基于ZigBee的電池管理系統(tǒng)研究與設計

王 琪，馬江睿，王 晨

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，西安710021）

隨著環(huán)境污染和能源問題的日益突出，電動汽車的發(fā)展已經(jīng)成為一種必然的趨勢。電動汽車利用高電壓、大電流為自身提供動力源，故需要將多個單體電池組成電池組進行管理和控制，使電池的能量利用率和使用壽命達到最大化[1]。電池管理系統(tǒng)根據(jù)采集的電池信息（電壓、電流和溫度），對電池進行充放電管理，同時估算電池的剩余電量完成狀態(tài)評估，為動力電池組的工作安全提供保障[2]。目前，電動汽車的電池管理系統(tǒng)內(nèi)部通信一般采用CAN總線或RS485 總線[3]。由于傳輸介質的原因導致系統(tǒng)存在以下不足：布線繁瑣，增加或減少設備均需重新布線，擴容能力差；車輛的振動、環(huán)境變化會導致導線老化，增加故障率；系統(tǒng)安裝費時，維護不便，成本高等[4-5]。

針對以上問題，本文研究并設計了基于ZigBee的動力電池管理系統(tǒng)，采用無線通信技術來替代傳統(tǒng)有線通信方式，通過搭建星型網(wǎng)絡，有效傳輸動力電池組數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)和維護成本。

1 系統(tǒng)功能分析

電池管理系統(tǒng)作為連接電動汽車和動力電池的橋梁，主要負責電池狀態(tài)檢測、電池優(yōu)化控制以及電池信息處理，使電池組工作在安全范圍內(nèi)，延長電池使用壽命，保證整車系統(tǒng)的正常運行[6]。電池管理系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)基本組成圖Fig.1 Basic composition diagram of battery management system

1.1 電池狀態(tài)監(jiān)測

實時檢測電池電壓、電流、溫度參數(shù)，對電池內(nèi)部狀態(tài)SOC 進行估算，保證電池組在安全有效的范圍內(nèi)工作，這是電池管理系統(tǒng)有效運行的基礎和關鍵[7-8]。

1.2 電池優(yōu)化控制

電池的優(yōu)化控制分為兩個部分：電池均衡控制、溫度控制。均衡控制可以保證單體電池剩余電量的一致性，從而使電池電量的利用率達到最大化。溫度控制使電池工作在安全的溫度范圍內(nèi)，消除使用的安全隱患。

1.3 電池信息處理

電池信息處理是將實時監(jiān)測到的電池數(shù)據(jù)進行傳輸與存儲。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車的核心部件，需要與整車控制器進行通信，提供電池的實時數(shù)據(jù)從而控制下層各個控制器的動作，保證汽車的安全行駛。

2 電池管理系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件總體結構設計

電池信息檢測作為電池管理系統(tǒng)關鍵的一環(huán)，是電池狀態(tài)估計、電池預警以及均衡控制等所有功能實現(xiàn)的基礎[9]。當前市場上存在2 種常用的電池信息檢測解決方案：一種是分立式元器件搭建采集電路，另一種是集成式的電池管理芯片設計實現(xiàn)[10-11]。本文考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及低功耗的要求，選用AD7280A 作為電池管理芯片，該芯片溫度采集通道多，電壓采集精度高，信號轉換時間短，溫度測量范圍寬，而且價格低廉。支持菊花鏈方式的級聯(lián)，能夠實現(xiàn)對64 節(jié)的單體電池采集信息，所以采用AD7280A采集電池信息完全滿足系統(tǒng)要求。為了便于管理，本系統(tǒng)采用分布式拓撲設計了基于ZigBee 無線組網(wǎng)技術的電池管理系統(tǒng)，該電池管理系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 電池管理系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of battery management system

2.2 電壓采集電路設計

本文選用ADI 公司的AD7280A 集成式芯片完成電池管理系統(tǒng)電壓采集部分的電路設計。AD7280A 的電源電壓的輸入范圍是8 V～30 V，本文采用鋰電池組為該芯片提供電源。AD7280A 共提供了6 個模擬輸入通道，每個通道的共模電壓輸入范圍是0.5 V～27.5 V，由于AD7280A 的電壓采集是利用相鄰模擬輸入的壓差進行轉換獲取單體電池電壓，因此只需要將串聯(lián)鋰電池的節(jié)點電壓按順序連接到6 個模擬輸入通道即可，相當于每塊AD7280A最多可對6 節(jié)單體電池進行電壓采集。此外，AD7280A 提供了6 個輔助ADC 通道，該通道的測量原理與電壓測量相似，均采用逐次逼近法測量，本設計使用輔助ADC 測量6 節(jié)單體電池的溫度。AD7280A 引腳連接示意圖如圖3所示，信號流通的最底端與MCU 直接相連的稱作主AD7280A，其余為從AD7280A。MCU 與主AD7280A 通過SDI、SDO、SCK、四個引腳進行SPI 通信，ALERT 引腳用于警示輔助ADC 或電池發(fā)生欠壓或者過壓，引腳負責啟動轉換，下降沿有效。

