邱 浩，董鑄榮，韓承偉，梁松峰

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055）

如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此電動汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車必不可少的重要組成部分[1]．電池管理系統(tǒng)就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控并根據(jù)電池的狀態(tài)做出相應(yīng)處理．

純電動汽車作為一種新型動力汽車，具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點．純電動車上配有高壓電池箱，而為了在翻車、碰撞或電池發(fā)生故障等關(guān)鍵時候可切斷電池充放電回路，每臺純電動車都配備BMS（電池管理系統(tǒng)），一般在出現(xiàn)事故或電池出現(xiàn)損壞的情況下，BMS控制繼電器切斷，使電池箱電流輸出為零，確保司乘人員的人生安全．

本文設(shè)計的基于MS9S12XET256MAL電動汽車電池管理系統(tǒng)用于深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院自行研制的四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車中[2]，較好地解決了高可靠性的硬件數(shù)據(jù)采集及通訊，通過軟件實現(xiàn)了電池SOC的準(zhǔn)確估計，提升了整車的安全性能．

1 動力電池管理系統(tǒng)方案設(shè)計

本管理系統(tǒng)采用MS9S12XET256MAL作為主控芯片，是Freescale公司于2005年推出HCS12X系列單片機(jī)[3]，是HCS12系列的增強型產(chǎn)品，基于S12CPU內(nèi)核．MC9S12XET256MAL的總線頻率最高可達(dá)40 MHz，內(nèi)部具有256K的FLASH，4K的EEPROM，16K的RAM，具有112個引腳，其中91個可作為通用I/O引腳，用來控制開光量的輸入與輸出以及驅(qū)動繼電器用以控制外圍設(shè)備．5個MSCAN模塊，其中CAN0作為內(nèi)部通訊CAN，與采集板，高壓板進(jìn)行通訊．1個I2C總線模塊，與時鐘芯片相連接．3個串行外設(shè)端口SPI，其中，SPI0控制外設(shè)鐵電存儲器．采用外接一個4M晶振的皮爾茲振蕩電路．

本文的電池管理系統(tǒng)設(shè)計了CAN總線與其它車載系統(tǒng)進(jìn)行通信，各個電池單體的基本信息，例如電池剩余電量和電池工作狀態(tài)等信息，由BMS控制芯片（MS9S12XET256MAL）采集后處理計算得到．圖1為本系統(tǒng)總體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖．

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計圖

2 硬件設(shè)計

電動汽車使用單體電壓為3.2V的磷酸鐵鋰電池，共24塊．硬件電路主要由BCU，BHU，BMU模塊組成．BMS系統(tǒng)分別對串聯(lián)電池組的工作電流、單體電池的溫度和電壓進(jìn)行采樣．本系統(tǒng)共有24路電壓采樣通道，通過汽車級專用電壓采集芯片LTC 6803-4來采集單體電壓．電流采集使用高精度分流器或霍爾傳感器，電池溫度信號采樣使用數(shù)字溫度傳感器．MS9S12XET256 MAL分析計算這些電池參數(shù)后，根據(jù)控制策略作相應(yīng)的控制和顯示．繼電器是BMS一個重要的控制．當(dāng)電池出現(xiàn)問題時（如過壓、過流、超溫等），繼電器斷開，從而負(fù)載與電池組斷開，保證了電池與整車的安全．

2.1 BCU硬件系統(tǒng)

2.1.1 BCU硬件系統(tǒng)框圖

主控板BCU（Battery Control Unit）主要作用為：收集BHU與BMU采集到的各項數(shù)據(jù)，上傳至車載儀表盤或外接筆記本，判斷各項數(shù)據(jù)是否報警越線，從而控制繼電器的切斷（閉合）動作．其電路可主要分為以下部分：MCU控制，電源電路，外設(shè)存儲器，硬件看門狗，系統(tǒng)時鐘，開光量輸入/輸出，驅(qū)動繼電器，CAN通訊等，如圖2所示．

