電動汽車電池管理系統的設計

徐朝勝，閆改珍，李 進 （安徽科技學院機電與車輛工程學院，安徽 鳳陽233100）

近年來，迫于能源危機與生態環境惡化的壓力，電動汽車 （EV）和混合動力電動汽車 （HEV）取得了長足發展。與電動汽車的數量同比增長的是人們對電動汽車安全性的擔憂。其安全性能，特別是在高溫、高原、高寒等極端環境下的電氣安全備受關注。而電動汽車的安全駕駛很大程度上取決于車載動力電池組監控檢測的準確性。自1859年發明以來，鉛酸蓄電池已經歷了近150年的發展歷程，在交通、通信、電力、軍事、航海、航空等各個經濟領域，起到了不可缺少的作用。鉛酸電池銷售額占全球蓄電池銷售額的30%以上［1］。筆者以12V鉛酸電池組為監控對象，設計了一個安全并能適應惡劣環境的電池管理安全系統。限于篇幅，筆者將著重介紹系統架構及中央管理單元。

1 系統設計

1．1 系統拓撲結構

車載動力電池通常由許多個單體電池通過串聯而成，因而系統可能由多個電池監測終端構成，分別負責各個單體電池的狀態參量的監測，并把監測到的實時數據傳送給電池管理系統的中央管理單元做科學決策。同時電源管理模塊與車身網關通訊，以協調整車各電氣部件行為。鑒于此，電池監測系統采用CAN （Controller Area Network）和 LIN （Local Interconnect Network）相結合的拓撲結構，如圖1所示。系統的中央管理單元通過CAN總線與發動機定時、自動變速 （AT）和油門控制、防抱死制動 （ABS）、防滑控制 （ASC）、啟停 （start／stop）系統等電氣部件以及車身網關進行通信，而中央管理單元與各電池監測終端則通過LIN總線實現通信。

CAN總線具有較高的可靠性和檢錯能力，能適應強電磁干擾的環境，在汽車電子系統中有廣泛的應用。LIN是一種低成本的串行通訊網絡，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的通信應用中 （如智能傳感器和制動裝置之間的通訊）使用LIN總線可大大節省成本，是CAN總線網絡的有效補充［2］。

1．2 細化的系統結構

系統中央管理單元負責充電控制、時鐘同步、提供友好的人機交互接口、CAN／LIN網絡通信、電池組的荷電狀態SOC（State of charge）估算、健康狀態 （SOH）估計、監測數據的記錄存儲等。而電池監測終端則主要負責電池實時數據的采集、單體SOC估計、過壓、過流檢測、數據的LIN網絡傳送。據此細化的系統結構如圖2所示。

圖1 系統的拓撲結構圖

1）中央管理單元 中央管理單元選用Freescale系列單片機MC9S12XS128MAA為主控芯片，該芯片是針對汽車電子市場的高速低耗16位單片機，具有豐富的片上資源，其中包含128KB程序Flash、8Kb數據Flash和8KB RAM，1個用于實現CAN通信的MSCAN模塊，2個支持LIN協議的的增強型SCI接口、1個可用于SD卡讀寫的SPI接口［3］。因此圖2所示各功能模塊僅需在該CPU的基礎上配置少量外圍電路即可實現，不僅簡化了系統復雜度，而且可提高系統的可靠性。同時，芯片的工作溫度范圍寬，為-40～125℃，可滿足汽車內外及極端天氣下的溫度要求。

2）電池監測終端 電池監測終端以MM912J637為核心。該芯片為飛思卡爾公司2011年推出的用于汽車電池監控的高精度、低功耗、高度集成智能傳感器，在魯棒性上，達到了汽車工業ESD（ElectroStatic Discharge）、EMC （Electro Magnetic Compatibility）及零缺陷質量水平的最高標準。在-40～125℃工作范圍內完全滿足AEC-Q100汽車用集成電路標準［4］。芯片內部集成S12微控制器，這使得單體電池的荷電狀態估計、過壓、過流判定等功能可以在本地完成，提高系統實時性的同時，減小了中央管理單元的負荷。芯片具有LIN網絡接口，提供精確的溫度測量、電壓測量、電流測量，在極端苛刻環境下，也可對對電池健康狀態、充電狀態和功能狀態做出正確預測。

圖2 細化的系統結構圖

2 硬件設計

2．1 中央管理單元的網絡模塊

中央管理單元提供LIN和CAN兩個網絡接口，其硬件電路示意圖如圖3所示。其中TJA1020為LIN收發器，提供LIN控制器和物理傳輸媒體之間的接口，最高波特率為20kbps，具有高抗電磁干擾（EMI）及低電磁輻射（EMC），能夠很好的滿足車載網絡的需求。應用MC9S12XS128中的串口0實現LIN通信，PT7用于TJA1020的使能控制。TJA1050為高速CAN收發器，符合車內CAN高速通信標準ISO11898。應用中將MC9S12XS128控制器的引腳RXCAN0和TXCAN0分別與TJA1050的RXD、TXD引腳相連。

2．2 中央管理單元的數據存儲模塊

電池監測系統除完成電池電流、電壓、溫度精確測量及荷電狀態估計外，還應該具有跟蹤電池工作狀態的功能，即存儲各單體電池的歷史狀態記錄，以便于電池檢測人員定位和分析單體電池歷史故障。鑒于SD卡讀寫速度高，容量大，易插拔，筆者選用SD卡作為存儲設備。MC9S12XS128與SD接口的連接示意圖如圖4所示。可以看出，SD卡工作于子表SPI模式，直接與MC9S12XS128提供的SPI接口相連，實現每秒1Mb的讀寫速度，可以滿足系統需求。SD卡可選用Innodisk公司生產的工業寬溫SD卡DS2A-01GI81W1S（-40～＋85℃），最大容量可至8Gb，速度等級為10級，足以滿足系統需求。

