Bq76PL455芯片在電池采集系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李 輝， 李 娜

(1.杭州杰能動(dòng)力有限公司 沈陽(yáng)分公司， 沈陽(yáng) 110167； 2.南京大學(xué)， 南京 210023)

隨著全球傳統(tǒng)能源日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日益惡化，新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為各國(guó)汽車(chē)行業(yè)關(guān)注與探索的焦點(diǎn)[1]。目前，新能源汽車(chē)以純電動(dòng)汽車(chē)為代表，而動(dòng)力鋰電池組作為純電動(dòng)汽車(chē)能源的關(guān)鍵部件[2-3]，占整車(chē)成本的1/3以上。為了保障鋰電池組能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，必須實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集和監(jiān)控單體電池狀態(tài)參數(shù)[4-6]，如電壓和溫度等。本文以采集串聯(lián)的16節(jié)三元鋰電池為例，分析Bq76PL455在電池采集系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的電池采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)16節(jié)三元鋰動(dòng)力電池的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括以Bq76-PL455為核心的電池電壓采集和均衡部分，以及以MC9S12XEQ512為核心的溫度采集、UART通信和CAN通信部分。

Bq76PL455是TI推出的一款集成式16節(jié)電池監(jiān)測(cè)和保護(hù)芯片，每個(gè)芯片可以監(jiān)測(cè)和均衡6至16節(jié)電池。該芯片具有內(nèi)部基準(zhǔn)的14位高性能ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，而且16節(jié)電芯的總轉(zhuǎn)換標(biāo)稱(chēng)時(shí)間為 2.4 ms，還具有內(nèi)部精密基準(zhǔn)源，以及集成保護(hù)器為過(guò)壓和欠壓比較器提供獨(dú)立的參考源，并可以編程設(shè)定單體電壓值。同時(shí)，該芯片具有最高1 Mb/s可堆疊隔離差分UART(高速通用異步收發(fā)器)，最多可將16個(gè)Bq76PL455芯片串聯(lián)在一起，通過(guò)一個(gè)UART接口與微控制器通訊,該性能經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，符合BCI(大電流注入)標(biāo)準(zhǔn)[7]，該電容隔離型通訊電路可以有效抑制共模噪聲。

另外，該芯片還具有直接驅(qū)動(dòng)外部N-FET的引腳，進(jìn)而可以控制與MOFET串聯(lián)的功率電阻進(jìn)行多余電量的消耗，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)均衡。此均衡功能的開(kāi)啟與關(guān)閉，在一定時(shí)間內(nèi)可以由程序設(shè)定。而且該芯片供電的所有電壓可以由與其串聯(lián)的電池組提供。

MC9S12XEQ512是NXP公司的一款高性能汽車(chē)級(jí)的微控制器(MCU)。該芯片是以S12X為內(nèi)核的16位MCU，具有50 MHz總線(xiàn)頻率，512 kB的Flash, 4路CAN總線(xiàn)接口，2路SCI串行接口，8通道的12位ADC，7路PWM輸出和8通道24位周期性的中斷定時(shí)器。與此同時(shí)再加一個(gè)CAN收發(fā)器芯片(TJA1050)，簡(jiǎn)化了CAN總線(xiàn)的設(shè)計(jì)[8]。這些功能滿(mǎn)足三元鋰電池采集系統(tǒng)的需求。

1.2 工作原理

MC9S12XEQ512通過(guò)UART通信方式控制Bq76PL455讀取采集16節(jié)串聯(lián)的單體電池電壓，電池的溫度是由MC9S12XEQ512采集安裝在電池上的溫度傳感器(NTC熱敏電阻)而獲取。根據(jù)讀取到的單體電池電壓和溫度來(lái)執(zhí)行16節(jié)電池的均衡任務(wù)，均衡的開(kāi)啟與關(guān)閉是由MC9S12XEQ512設(shè)置Bq76PL455相應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)。整個(gè)采集系統(tǒng)以MC9S12XEQ512內(nèi)核時(shí)鐘為基準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的單體電池電壓采集、CAN通信任務(wù)的處理以及故障的判斷和存儲(chǔ)。結(jié)合上述分析，設(shè)計(jì)出Bq76PL455的電壓采集系統(tǒng)工作原理圖，如圖1所示。

圖1 Bq76PL455的電壓采集系統(tǒng)工作原理圖

2 Bq76PL455的應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電壓采集和均衡功能以Bq76PL455為核心，電池單體測(cè)量最大電壓5.5 V，既可以采用菊花鏈?zhǔn)竭M(jìn)行串聯(lián)該芯片，又可以采用單端通信方式進(jìn)行并聯(lián)該芯片，以便實(shí)現(xiàn)更多電池的采集。

為了保證每個(gè)電池采集入口在熱插拔或其他異常條件下不損壞Bq76PL455，必須在每個(gè)電池采集輸入引腳之間并聯(lián)一個(gè)齊納二極管(此處選用6.2 V齊納二極管)，它可以在熱插拔期間為浪涌電流提供一條路徑。同時(shí)，每個(gè)電池采集輸入口均需串聯(lián)一個(gè)RC過(guò)濾器組件，該組件不僅要靠近保護(hù)的芯片，而且必須將電容調(diào)整到最佳位置。

