車用動(dòng)力電池的安全性,、使用成本以及續(xù)航里程一直是影響電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的主要因素。在現(xiàn)有電池技術(shù)的基礎(chǔ)上,，一個(gè)有效的電池管理系統(tǒng)能對(duì)車用動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù),、延長(zhǎng)其使用壽命、提高續(xù)航里程并降低其使用成本,是加速電動(dòng)汽車發(fā)展的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù),。電池管理系統(tǒng)的核心荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)估計(jì)則是重中之重[１],。本文利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA改進(jìn)了現(xiàn)有的模擬多路開(kāi)關(guān)采集電池信息，提高了采集速度,，并擴(kuò)展了采集電池的個(gè)數(shù),。
1 電動(dòng)汽車電池組管理系統(tǒng)方案
    動(dòng)力電池組是由400個(gè)3.2 V標(biāo)稱電壓、容量11 A的單體鋰離子電池,，采用4并100串的方式組成的動(dòng)力電池組,。電壓檢測(cè)采用分布式檢測(cè)法,，即將電池分為幾組，采用多套檢測(cè)電路分時(shí)檢測(cè)每4個(gè)并聯(lián)單體電池,。這種檢測(cè)技術(shù)比較直觀,，為了檢測(cè)每個(gè)電池的電壓，需要將每個(gè)電池的電壓信號(hào)引入檢測(cè)設(shè)備,，采用多通道切換技術(shù),，即通過(guò)開(kāi)關(guān)器件把多節(jié)單體電池的電壓信號(hào)切換到同一個(gè)信號(hào)處理電路。“開(kāi)關(guān)切換”動(dòng)態(tài)地改變了參考點(diǎn),，保證每次測(cè)量都是一個(gè)單體電池的端電壓,；而差分輸入則保證了電池組與檢測(cè)電路不共地，雖然沒(méi)有做到全隔離,，但比共地連接要安全[２],。利用CAN總線進(jìn)行通信。整個(gè)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路,按功能可以分為控制電路和信號(hào)采集電路兩大部分,，如圖1所示,。

1．1控制電路設(shè)計(jì)
     控制電路綜合采集到的電壓、電流,、溫度信息,，對(duì)電池進(jìn)行SOC估算，通過(guò)CAN總線接口與上位機(jī)及整車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信,。
     MC9S12DG128屬于高性能的16 bit微控制器HC12系列,，中央處理單元為16 bit HCS12 CPU。具有2通道SPI,，2通道SCI,一個(gè)8通道16 bit增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器,，一個(gè)8通道8 bit或4通道16 bit PWM，兩個(gè)8通道10 bit ADC,，兩個(gè)MSCAN模塊和一個(gè)I2C總線,。另外MC9S12DG128還包括29個(gè)獨(dú)立的數(shù)字I/O口,其中20個(gè)I/O口具有中斷和喚醒的功能。
     因此,，采用MC9S12DG128芯片作為主控制器可以充分利用其片上資源豐富,、采集和處理數(shù)據(jù)速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法及準(zhǔn)確的估算SOC,，有效解決基于傳統(tǒng)單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)資源有限,，算法簡(jiǎn)單的問(wèn)題。
1．2通信接口設(shè)計(jì)
        在本系統(tǒng)中,，CAN總線智能節(jié)點(diǎn)電路由MC9S12DG128內(nèi)置模塊CAN控制模塊,，CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250和高速光耦6N137，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在CAN總線的通信。其設(shè)計(jì)圖如2所示,。

