè)并聯(lián)單體電池。這種檢測(cè)技術(shù)比較直觀，為了檢測(cè)每個(gè)電池的電壓，要將每個(gè)電池的電壓信號(hào)引入檢測(cè)設(shè)備，采用多通道切換技術(shù)，即通過(guò)開(kāi)關(guān)器件把多節(jié)單體電池的電壓信號(hào)切換到同一個(gè)信號(hào)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(cè)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(cè)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(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路,按功能可以分為控制電路和信號(hào)采集電路兩大部分，如圖1所示。

1．1控制電路設(shè)計(jì)

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

MC9S12DG128屬于高性能的16bit微控制器HC12系列，中央處理單元為16bitHCS12CpU。具有2通道SpI，2通道SCI,一個(gè)8通道16bit增強(qiáng)型捕捉按時(shí)器，一個(gè)8通道8bit或4通道16bitpWM，兩個(gè)8通道10bitADC，兩個(gè)MSCAN模塊和一個(gè)I2C總線(xiàn)。另外MC9S12DG128還包括29個(gè)獨(dú)立的數(shù)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(shù)據(jù)速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法及準(zhǔn)確的估算SOC，有效解決基于傳統(tǒng)單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)資源有限，算法簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

1．2通信接口設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，CAN總線(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)電路由MC9S12DG128內(nèi)置模塊CAN控制模塊，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器pCA82C250和高速光耦6N137，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在CAN總線(xiàn)的通信。其設(shè)計(jì)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1Mb/s[3]的設(shè)計(jì)要求。具有對(duì)總線(xiàn)供應(yīng)差動(dòng)發(fā)送能力,及對(duì)CAN控制器供應(yīng)差動(dòng)接收的能力，符合ISO11898[4]標(biāo)準(zhǔn)。pCA82C250還具有抗汽車(chē)環(huán)境中的瞬間干擾、保護(hù)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(shè)計(jì)

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí)，即使單節(jié)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(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池過(guò)充和過(guò)放情況的嚴(yán)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(jié)單體電池配備一個(gè)放電平衡電阻，當(dāng)某電池電壓高于其他電池超過(guò)設(shè)定值時(shí)，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)閉合，此節(jié)通過(guò)放電平衡電阻分流，使電池電壓下降，如此反復(fù)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(shè)計(jì)

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

圖3所示中安全管理器重要有4個(gè)參數(shù)：BAT＋、BAT－、HV＋、HV－，管理著三個(gè)繼電器S1、S2、S3，R為預(yù)充電電阻。此系統(tǒng)重要通過(guò)測(cè)量以上4個(gè)參數(shù)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(fù)母線(xiàn)對(duì)地的接地電阻出現(xiàn)的漏電流，來(lái)測(cè)量母線(xiàn)對(duì)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(hào)，對(duì)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(duì)地分布電容所引起的誤判與漏判。

2SOC的預(yù)測(cè)

電池荷電狀態(tài)SOC是描述電池狀態(tài)的重要參數(shù)。進(jìn)行SOC預(yù)測(cè)的方法重要有開(kāi)路電壓法、負(fù)載電壓法、Ah法及直流內(nèi)阻法等。假如有足夠的數(shù)據(jù)，還可以用自適應(yīng)的控制計(jì)算方法建立電池模型[7]。本設(shè)計(jì)以Ah法為主，配合負(fù)載電壓法和內(nèi)阻法對(duì)SOC進(jìn)行估測(cè)。電池充放電容量與充放電電流ｉ的關(guān)系為：

其中C0s為標(biāo)準(zhǔn)溫度下標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溫度下標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)的電量；K=ωii為電流修正系數(shù)，ωi代表標(biāo)準(zhǔn)溫度下，標(biāo)準(zhǔn)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，i代表溫度修正系數(shù)。由于電池老化對(duì)剩余容量的影響，C0s不等于蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量q，它們的關(guān)系：