圖2 BCU硬件方案設(shè)計圖

電源電路為MCU（Micro Control Unit）及其它電路提供正常工作電壓，外設(shè)存儲器實時保存MCU處理的數(shù)據(jù)參數(shù)，系統(tǒng)時鐘提供準(zhǔn)確的時間參照，MCU對CAN通訊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而通過驅(qū)動繼電器以及開光量來保護(hù)電池組及其控制相應(yīng)的外圍設(shè)備，硬件看門狗用來防止程序因意外“跑飛”，保證系統(tǒng)的正常工作．

2.1.2 電源電路

外部為 DC12V供電輸入，前端采用防雷器件保護(hù)電源并做了電源防反接處理，經(jīng)過DC-DC電源模塊 XZR05/12S05為內(nèi)部整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V工作電壓，如圖3所示．

圖3 電源電路圖

2.1.3 復(fù)位電路

看門狗MAX706PESA外接5V電源，由處理器的PH7口控制WDI口進(jìn)行“喂狗”，一旦程序“跑飛”，則 MAX706PESA給予處理器RESET端口一個有效低電平，從而使處理器重新復(fù)位，電路連接如圖4所示．

2.1.4 時鐘模塊

SD2405ALP時鐘芯片工作電壓為3.3~5.5V，其中的SCL，SDA引腳通過10K的上拉電阻與處理器的PJ7、PJ6引腳相連接．處理器通過提供單向時鐘信號控制時鐘芯片，并進(jìn)行串行數(shù)據(jù)輸入輸出．

圖4 復(fù)位電路圖

2.1.5 存儲模塊

外接AS1117-3.3V三端穩(wěn)壓器給非易失性鐵電存儲器FM25V05提供3.3V電源，F(xiàn)M25V05具有512Kbit的存儲容量，讀寫次數(shù)達(dá)到 100萬億次，掉電數(shù)據(jù)可保持10年，采用SPI接口與處理器相連接，并將寫保護(hù)口WR與HOLD拉高以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作．

2.1.6 CAN通訊

采用3路CAN通訊，其中CAN0作為內(nèi)部通訊CAN，進(jìn)行與采集板、高壓板的通訊．通過5V供電芯片PCA82C250T進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)[4]，為保護(hù)其他電路的正常工作，對CAN通訊進(jìn)行光耦隔離，光耦隔離芯片6N137可達(dá)1Mbit/s的轉(zhuǎn)換速率．

2.1.7 開關(guān)量輸入/輸出及其驅(qū)動繼電器

采用達(dá)林頓管 ULN2003A驅(qū)動內(nèi)部 6路OMRON繼電器G5V-1A，從而具有DC24V、1A的帶載能力．開關(guān)量輸入/輸出采用光耦 TLP521-4，其中4路12V高電平有效輸入，4路低電平有效輸入．其具體電路連接，如圖5所示．

圖5 開關(guān)量輸入/輸出電路圖

2.2 BHU硬件系統(tǒng)

2.2.1 BHU硬件系統(tǒng)框圖

高壓板BHU（Battery High Voltage Unit）主要作用為：采集充放電電流以及絕緣電阻，將采集數(shù)據(jù)上傳至主控模塊BCU，主控模塊BCU通過測得充放電電流數(shù)據(jù)判斷電動車是否處于過流狀態(tài)(絕緣報警狀態(tài))，實現(xiàn)保護(hù)功能．其電路可主要分為以下部分：MCU控制，電源電路，外設(shè)存儲器，硬件看門狗，電流，絕緣電阻，CAN通訊等，它們的關(guān)系如圖6所示．BHU系統(tǒng)的電源電路、復(fù)位電路和CAN通訊模塊都與前相同．

圖6 BHU硬件方案設(shè)計圖

2.2.2 A/D模塊

采用 ADI公司的 ADC芯片 AD976CN，AD976CN是一個+5V單電源供電的高速、低功耗 16位逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度為100kSPS，功耗為 100mW，±10V 的量程．AD976CN的集成性好，內(nèi)部包含2.5V參考電壓源、高速并行接口和時鐘．

