基于Freescale單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在研究了鋰離子電池特點(diǎn)的基礎(chǔ)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(tǒng)。其中，硬件系統(tǒng)包括電源模塊、基于Freescale 系列單片機(jī)的主控制模塊和子模塊、均衡模塊以及CAN 總線通信模塊等; 軟件系統(tǒng)包括基于下溢中斷的數(shù)據(jù)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于動(dòng)力蓄電池。高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)( 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(tǒng)不僅要監(jiān)測(cè)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(yù)測(cè)電池的功率強(qiáng)度，以便監(jiān)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(duì)電池組造成傷害。當(dāng)電池出現(xiàn)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(tǒng)會(huì)記錄電池號(hào)、診斷電池故障并報(bào)警，同時(shí)整車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)充電機(jī)和用電設(shè)備給出控制信號(hào)。因此，電池管理系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車(chē)的重要電子控制單元之一，對(duì)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(tǒng)的功能

　　電池管理系統(tǒng)的主要功能包括: 電池狀態(tài)參數(shù)的采集、電池狀態(tài)的預(yù)測(cè)、電池組故障診斷、均衡保護(hù)以及通信等。

　　1. 1 電池狀態(tài)參數(shù)采集

　　電池管理系統(tǒng)的所有算法都是以采集到的電池狀態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)的，因此必須保證數(shù)據(jù)的精確度。采用Fr eescale 集成的10 位A/ D 轉(zhuǎn)換模塊完成對(duì)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(yù)測(cè)

　　電池狀態(tài)預(yù)測(cè)包括兩個(gè)方面。一方面是以安時(shí)積分法為基礎(chǔ)的電池荷電狀態(tài)的預(yù)測(cè); 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(yù)測(cè)。整車(chē)控制器以這兩個(gè)參數(shù)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(jù)采集到的參數(shù)，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(tǒng)可靠、車(chē)輛行駛安全、滿足用戶駕車(chē)需求的重要技術(shù)手段。

　　1. 4 均衡保護(hù)

　　單體電池的差異性，不僅會(huì)導(dǎo)致電池組的使用壽命比單體電池短很多; 同時(shí)，對(duì)于鋰離子電池而言，由于其對(duì)充放電要求很高，當(dāng)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(wěn)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(tǒng)的CAN 通信。

　　2 分布式電池管理系統(tǒng)硬件組成

　　目前，常用的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式主要有兩種:

　　分布式設(shè)計(jì)和集中式設(shè)計(jì)。分布式電池管理系統(tǒng)是將電池管理系統(tǒng)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(dú)完成電池信息測(cè)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(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