圖3 網絡接口電路圖

圖4 SD接口電路圖

2．3 電池監測終端

電池監測終端以MM912J637為核心，其內部提供3個獨立的通道，可完成電壓、電流、溫度的同步采集。MM912J637的外圍電路如圖5所示。

1）電壓 VSUP為器件的供電輸入端，通過D1與電池正極相連，D1為防反接二極管。C1與C2是電源退耦電容，容值分別為4．4μF和100nF。

2）電流 ISENSEH和ISENSEL為電流檢測信號的輸入端。R2、R3、R4與C3、C4、C5構成外圍電流檢測電路。其中R2為分流器，其阻值為100μΩ，接在電池負極與車輛底盤地之間，其上電壓的大小反映了電池回路電流的大小。其余各元件用于改善電路的電磁兼容特性，其值通過實驗獲取。

3）溫度 溫度檢測電壓由VTEMP引腳輸入，需串接20kΩ限流電阻（R7），TSUP為外部溫度傳感器供1．25V供電電壓。溫度傳感器R5采用負溫度系數熱敏電阻，以減小常溫下的能量損耗。筆者選用標稱值為10kΩ，精度為±1%的熱敏電阻ERT-J1VG103FA。

圖5 電池監測終端外圍硬件電路圖

為了提高電路的電磁兼容特性，內部模塊的不同供電電源分別外接退耦電容C6、C7、C8，推薦值分別為1μF、220nF、47nF。

3 軟件設計

3．1 數據采集過程控制

數據采集過程如圖6所示，由中央管理單元發送一個 “數據同步”命令到LIN網絡，同步啟動各電池監測終端開始電壓、電流和溫度測量，之后每1s完成一次數據采集，將測量結果分別存儲到寄存器ACQ＿VOLT、ACQ＿CURR、ACQ＿ETEMP中，并實時完成SOC估計和過壓、過流檢測，當接收到中央管理單元的數據請求命令時，才將相應的數據傳送至LIN網絡接口。

3．2 數據的SD存儲

1）文件系統的移植 移植文件系統后，采集數據以文件的形式保存在SD卡中，不必另行開發上位機，即可在PC中直接讀取、檢索和管理數據，筆者移植的文件系統為FATFS。該系統具有輕型、開源、可裁剪、效率高等優點。FATFS分用戶接口層、FATFS主體及存儲介質接口層。其中用戶接口層提供一系列的接口函數供使用者調用創建文件和讀寫文件等服務，這些服務由FATFS主體完成。存儲介質接口層含disk＿initialize （）、disk＿status （）、disk＿read （）和disk＿write （）等函數，完成對存儲介質的讀和寫等底層操作，并向上提供服務，是移植需要實現的主要部分［5］。

圖6 數據采集控制流程圖

應用中的存儲介質為SD卡，通過MM912＿J637的SPI接口讀寫。因此移植分2個層面，一是通過SPI接口的數據讀寫和SPI接口的配置及使用：使能SPI系統 （SPE=1）；設置為SPI主模式 （MSTR=1）；配置為8位數據傳輸模式 （XFRW=0）；波特率設置為24．41kbps（SPIBR=0x76），以減小電磁輻射干擾。當SPI接口接收到數據時，存放在SPIDR中，并產生接收中斷 （SPIF=1）；發送數據時，將數據放到SPIDR中，發送完畢后產生發送中斷 （SPTEF=1）；二是在此基礎上的SD卡扇區的讀寫。讀寫SD卡前，首先對其初始化。系統上電后，令SD卡等待大于74個時鐘周期，然后令SD的CS引腳為0，發送SD復位命令CMD0，使SD卡進入SPI模式。返回01時，發送命令CMD1；返回00時，表明SD卡已完成初始化過程，之后即可進行扇區的讀寫操作。

2）采集信息的存儲格式 采集的電壓、電流、溫度按樣本點分成不同的記錄存儲。記錄之間由回車分隔，每條記錄的格式為：

其中，ID為監測終端標識符，U、I、T分別代表同一時刻采集到得電壓、電流和溫度，SOC為該時刻下估算的荷電狀態。當一個文件中的數據量達到1KB時，創建新的文件存儲新的數據。每個文件創建時，以創建時間 （格式為：時-分-秒，共6位）為文件名，后綴為．txt。

4 結 語

筆者構建了一個12V鉛蓄電池組電動汽車動力電池監控系統。系統中，中央管理單元與監測終端采用LIN網絡通訊，以節約系統成本；將各單體電池的SOC估計、SOH估計及過壓、過流、過溫檢測下移至電池監測終端，中央管理單元在必要時，通過LIN網絡向電池監測終端發送輪詢命令，有效減小了通訊量，并提高了系統的實時性。電池組的SOC和SOH由各單體電池的相關數據取均值獲得。

［1］李偉，胡勇 ．動力鉛酸電池的發展現狀及其使用壽命的研究進展 ［J］．中國制造業信息化，2011，4（7）：70-72．

［2］段輝．LIN通訊技術在汽車智能電子控制系統中的應用研究 ［D］．北京：北京郵電大學，2008．

［3］Freescale．MC9S12XS128Reference Manual［EB／OL］．http：／／www．freescale．com，2008-06-18．

［4］Freescale Semiconductor．Xtrinsic Battery Sensor with LIN for 12VLead-acid Batteries ［EB／OL］ ．http：／／www．freescale．com／webapp／sps／site／，2012-01-05．

［5］韓曉雪，曾鳴，邵貝貝 ．MC9S12UF32的嵌入式文件系統數據存儲模塊 ［J］．單片機與嵌入式系統應用，2010（2）：98-101．