為了使輸入信號更加平穩(wěn)，在AD前端加入二階有源濾波電路進(jìn)行有源濾波處理．具體電路連接如圖7所示．

圖7 AD前端濾波電路

電流采集方式采用兩種方式：霍爾傳感器或分流器，設(shè)置一個2選1開關(guān)，如圖7中的J301所示．

1）霍爾電流采集：采用雙極性±12V，電源,輸出最大5V的開環(huán)霍爾電流傳感器采集充放電電流，選通后，經(jīng)過濾波處理進(jìn)入AD976CN．

2）采用分流器采集信號，分流器參數(shù)為300A，75mV，經(jīng)過濾波后放大51倍，選通后，經(jīng)過濾波處理進(jìn)入AD976CN．

2.3 BMU硬件設(shè)計

2.3.1 BMU硬件系統(tǒng)框圖

BMU主要是對電池包的單體電壓測量、溫度檢測、電池均衡以及與主控板之間的通訊．從機(jī)BMU把監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過CAN通訊把數(shù)據(jù)上傳到主控板BCU，BCU分析數(shù)據(jù)后再對BMU進(jìn)行控制，以保護(hù)電池包，避免電池過充、過放、溫度過高、溫度過低等．其電路主要包括幾個部分：電源、MCU模塊、通訊模塊、采集模塊、均衡模塊，模塊之間的連接關(guān)系如圖8所示．

2.3.2 電源電路

圖9電路主要用于系統(tǒng)前端供電部分的保護(hù)濾波，其功能主要是：防雷，防浪涌，防反接，還有濾波，過流保護(hù)的功能．壓敏電阻、放電管、瞬態(tài)抑制二極管組成了防雷，防浪涌電路；二極管1N4007起反接保護(hù)的作用；扼流圈和電容組成濾波電路；可恢復(fù)保險JK60-160起過流保護(hù)作用．

2.3.3 采集模塊

圖10所示電路的功能是進(jìn)行電壓采集、均衡控制以及進(jìn)行SPI通信電路的靜電保護(hù)．CM1223-04SO主要是消除SPI通信電路的靜電；LTC6803-4主要是進(jìn)行電壓采集和均衡控制，LTC6803-4的具體功能可查看LTC6803-4數(shù)據(jù)手冊．

圖11電路的功能是對SPI與MCU進(jìn)行隔離通訊．這樣MCU就不受電池組以及6803的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力．Si8441AB-C-IS的具體功能查看其數(shù)據(jù)手冊．

圖8 BMU硬件方案設(shè)計圖

圖9 系統(tǒng)前端供電部分

圖10 6803配置電路

圖11 6803與SPI隔離通訊電路

圖12電路的功能是對電池均衡．R3061是均衡負(fù)載，MOS管受6803來控制是否要進(jìn)行均衡．當(dāng)Sn為低電平時，打開均衡，Sn為高電平時，系統(tǒng)關(guān)閉均衡．

圖12 均衡電路

2.3.4 通訊模塊

BMS中是通過CAN進(jìn)行設(shè)備間的通訊，充電機(jī)通訊，以及車輛儀表盤通訊．圖13所示電路就是系統(tǒng)中通訊的硬件連接圖．CAN收發(fā)芯片82C250通過兩個光耦隔離后與MCU連接，以保證MCU與CAN通訊互不干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠．

圖13 CAN通訊隔離電路

3 軟件設(shè)計

電池管理系統(tǒng)軟件以CodeWarrior for HCS12 V4.7為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫，包括了主板控制、從板控制、高壓板控制及通訊錯誤檢測與處理四個模塊的軟件設(shè)計．

