高精度電池管理系統(tǒng)AECU的研究與設(shè)計(jì)

李 鮑 徐華中 陳伶紅 吳友宇

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)信息學(xué)院2) 武漢 430070)

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高精度電池管理系統(tǒng)AECU的研究與設(shè)計(jì)

李 鮑1)徐華中1)陳伶紅1)吳友宇2)

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1)武漢 430070) (武漢理工大學(xué)信息學(xué)院2)武漢 430070)

為實(shí)現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)檢測(cè)和實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)傳輸，研究并開(kāi)發(fā)了高精度電池管理系統(tǒng)采集單元AECU.以飛思卡爾16位單片機(jī)為控制核心，采用LTC6804進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓檢測(cè)，并構(gòu)建CAN通信電路與電池管理系統(tǒng)頂層的電池組管理單元進(jìn)行通信，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示24節(jié)單體電池電壓.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此電壓采集單元性能穩(wěn)定可靠，單體電壓測(cè)量精度可以達(dá)到2.4 mV，平均誤差遠(yuǎn)小于0.5%，在電動(dòng)車(chē)電池管理系統(tǒng)應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì).

高精度；AECU；LTC6804；CAN總線

0 引 言

隨著能源、環(huán)保等問(wèn)題的日益突出，各國(guó)的汽車(chē)行業(yè)將研究和發(fā)展重心放在了以電池為主要?jiǎng)恿Φ男履茉雌?chē)上.但是電池組的性能和安全問(wèn)題阻礙了新能源車(chē)的商用化，因此，可以緩解這些問(wèn)題的電池管理系統(tǒng)[1-2]成為了研究的重點(diǎn).電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)主要由電池管理單元(battery management unit, BMU)和采集板(acquisition electrical control unit，AECU)組成.BMS的作用主要是動(dòng)態(tài)采集電池單體的數(shù)據(jù)信息，判斷單體充放電狀態(tài)，估算電池的剩余電量SOC,以及實(shí)現(xiàn)電池均衡等.現(xiàn)階段，BMS的重難點(diǎn)是電池的SOC估算精度問(wèn)題和主動(dòng)均衡.而高精度的電池?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)是解決這2個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵.因此，很有必要設(shè)計(jì)一套檢測(cè)精度高的動(dòng)力電池組電壓采集單元AECU.

目前，國(guó)內(nèi)的電池供應(yīng)商和一些高校對(duì)電池管理系統(tǒng)都進(jìn)行了一定的研究.楊虎等[3]采用模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的電壓采集單元能夠?qū)崿F(xiàn)單體電壓測(cè)量精度達(dá)到5 mV，通過(guò)485總線與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.麻金龍等[4]使用LTC6802進(jìn)行單體電池電壓檢測(cè)，平均誤差達(dá)到1%.郭軍等[5]設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)采集板使用LTC6802可一次采集12節(jié)單體電壓，其檢測(cè)精度為0.5%，同時(shí)還可以外接兩個(gè)熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量.雖然這些研究都取得了一些成果，但相比于國(guó)外，對(duì)于動(dòng)力電池組電壓采集的精度、SOC估算精度等關(guān)鍵技術(shù)仍有待攻克.文中以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了具有被動(dòng)均衡功能的高精度的實(shí)時(shí)電壓采集單元AECU.

1 電池管理系統(tǒng)BMS總體結(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)BMS由電池管理單元BMU，采集單元AECU，以及上位機(jī)等組成.采集單元AECU的主要功能是完成車(chē)載電池組的單體電壓檢測(cè)，溫度檢測(cè)，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理之后執(zhí)行相應(yīng)的操作.除此之外，還通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與電池管理單元BMU進(jìn)行通信，接收來(lái)自BMU的請(qǐng)求命令，并發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)用來(lái)顯示所有電池單體的電壓.

文中檢測(cè)的動(dòng)力電池包由96節(jié)鋰電池組成，每塊AECU最多可檢測(cè)24節(jié)單體電池的電壓，所以總共需要4塊采集板AECU.此外，每塊采集板AECU實(shí)現(xiàn)4個(gè)溫度采樣點(diǎn)的檢測(cè).通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)，完成了采集板AECU的電路板制作與調(diào)試，使用C語(yǔ)言進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì).電池管理系統(tǒng)BMS的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 采集板AECU的系統(tǒng)框圖

2 采集單元AECU的硬件設(shè)計(jì)

AECU的硬件電路主要由主控制器最小系統(tǒng)電路，電壓采集電路，溫度測(cè)量電路，SPI隔離通信電路，CAN通信電路和電源電路組成.系統(tǒng)采用主控芯片的SPI模塊和電池狀態(tài)檢測(cè)芯片LTC6804進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用CAN模塊和電池管理單元BMU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

考慮到AECU通過(guò)主控制器與電池檢測(cè)芯片LTC6804之間通過(guò)SPI通信，還需要與電池管理單元通過(guò)CAN通信來(lái)交換數(shù)據(jù)，因此，主控制器選用的是Freescale的16位單片機(jī)S912XET256J2MAA.它是一款低成本，高性能，低引腳數(shù)的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)級(jí)單片機(jī)產(chǎn)品，集成了SPI通信模塊和CAN通信模塊，可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)嵌入式控制應(yīng)用的高性能要求.

