电动汽车电池管理系统的设计

徐朝胜，闫改珍，李 进 （安徽科技学院机电与车辆工程学院，安徽 凤阳233100）

近年来，迫于能源危机与生态环境恶化的压力，电动汽车 （EV）和混合动力电动汽车 （HEV）取得了长足发展。与电动汽车的数量同比增长的是人们对电动汽车安全性的担忧。其安全性能，特别是在高温、高原、高寒等极端环境下的电气安全备受关注。而电动汽车的安全驾驶很大程度上取决于车载动力电池组监控检测的准确性。自1859年发明以来，铅酸蓄电池已经历了近150年的发展历程，在交通、通信、电力、军事、航海、航空等各个经济领域，起到了不可缺少的作用。铅酸电池销售额占全球蓄电池销售额的30%以上［1］。笔者以12V铅酸电池组为监控对象，设计了一个安全并能适应恶劣环境的电池管理安全系统。限于篇幅，笔者将着重介绍系统架构及中央管理单元。

1 系统设计

1．1 系统拓扑结构

车载动力电池通常由许多个单体电池通过串联而成，因而系统可能由多个电池监测终端构成，分别负责各个单体电池的状态参量的监测，并把监测到的实时数据传送给电池管理系统的中央管理单元做科学决策。同时电源管理模块与车身网关通讯，以协调整车各电气部件行为。鉴于此，电池监测系统采用CAN （Controller Area Network）和 LIN （Local Interconnect Network）相结合的拓扑结构，如图1所示。系统的中央管理单元通过CAN总线与发动机定时、自动变速 （AT）和油门控制、防抱死制动 （ABS）、防滑控制 （ASC）、启停 （start／stop）系统等电气部件以及车身网关进行通信，而中央管理单元与各电池监测终端则通过LIN总线实现通信。

CAN总线具有较高的可靠性和检错能力，能适应强电磁干扰的环境，在汽车电子系统中有广泛的应用。LIN是一种低成本的串行通讯网络，在不需要CAN总线的带宽和多功能的通信应用中 （如智能传感器和制动装置之间的通讯）使用LIN总线可大大节省成本，是CAN总线网络的有效补充［2］。

1．2 细化的系统结构

系统中央管理单元负责充电控制、时钟同步、提供友好的人机交互接口、CAN／LIN网络通信、电池组的荷电状态SOC（State of charge）估算、健康状态 （SOH）估计、监测数据的记录存储等。而电池监测终端则主要负责电池实时数据的采集、单体SOC估计、过压、过流检测、数据的LIN网络传送。据此细化的系统结构如图2所示。

图1 系统的拓扑结构图

1）中央管理单元 中央管理单元选用Freescale系列单片机MC9S12XS128MAA为主控芯片，该芯片是针对汽车电子市场的高速低耗16位单片机，具有丰富的片上资源，其中包含128KB程序Flash、8Kb数据Flash和8KB RAM，1个用于实现CAN通信的MSCAN模块，2个支持LIN协议的的增强型SCI接口、1个可用于SD卡读写的SPI接口［3］。因此图2所示各功能模块仅需在该CPU的基础上配置少量外围电路即可实现，不仅简化了系统复杂度，而且可提高系统的可靠性。同时，芯片的工作温度范围宽，为-40～125℃，可满足汽车内外及极端天气下的温度要求。

2）电池监测终端 电池监测终端以MM912J637为核心。该芯片为飞思卡尔公司2011年推出的用于汽车电池监控的高精度、低功耗、高度集成智能传感器，在鲁棒性上，达到了汽车工业ESD（ElectroStatic Discharge）、EMC （Electro Magnetic Compatibility）及零缺陷质量水平的最高标准。在-40～125℃工作范围内完全满足AEC-Q100汽车用集成电路标准［4］。芯片内部集成S12微控制器，这使得单体电池的荷电状态估计、过压、过流判定等功能可以在本地完成，提高系统实时性的同时，减小了中央管理单元的负荷。芯片具有LIN网络接口，提供精确的温度测量、电压测量、电流测量，在极端苛刻环境下，也可对对电池健康状态、充电状态和功能状态做出正确预测。

图2 细化的系统结构图

2 硬件设计

2．1 中央管理单元的网络模块

中央管理单元提供LIN和CAN两个网络接口，其硬件电路示意图如图3所示。其中TJA1020为LIN收发器，提供LIN控制器和物理传输媒体之间的接口，最高波特率为20kbps，具有高抗电磁干扰（EMI）及低电磁辐射（EMC），能够很好的满足车载网络的需求。应用MC9S12XS128中的串口0实现LIN通信，PT7用于TJA1020的使能控制。TJA1050为高速CAN收发器，符合车内CAN高速通信标准ISO11898。应用中将MC9S12XS128控制器的引脚RXCAN0和TXCAN0分别与TJA1050的RXD、TXD引脚相连。

2．2 中央管理单元的数据存储模块

电池监测系统除完成电池电流、电压、温度精确测量及荷电状态估计外，还应该具有跟踪电池工作状态的功能，即存储各单体电池的历史状态记录，以便于电池检测人员定位和分析单体电池历史故障。鉴于SD卡读写速度高，容量大，易插拔，笔者选用SD卡作为存储设备。MC9S12XS128与SD接口的连接示意图如图4所示。可以看出，SD卡工作于子表SPI模式，直接与MC9S12XS128提供的SPI接口相连，实现每秒1Mb的读写速度，可以满足系统需求。SD卡可选用Innodisk公司生产的工业宽温SD卡DS2A-01GI81W1S（-40～＋85℃），最大容量可至8Gb，速度等级为10级，足以满足系统需求。