3.1 主板控制模塊

主板控制模塊的任務(wù)主要有：向EVC（整車控制系統(tǒng)）報告 BMS的狀態(tài)信息；獲取從板測量的單體電壓和機(jī)箱溫度；獲取高壓板的絕緣狀態(tài)、總電壓和充放電電流；閉合與斷開充放電回路；計算SOC（剩余容量）與SOH（剩余使用壽命）；保存歷史記錄；通過CAN控制充電機(jī)充電等．對SOC的估算方法，本設(shè)計結(jié)合Ah-Peukert方程法和開路電壓法[5]，提出了一種基于Ah累積計量法的SOC復(fù)合估算策略，同時考慮了充放電倍率、溫度、自放電、循環(huán)壽命、停機(jī)前的狀態(tài)信息、停機(jī)時間[6]等對SOC的影響．

3.1.1 主控制流程

主控制流程主要涉及中央控制器與其它幾個模塊的通訊，并且負(fù)責(zé)充放電任務(wù)的調(diào)度．

3.1.2 放電控制流程

放電控制流程主要根據(jù)電壓、溫度、電流、絕緣等參數(shù)情況，計算SOC與SOH，并控制放電過程．具體控制過程如下：

獲取溫度、單體電壓、總電壓與絕緣狀態(tài)、估算SOC與SOH，某項指標(biāo)嚴(yán)重越界則報警，同時向 EVC報告和提示具體原因，繼續(xù)獲取各項參數(shù)值，直到符合正常指標(biāo)．讀取從板及高壓板的單體電壓、放電回路電壓、溫度、充電電流、放電電流、絕緣強度．如果某項參數(shù)指標(biāo)嚴(yán)重越界，報警并向EVC報告，限制充電電流、關(guān)閉放電總正繼電器，然后監(jiān)測等待復(fù)位．如果某項參數(shù)指標(biāo)輕微越界，報警并向EVC報告．根據(jù)電壓、溫度、放電電流計算SOC與SOH．

3.1.3 充電控制流程

充電控制流程主要根據(jù)電池溫度，參考電壓、電流、絕緣等參數(shù)情況，計算SOC與SOH，并控制充電過程．具體控制過程如下：

首先獲取電池溫度，然后打開充電繼電器，控制充電機(jī)充電．讀取電壓、溫度、充放電電流與絕緣強度，如果某項參數(shù)指標(biāo)嚴(yán)重越界，報警并向EVC報告，限制充電電流、關(guān)閉充電總正繼電器，然后監(jiān)測等待復(fù)位．如果某項參數(shù)指標(biāo)輕微越界，報警并向 EVC報告．估算 SOC與SOH．檢查是否滿足停止充電的條件，控制充電機(jī)停止充電，關(guān)閉充電總正繼電器．

3.2 從板控制模塊

從板控制模塊的任務(wù)主要有：測量單體電芯電壓及電池箱溫度，均衡控制，給主板上傳單體電芯電壓及電池箱溫度信息．具體軟件流程見圖14．

具體控制過程如下：初始化PLL、IO方向及輸出設(shè)置（所有繼電器初始化為關(guān)閉狀態(tài)）、CAN相關(guān)寄存器初始化（允許CAN中斷）．測量單個電芯的電壓及電池箱溫度．根據(jù)電壓值，控制是否需要均衡．根據(jù)主板的要求，打開或關(guān)閉相應(yīng)的繼電器．如果接收到主板的上傳數(shù)據(jù)命令，上傳電壓與溫度．如果接收到主板的下電準(zhǔn)備命令，關(guān)閉所有的繼電器，給主機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備好下電命令，準(zhǔn)備下電．