2.1 電池單體電壓采集單元

電池?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量精度會(huì)影響SOC的估算，為了保證測(cè)量精度，選用電池監(jiān)測(cè)芯片LTC6804進(jìn)行電壓檢測(cè).相比于LTC6802，LTC6804在電池電壓檢測(cè)的準(zhǔn)確度和速度都有了顯著改善.準(zhǔn)確度方面，LTC6802的最大誤差是0.25%，而LTC6804降低至了0.04%；速度方面， LTC6802最快可在13 ms完成12節(jié)電池單體檢測(cè)，LTC6804將其提升至290 μs.且LTC6804睡眠電流為4 μA，小于LTC6802的12 μA.

S912XET256J2MAA和LTC6804-2之間的采用隔離芯片ADUM5401用以隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器的磁性元件和邏輯信號(hào).S912XET256J2MAA的SPI模塊與隔離芯片ADUM5401輸入端相連，兩片LTC6804采取并聯(lián)的方式與隔離芯片的輸出相連，根據(jù)芯片的硬件地址進(jìn)行尋址，完成SPI通信，見(jiàn)圖2.

LTC6804由電池組供電，LTC6804芯片的C1至C12管腳是電池輸入.S1至S12管腳用于平衡電池單元.LTC6804有兩種均衡電路設(shè)計(jì)：利用內(nèi)部MOSFET進(jìn)行電池均衡和利用外部MOSFET進(jìn)行電池均衡.利用內(nèi)部MOSFET進(jìn)行電池均衡時(shí)，MOS管消耗大量的功率時(shí)會(huì)出現(xiàn)器件過(guò)熱，導(dǎo)致芯片的溫度升高，過(guò)高的溫度會(huì)出現(xiàn)器件損毀.因此，此次設(shè)計(jì)采用外部MOSFET對(duì)電池進(jìn)行均衡，均衡電路見(jiàn)圖2.S輸出引腳驅(qū)動(dòng)外部MOSFET的柵極來(lái)控制MOS開(kāi)關(guān)的閉合，從而控制均衡回路的接通與斷開(kāi).

圖2 電壓檢測(cè)和均衡電路

2.2 溫度檢測(cè)電路

DS18B20是 “一線總線”接口的數(shù)字溫度傳感器，體積小，經(jīng)濟(jì)靈活，通過(guò)程序可設(shè)定檢測(cè)值的分辨率，直接通過(guò)讀寄存器就可以得到采集的溫度值，很方便.且-55～+125 ℃的測(cè)溫范圍使其非常適合動(dòng)力電池的溫度測(cè)量，圖3為AECU的溫度檢測(cè)電路.

圖3 溫度檢測(cè)電路

如圖3所示，一塊采集板AECU設(shè)計(jì)了4個(gè)溫度采樣點(diǎn)，4個(gè)DS18B20均采用外部電源供電，其數(shù)據(jù)線DQ分別連接S912XET256J2MAA的4個(gè)IO口.進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，將4個(gè)DS18B20放在需要測(cè)量溫度的位置，然后在軟件程序設(shè)計(jì)里按照DS18B20的時(shí)序進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取就可以得到相應(yīng)的溫度值了.

3 采集單元軟件設(shè)計(jì)

采集板AECU的主要功能分為3部分：電壓檢測(cè)，溫度檢測(cè)和CAN通信.電壓檢測(cè)是通過(guò)主控制器與兩片電池檢測(cè)器LTC6804之間的SPI通信完成的；溫度檢測(cè)是通過(guò)主控制器與4個(gè)數(shù)字溫度芯片DS18B20之間的單總線通信完成的；CAN通信是指采集板AECU與電池管理單元通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)完成內(nèi)網(wǎng)通信協(xié)議.

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的流程圖見(jiàn)圖4.首先設(shè)置總線時(shí)鐘，用PLL分頻將總線時(shí)鐘設(shè)為16 M，然后對(duì)CAN總線、SPI總線、DS18B20、LTC6804和定時(shí)器進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入主循環(huán).主循環(huán)等待定時(shí)器設(shè)置的100 ms的17號(hào)中斷.在中斷處理函數(shù)中有兩個(gè)標(biāo)志位，分別表示定時(shí)100 ms和200 ms，定時(shí)時(shí)間到，相應(yīng)的標(biāo)志位置1，另外，CAN總線上收到相應(yīng)的信息，則進(jìn)入CAN中斷處理函數(shù)，相應(yīng)的標(biāo)志位置1.在主函數(shù)中，對(duì)這三個(gè)標(biāo)志位進(jìn)行查詢(xún)，如果定時(shí)100 ms時(shí)間到，則采集電池?cái)?shù)據(jù).定時(shí)200 ms時(shí)間到，則發(fā)送電池基本信息給電池管理單元.如果收到電池管理單元的請(qǐng)求信息，則發(fā)送電池的詳細(xì)數(shù)據(jù)給電池管理單元.