圖3 AD7280A 引腳連接示意圖Fig.3 AD7280A pin connection diagram

從圖4 中可以看出，MASTER 引腳是否上拉一個10 k 電阻取決于它是主器件或從器件。為了防止高頻信號對整個采集電路的影響，將GND 分為數(shù)字地DGND 和模擬地AGND，該方法在繪制PCB 時能夠有效地將數(shù)字地和模擬地區(qū)分開來，分別覆銅，減少了信號的相互干擾。VDRIVE 接口是AD7280A與MCU 通信的工作電壓，通信時兩者電壓需要保持一致，所以將VDRIVE 接口電壓上拉至3.3 V，同時在該電源附近放置一個10 μF 濾波電容，消除電壓上的毛刺。VREF 是模擬電壓輸出引腳，負責為ADC 的內(nèi)核提供供電電壓，因此在該引腳附近并聯(lián)一個1 μF 的儲能電容，減小電壓波動，提高瞬間電流的放電能力。

其中，電池電壓與采集值Cn關系式為

3 電池管理系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件整體結構設計

圖4 主AD7280A 采集電路Fig.4 Main AD7280A acquisition circuit

動力電池管理系統(tǒng)軟件設計按照模塊化結構和分層思想分為兩個層次設計，如圖5所示。底層為基礎的硬件平臺，中間層為驅動層，主要負責連接硬件和應用層之間的信息交互，該層包括LCD 通信協(xié)議、CAN 總線協(xié)議、SPI 通信協(xié)議、I2C 通信協(xié)議、GPIO 驅動、上電板載初始化。應用層通過調用驅動層完成具體功能的實現(xiàn)，BMS 的基本功能均在應用層實現(xiàn)，包括SOC 估算、人機交互、均衡控制、數(shù)據(jù)離線存儲、電池節(jié)點網(wǎng)絡監(jiān)控、高溫報警、故障診斷等其他功能。

圖5 軟件整體結構圖Fig.5 Software structure diagram

3.2 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲設計

ZigBee 網(wǎng)絡的典型拓撲結構分為3 種類型：星型、簇狀型、網(wǎng)狀型[12]。如圖6所示，簇狀型和網(wǎng)狀型的拓撲結構類似，均由協(xié)調器、路由器和終端設備組成，但網(wǎng)狀型相比簇狀型更加靈活，能在路由節(jié)點間相互通信，不會造成某一路由節(jié)點損壞，從而導致消息丟失的狀況，但網(wǎng)狀型拓撲的靈活特性導致該拓撲損耗更多能量去維護復雜的網(wǎng)絡[13]。星型拓撲作為一種簡單的結構，包含一個協(xié)調器和若干終端設備或者路由器，其任何兩個終端節(jié)點通信都需要經(jīng)過協(xié)調器轉發(fā)，因此可適用于短距離、低功耗、節(jié)點要求不多的網(wǎng)絡。本文設計的電池管理系統(tǒng)總節(jié)點不超過40 個，而且為短距離通信，因此本文采用能量消耗更低、更適合本系統(tǒng)的短距離集中式星型網(wǎng)絡通信[14]。

圖6 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結構圖Fig.6 ZigBee network topology structure diagram

3.3 AD7280A 采集程序設計

電池管理系統(tǒng)中電壓信息、溫度信息是利用SPI 總線讀寫AD7280A 的寄存器實現(xiàn)采集讀取。SPI 總線作為一種串行外設接口，具有全雙工通信、線束少、傳輸速率高等優(yōu)勢，常用作嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部通信的總線協(xié)議。AD7280A 工作軟件流程如圖7所示，首先開啟所有設備，初始化設備，配置寄存器開啟轉換，最終讀取轉換數(shù)據(jù)，關閉設備。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程Fig.7 Flow chart of data collection

4 系統(tǒng)測試結果及分析

實驗選用4 節(jié)18650 鋰電池串聯(lián)起來組成一個電池組，通過2 個AD7280A 采集8 節(jié)鋰電池的狀態(tài)信息。為了驗證采集精度是否達到±10 mV 的指標要求，本文利用高精度表進行測量后，與采集板采集到的數(shù)據(jù)進行對比，實驗結果如表1所示。采集到的數(shù)據(jù)與萬用表測量值的最大誤差為6.8 mV，小于指標要求的10 mV，滿足系統(tǒng)的設計指標要求。

表1 動力電池電壓精度驗證Tab.1 Power battery voltage accuracy verification

本設計通過電子負載對電池放電，多次改變放電電流，將電子負載顯示的電流值與BMS 測量的電流值進行比較，如表2所示，電子負載儀顯示的電流值與BMS 測量值的最大誤差為15.7 mA，滿足系統(tǒng)的設計指標要求。

表2 動力電池電流精度驗證Tab.2 Power battery current accuracy verification

本文將4 節(jié)單體電池組成的電池組及BMS 系統(tǒng)放到恒溫箱中，通過設置恒溫箱的溫度，與BMS 測量溫度進行比較，如表3所示。測量溫度的最大誤差為0.4 ℃，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。

5 結語

本文設計開發(fā)了電動汽車電池管理系統(tǒng)，通過整車試驗驗證該系統(tǒng)具有實時檢測各種運行參數(shù)、故障診斷報警和熱管理等功能，且系統(tǒng)精度、可靠性滿足使用要求，為電動汽車的推廣使用奠定了基礎。

表3 動力電池溫度精度驗證Tab.3 Power battery temperature accuracy verification