图3 网络接口电路图

图4 SD接口电路图

2．3 电池监测终端

电池监测终端以MM912J637为核心，其内部提供3个独立的通道，可完成电压、电流、温度的同步采集。MM912J637的外围电路如图5所示。

1）电压 VSUP为器件的供电输入端，通过D1与电池正极相连，D1为防反接二极管。C1与C2是电源退耦电容，容值分别为4．4μF和100nF。

2）电流 ISENSEH和ISENSEL为电流检测信号的输入端。R2、R3、R4与C3、C4、C5构成外围电流检测电路。其中R2为分流器，其阻值为100μΩ，接在电池负极与车辆底盘地之间，其上电压的大小反映了电池回路电流的大小。其余各元件用于改善电路的电磁兼容特性，其值通过实验获取。

3）温度 温度检测电压由VTEMP引脚输入，需串接20kΩ限流电阻（R7），TSUP为外部温度传感器供1．25V供电电压。温度传感器R5采用负温度系数热敏电阻，以减小常温下的能量损耗。笔者选用标称值为10kΩ，精度为±1%的热敏电阻ERT-J1VG103FA。

图5 电池监测终端外围硬件电路图

为了提高电路的电磁兼容特性，内部模块的不同供电电源分别外接退耦电容C6、C7、C8，推荐值分别为1μF、220nF、47nF。

3 软件设计

3．1 数据采集过程控制

数据采集过程如图6所示，由中央管理单元发送一个 “数据同步”命令到LIN网络，同步启动各电池监测终端开始电压、电流和温度测量，之后每1s完成一次数据采集，将测量结果分别存储到寄存器ACQ＿VOLT、ACQ＿CURR、ACQ＿ETEMP中，并实时完成SOC估计和过压、过流检测，当接收到中央管理单元的数据请求命令时，才将相应的数据传送至LIN网络接口。

3．2 数据的SD存储

1）文件系统的移植 移植文件系统后，采集数据以文件的形式保存在SD卡中，不必另行开发上位机，即可在PC中直接读取、检索和管理数据，笔者移植的文件系统为FATFS。该系统具有轻型、开源、可裁剪、效率高等优点。FATFS分用户接口层、FATFS主体及存储介质接口层。其中用户接口层提供一系列的接口函数供使用者调用创建文件和读写文件等服务，这些服务由FATFS主体完成。存储介质接口层含disk＿initialize （）、disk＿status （）、disk＿read （）和disk＿write （）等函数，完成对存储介质的读和写等底层操作，并向上提供服务，是移植需要实现的主要部分［5］。

图6 数据采集控制流程图

应用中的存储介质为SD卡，通过MM912＿J637的SPI接口读写。因此移植分2个层面，一是通过SPI接口的数据读写和SPI接口的配置及使用：使能SPI系统 （SPE=1）；设置为SPI主模式 （MSTR=1）；配置为8位数据传输模式 （XFRW=0）；波特率设置为24．41kbps（SPIBR=0x76），以减小电磁辐射干扰。当SPI接口接收到数据时，存放在SPIDR中，并产生接收中断 （SPIF=1）；发送数据时，将数据放到SPIDR中，发送完毕后产生发送中断 （SPTEF=1）；二是在此基础上的SD卡扇区的读写。读写SD卡前，首先对其初始化。系统上电后，令SD卡等待大于74个时钟周期，然后令SD的CS引脚为0，发送SD复位命令CMD0，使SD卡进入SPI模式。返回01时，发送命令CMD1；返回00时，表明SD卡已完成初始化过程，之后即可进行扇区的读写操作。

2）采集信息的存储格式 采集的电压、电流、温度按样本点分成不同的记录存储。记录之间由回车分隔，每条记录的格式为：

其中，ID为监测终端标识符，U、I、T分别代表同一时刻采集到得电压、电流和温度，SOC为该时刻下估算的荷电状态。当一个文件中的数据量达到1KB时，创建新的文件存储新的数据。每个文件创建时，以创建时间 （格式为：时-分-秒，共6位）为文件名，后缀为．txt。

4 结 语

笔者构建了一个12V铅蓄电池组电动汽车动力电池监控系统。系统中，中央管理单元与监测终端采用LIN网络通讯，以节约系统成本；将各单体电池的SOC估计、SOH估计及过压、过流、过温检测下移至电池监测终端，中央管理单元在必要时，通过LIN网络向电池监测终端发送轮询命令，有效减小了通讯量，并提高了系统的实时性。电池组的SOC和SOH由各单体电池的相关数据取均值获得。

［1］李伟，胡勇 ．动力铅酸电池的发展现状及其使用寿命的研究进展 ［J］．中国制造业信息化，2011，4（7）：70-72．

［2］段辉．LIN通讯技术在汽车智能电子控制系统中的应用研究 ［D］．北京：北京邮电大学，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］韩晓雪，曾鸣，邵贝贝 ．MC9S12UF32的嵌入式文件系统数据存储模块 ［J］．单片机与嵌入式系统应用，2010（2）：98-101．