基于FPGA的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

李國洪，凌 牧

(天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384)

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)能對車用動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù)、延長其使用壽命、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)場可編程門陣列FPGA改進(jìn)了現(xiàn)有的模擬多路開關(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。電壓檢測采用分布式檢測法，即將電池分為幾組，采用多套檢測電路分時(shí)檢測每4個(gè)并聯(lián)單體電池。這種檢測技術(shù)比較直觀，為了檢測每個(gè)電池的電壓，需要將每個(gè)電池的電壓信號引入檢測設(shè)備，采用多通道切換技術(shù)，即通過開關(guān)器件把多節(jié)單體電池的電壓信號切換到同一個(gè)信號處理電路?！伴_關(guān)切換”動(dòng)態(tài)地改變了參考點(diǎn)，保證每次測量都是一個(gè)單體電池的端電壓；而差分輸入則保證了電池組與檢測電路不共地，雖然沒有做到全隔離，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，對電池進(jìn)行SOC估算，通過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，算法簡單的問題。

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。具有對總線提供差動(dòng)發(fā)送能力,及對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)部各單體電池過充和過放情況的嚴(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設(shè)定值時(shí)，MCU控制的多路開關(guān)閉合，此節(jié)通過放電平衡電阻分流，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)主要通過測量以上4個(gè)參數(shù)的變化來判斷電池安全情況，通過開關(guān)繼電器進(jìn)行管理。利用正負(fù)母線對地的接地電阻產(chǎn)生的漏電流，來測量母線對地的接地電阻大小，從而判別母線的接地故障。這一技術(shù)無需在母線上疊加任何信號，對直流母線供電不會(huì)有任何不良影響，并且可以徹底根除由母線對地分布電容所引起的誤判與漏判。

2 SOC的預(yù)測

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)測的方法主要有開路電壓法、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SOC進(jìn)行估測。電池充放電容量與充放電電流i的關(guān)系為：

只要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池充/放電電流，然后在時(shí)域上積分，就可以得到該時(shí)間段Δt上的電池容量的變化量q。

只要知道初時(shí)容量C0,則剩余容量為：

對SOC預(yù)測有影響的因素從大到小分別為：放電電流、溫度、老化、自放電。標(biāo)準(zhǔn)溫度下一定電流的剩余容量為：

其中C0s為標(biāo)準(zhǔn)溫度下標(biāo)準(zhǔn)放電電流釋放的總電量；CΔs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)。由于電池老化對剩余容量的影響，C0s不等于蓄電池標(biāo)稱容量q，它們的關(guān)系：

測量蓄電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下,從充滿狀態(tài)放電到截止電壓所放出的電量CM除以它的標(biāo)稱容量CN，便得到SOH。這種方法直接從定義出發(fā)，容易理解：

將式(4)、式(5)代入 SOC定義：

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件按功能分為三個(gè)部分：底層ECU的數(shù)據(jù)采集與控制、主控ECU的管理、整個(gè)系統(tǒng)的CAN通信。圖4所示為底層ECU軟件流程圖。

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。

[1]何莉萍、趙曦.基于DSP的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，36(5)：33－36.

[2]李成學(xué),楊大柱.電動(dòng)汽車蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測[J].電源技術(shù)，2010，34(1):80－83.

[3]Road vehicles-Interchange of digital information-controller area network(CAN)for high-speed communication，ISO 11898， International Standardization Organization，1993.

[4]岳仁超,王艷.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2010，11(1)：31－34.

[5]CHAN C C,Sun Fengchun， Zhu Jiaguang.Technology on modern electric vehicles[C].Beijing Institute of Technology Press，2002.

[6]馮勇，王輝，梁驍.純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2010，29（9）：54－57.

[7]Zheng Minxin， Qi Bojin，Wu Hongjie.A li-ion battery management system based on CAN-bus for electric vehicle[C].2008 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications，ICIEA 2008.