但以上處理還不能滿(mǎn)足各種超低濾波器截止頻率的應(yīng)用，此時(shí)就需要在每個(gè)電池采集入口線(xiàn)之間并聯(lián)差分電容(以提高抗混疊性能)，以便提供大部分的AFE輸入濾波。同時(shí)，在電芯輸出和采集輸入的串聯(lián)電阻之間加入與電芯輸入串聯(lián)的低值電感,并且電感與電容之間必須互相靠近。在每個(gè)電芯輸入與采集系統(tǒng)的地線(xiàn)之間并聯(lián)一個(gè)3 300 pF(參考值)的電容(該電容取值需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行修正)。從而提高Bq76PL455在電氣環(huán)境苛刻的汽車(chē)應(yīng)用中的EMC性能[9]。

每串電池都并聯(lián)一個(gè)通過(guò)MOSFET串聯(lián)的均衡電阻，以便在充電模式下，MCU通過(guò)讀取單體電池的電壓，控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，防止單體電池過(guò)度充電。Bq76PL455通過(guò)ISO7242進(jìn)行動(dòng)力電池與MCU的電氣隔離，Bq76PL455與MC9S12XEQ512通過(guò)UART接口進(jìn)行通訊。以Bq76PL455為核心的電壓采集系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 Bq76PL455的電壓采集系統(tǒng)功能框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

Bq76PL455在電池采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，最重要的橋梁是UART通信。只有確保MC9S12XEQ512與Bq76PL455的通信穩(wěn)定，才能進(jìn)行實(shí)時(shí)的電壓采集和對(duì)均衡電路的控制。本文軟件代碼是針對(duì)Bq76PL455單端通信方式而設(shè)計(jì)。根據(jù)MC9S12XEQ512對(duì)Bq76PL455的寄存器地址的讀寫(xiě)操作，能夠繪畫(huà)出該系統(tǒng)單體電池電壓采集的軟件流程圖，如圖3所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、UART和ADC等初始化，然后對(duì)Bq76PL455的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，最后進(jìn)入循環(huán)采集各單體電池電壓的數(shù)據(jù)和處理階段。

圖3 單體電池電壓采集的軟件流程圖

下面對(duì)電池采集系統(tǒng)中電壓采集的3個(gè)基本函數(shù)(UART初始化函數(shù)、Bq76PL455寫(xiě)寄存器函數(shù)和Bq76PL455電壓采集函數(shù))進(jìn)行說(shuō)明。

1) UART初始化函數(shù)。UART的初始化，需要對(duì)串口相關(guān)的寄存器進(jìn)行配置，啟用內(nèi)部串口模塊，配置系統(tǒng)時(shí)鐘，并以系統(tǒng)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算得到串口波特率，最后啟動(dòng)串口的接收和發(fā)送命令。

2) Bq76PL455寫(xiě)寄存器函數(shù)。它是以Bq76PL455寫(xiě)框架函數(shù)為平臺(tái)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的ID、寄存器的地址、寄存器值、寄存器長(zhǎng)度和寄存器類(lèi)型這些參數(shù)的配置，完成MCU對(duì)Bq76PL455寄存器的寫(xiě)操作。在進(jìn)行Bq76PL455寄存器的寫(xiě)操作時(shí)，寄存器類(lèi)型需要謹(jǐn)慎選擇，否則將影響B(tài)q76PL455的操作應(yīng)答。

3) Bq76PL455電壓采集函數(shù)。它是通過(guò)Bq76PL455寫(xiě)寄存器函數(shù)對(duì)單體電池電壓讀取命令的操作，完成MCU對(duì)Bq76PL455采集命令的發(fā)送，由于接收數(shù)據(jù)是由串口接收中斷完成的，因此可以采用判斷標(biāo)志位的方式，確保接收完整的16節(jié)單體電池電壓數(shù)據(jù)。

MC9S12XEQ512通過(guò)對(duì)以上基本函數(shù)的調(diào)用，能夠完成對(duì)Bq76PL455的系統(tǒng)化操作。實(shí)際測(cè)試一組工作中的三元鋰電池的單體電池電壓實(shí)測(cè)值與MCU采集計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，其中系列1是六位半實(shí)測(cè)單體電壓值，系列2是MCU采集計(jì)算單體電壓值，由圖可知，MCU采集計(jì)算電壓的最大誤差值是3 mV,滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)參數(shù)測(cè)量精度要求[10]。

圖4 單體電池電壓實(shí)測(cè)值與MCU采集計(jì)算值對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了Bq76PL455在電池采集系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)際裝車(chē)測(cè)試，該電池采集系統(tǒng)與其上一級(jí)控制系統(tǒng)配合工作，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)各項(xiàng)目的具體任務(wù)，合理搭建硬件電路，靈活操作Bq76PL455的各個(gè)寄存器，可以滿(mǎn)足大部分客戶(hù)的需求。

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