圖4 主程序流程圖

3.2 電壓采集和被動(dòng)均衡控制

鋰電池的工作電壓為3.8 V，最大電壓可達(dá)4.2 V.被動(dòng)均衡有兩種控制策略，一種是電壓達(dá)到4.2 V就接通與該電池相連的MOS開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟單通道均衡；另一種是當(dāng)單體電壓高于鋰電池的工作電壓，并且比單體最低電壓高50 mV時(shí)，就接通與最高電壓?jiǎn)误w相連的MOS開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟單通道均衡.該設(shè)計(jì)采用后一種均衡策略.均衡控制流程圖見(jiàn)圖5.

圖5 電壓采集和被動(dòng)均衡控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采集板AECU的測(cè)試是在工廠的調(diào)試車(chē)間進(jìn)行的.調(diào)試車(chē)間是空調(diào)房，室溫為28 ℃，測(cè)試對(duì)象為4個(gè)電池包，因此總共需要4塊采集板AECU.一塊采集板可以檢測(cè)24節(jié)單體電池的電壓，但由于本次調(diào)試所用的電池包在出廠時(shí)，一個(gè)電池包只有23個(gè)電池單體，所以多媒體顯示最后一節(jié)電池的檢測(cè)值為0.圖6為采集板AECU的數(shù)據(jù)，由圖6可知，4個(gè)電池包共92節(jié)電池，電池單體電壓最大值為3.880 V，最小值為0 V.

圖6 采集板AECU的數(shù)據(jù)

由于電池?cái)?shù)量較多，僅對(duì)采集板AECU(模塊1)檢測(cè)的1號(hào)電池包的信息加以說(shuō)明，因?qū)嶋H只有23節(jié)電池，所以24號(hào)單體的電壓值為0.忽略24號(hào)單體，1號(hào)電池包的電池單體電壓最大值為3.879 V，最小值為3.876 V，4個(gè)溫度點(diǎn)的溫度值均為28 ℃.表1以專(zhuān)用電壓檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的電壓作為真實(shí)值，以AECU檢測(cè)的電壓作為檢測(cè)值，進(jìn)行對(duì)比，分析誤差.

從表1中可以看出，電壓檢測(cè)精度在2.4 mV以?xún)?nèi)，測(cè)量誤差遠(yuǎn)小于0.5%，這將提高SOC估算的精度，進(jìn)而提高電池管理系統(tǒng)的整體性能.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

基于飛思卡爾16位單片機(jī)S912XET256J2MAA設(shè)計(jì)了一套完整的動(dòng)力電池包電壓采集單元.由于選取了改善性能的電池檢測(cè)芯片LTC6804，取代了傳統(tǒng)的復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，提高了抗干擾性，且相比于LTC6802提高了檢測(cè)速率和準(zhǔn)確度，最后實(shí)現(xiàn)了高精度的電壓測(cè)量、溫度測(cè)量、被動(dòng)均衡和有效地CAN網(wǎng)絡(luò)通信，大量的實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)，為SOC估算提供了更可靠的數(shù)據(jù).

表1 單體電池電壓誤差

[1]DAI H F, ZHANG X L. Battery management system for electric vehicles[J]. Electronics World,2013,119(1927):38-41.

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[3]楊虎.高精度動(dòng)力電池組電壓采集單元的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2011,35(10):1221-1224.

[4]麻金龍.基于Infineon XC2785的電池管理系統(tǒng)采集單元設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014,24(4):24-28.

[5]郭軍.延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命的電池管理系統(tǒng)研究[D]:長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2012.

[6]成建明.純電動(dòng)汽車(chē)CAN-BUS研究[D]:北京：北京交通大學(xué),2011.

[7]JEONG H B, BAI Z G, BONG J K, et al, The CAN communication application on the BMS[M]. Jeju:Jeju Publishing House,2013.

Research and Design of High Precision AECU for BMS

LI Bao1)XU Huazhong1)WU Youyu2)CHEN Linghong1)

(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SchoolofInformationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

In order to achieve higher precision of data detection and real-time data transmission effectively, the voltage detecting unit AECU is designed. This unit takes the freescale 16-bit microcontroller as the core, adopting LTC6804 for dynamic voltage detecting and communicating with the battery management unit through CAN bus. In addition, the voltage of 24 monomer batteries is displayed in real-time on the upper machine. The experimental results show that the performance of this voltage detecting unit is stable and reliable, for monomer voltage measurement precision can reach 2.4 mV and average error is far less than 0.5%, which means this unit has a huge advantage in the application of the battery management system.

high precision; AECU; LTC6804; CAN bus

2016-07-14

U469.72 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.034

李鮑(1991- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂啤⑿履茉雌?chē)等