3.3 高壓板控制模塊

高壓板模塊的功能是計算絕緣強度；根據(jù)主板發(fā)送的命令控制散熱與加熱系統(tǒng)；控制DC-DC回路的斷開與閉合；給主板上傳絕緣狀態(tài)信息．具體軟件流程見圖15．具體控制過程如下：初始化PLL、I/O方向及輸出設(shè)置（所有繼電器初始化為關(guān)閉狀態(tài)）、CAN相關(guān)寄存器初始化（允許CAN中斷）．打開DC-DC繼電器．測量充電電流、放電電流與計算絕緣強度．如果接收到主板的上傳數(shù)據(jù)命令，上傳充電電流、放電電流與絕緣強度信息．根據(jù)主板的要求，打開或關(guān)閉相關(guān)的繼電器．如果接收到主板的下電準(zhǔn)備命令，關(guān)閉所有的繼電器，給主機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備好下電命令，準(zhǔn)備下電．

3.4 通訊錯誤檢測與處理

BMS的 CAN通訊分為四大部分：主板與EVC（汽車控制中心）的通訊、主板與從板之間的通訊、主板與高壓板之間的通訊及主板與充電機(jī)之間的通訊．

圖14 從板工作流程圖

圖15 高壓板工作流程圖

3.4.1 主板與EVC

如果EVC有定時發(fā)送通訊檢測消息的機(jī)制，主板只需返回應(yīng)答消息即可，當(dāng)規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到EVC的通訊檢測消息，直接向EVC發(fā)送優(yōu)先級較高的請求消息，如果連續(xù)三次沒有回應(yīng)則認(rèn)為與 EVC之間有通訊故障，馬上采取報警或其它方式提示駕駛員．如果在十分鐘之內(nèi)，通訊依然處于故障狀態(tài)，直接切斷充放電回路．當(dāng)EVC沒有定時發(fā)送通訊檢測消息機(jī)制的時候，主板可以主動發(fā)送消息給EVC，但如果時間間隔太短的話，可能會造成整個車身控制系統(tǒng)的通訊效率．

3.4.2 主板與從板

主板在設(shè)定的時間間隔內(nèi)給從板發(fā)送通訊檢測消息，從板返回應(yīng)答消息，主板在30秒鐘之內(nèi)沒有收到從板返回應(yīng)答消息，向EVC發(fā)送警告消息，在十分鐘之內(nèi)，通訊依然處于故障狀態(tài)，直接切斷充放電回路．

3.4.3 主板與高壓板

主板在設(shè)定的時間間隔內(nèi)給高壓板發(fā)送通訊檢測消息，高壓板返回應(yīng)答消息，主板在30秒鐘之內(nèi)沒有收到高壓板返回應(yīng)答消息，向EVC發(fā)送警告消息，在十分鐘之內(nèi)，通訊依然處于故障狀態(tài)，直接切斷充放電回路．

3.4.4 主板與充電機(jī)

主板在設(shè)定的時間間隔內(nèi)給充電機(jī)發(fā)送通訊檢測消息，充電機(jī)返回應(yīng)答消息，主板在1分鐘之內(nèi)沒有收到充電機(jī)返回應(yīng)答消息，向EVC發(fā)送警告消息．主板在與充電機(jī)通訊故障5分鐘之后，直接切斷充放電回路．

4 結(jié) 論

本文通過在電動汽車上的實際應(yīng)用，整個動力電池組管理系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的精確性和穩(wěn)定性．系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測電池溫度、電流、電池以及SOC等信息，并且通過CAN總線通訊實現(xiàn)了與其它車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換功能．由此表明，本文設(shè)計的基于 MS9S12XET256MAL單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)基本滿足了整車使用要求，有著較好的實用性．

[1] 胡林，谷正氣，黃晶，顏運昌．電動汽車關(guān)鍵技術(shù)分析[J]．機(jī)械制造，2005，10：45-47．

[2] Hao Qiu, Zhengbao LEI, Tom Ziming Qi. A Novel Design of an Electric Vehicle with Lateral Moving and In Situ Steering[C]//The 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering(MACE2011), Volume 9(Paper number: M93338),7138-7141, July 15-17, 2011, Mongolia, China, IEEE Catalog Number: CFP1143K-PRT，ISBN: 978-1-4244-9437-8．

[3] 王威編著．HCS12微控制器原理及應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

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