    PCA82C250作為CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口,，滿足汽車中高速通信速率1 Mb/s[3]的設(shè)計(jì)要求。具有對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力,及對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收的能力,，符合ISO11898[4]標(biāo)準(zhǔn),。PCA82C250還具有抗汽車環(huán)境中的瞬間干擾、保護(hù)總線能力,，其斜率控制可降低射頻干擾（RFI）,。作為差分接收器，能夠抗寬范圍的共模干擾和電磁干擾（EMI）,。
1．3 均衡模塊的設(shè)計(jì)
    當(dāng)電動(dòng)車電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí),，即使單節(jié)電池的性能優(yōu)良，但由于配組使用的各單體電池特性不一致,，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池過(guò)充和過(guò)放情況的嚴(yán)重不一致,，從而影響整個(gè)電池組的品質(zhì)[5]。
    為解決上述問(wèn)題,，典型的方法是利用發(fā)熱電阻旁路分流均衡法,。即為每節(jié)單體電池配備一個(gè)放電平衡電阻，當(dāng)某電池電壓高于其他電池超過(guò)設(shè)定值時(shí),，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)閉合,，此節(jié)通過(guò)放電平衡電阻分流，使電池電壓下降,，如此反復(fù)循環(huán)使得電池組各單體電池能平衡充電。
1．4 安全模塊的設(shè)計(jì)
    電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的總電壓一般在300 V以上,，　因此安全控制模塊是必不可少的[6],。
    圖3所示中安全管理器主要有4個(gè)參數(shù)：BAT＋、BAT－,、HV＋,、HV－，管理著三個(gè)繼電器S1,、S2,、S3，R為預(yù)充電電阻,。此系統(tǒng)主要通過(guò)測(cè)量以上4個(gè)參數(shù)的變化來(lái)判斷電池安全情況,，通過(guò)開(kāi)關(guān)繼電器進(jìn)行管理。利用正負(fù)母線對(duì)地的接地電阻產(chǎn)生的漏電流,，來(lái)測(cè)量母線對(duì)地的接地電阻大小,，從而判別母線的接地故障。這一技術(shù)無(wú)需在母線上疊加任何信號(hào)，對(duì)直流母線供電不會(huì)有任何不良影響,，并且可以徹底根除由母線對(duì)地分布電容所引起的誤判與漏判,。

2 SOC的預(yù)測(cè)
     電池荷電狀態(tài)SOC是描述電池狀態(tài)的重要參數(shù)。進(jìn)行SOC預(yù)測(cè)的方法主要有開(kāi)路電壓法,、負(fù)載電壓法,、Ah法及直流內(nèi)阻法等。如果有足夠的數(shù)據(jù),，還可以用自適應(yīng)的控制計(jì)算方法建立電池模型[7],。本設(shè)計(jì)以Ah法為主，配合負(fù)載電壓法和內(nèi)阻法對(duì)SOC進(jìn)行估測(cè),。電池充放電容量與充放電電流ｉ的關(guān)系為：
  
其中C0 s為標(biāo)準(zhǔn)溫度下標(biāo)準(zhǔn)放電電流釋放的總電量,；C?駐 s為實(shí)際使用電量折合為標(biāo)準(zhǔn)溫度下標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)的電量；K=ωi×δi為電流修正系數(shù),，ωi代表標(biāo)準(zhǔn)溫度下,，標(biāo)準(zhǔn)電流I放電放出的電量與不同放電電流ｉ放電電流放出的電量之比，δi代表溫度修正系數(shù),。由于電池老化對(duì)剩余容量的影響,，C0 s不等于蓄電池標(biāo)稱容量q，它們的關(guān)系：　

    系統(tǒng)根據(jù)3個(gè)標(biāo)志位的置位進(jìn)行溫度與電壓的采集,，采集到的電壓數(shù)據(jù)由CAN總線通信,。
    本文應(yīng)用單片機(jī)、FPGA和CAN總線等先進(jìn)技術(shù)研究了一種分布式的電池管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集,、SOC估計(jì),、CAN通信等功能。在codewarrior與quartus軟件上,，對(duì)電池管理系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了調(diào)試,。該系統(tǒng)具有較高的預(yù)測(cè)精度和較強(qiáng)的實(shí)用性，可望應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域,。
參考文獻(xiàn)
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