基于ZigBee的电池管理系统研究与设计

2021-03-25马江睿

自动化与仪表 2021年3期

王琪，马江睿，王晨

（西安工业大学电子信息工程学院，西安710021）

随着环境污染和能源问题的日益突出，电动汽车的发展已经成为一种必然的趋势。电动汽车利用高电压、大电流为自身提供动力源，故需要将多个单体电池组成电池组进行管理和控制，使电池的能量利用率和使用寿命达到最大化[1]。电池管理系统根据采集的电池信息（电压、电流和温度），对电池进行充放电管理，同时估算电池的剩余电量完成状态评估，为动力电池组的工作安全提供保障[2]。目前，电动汽车的电池管理系统内部通信一般采用CAN总线或RS485 总线[3]。由于传输介质的原因导致系统存在以下不足：布线繁琐，增加或减少设备均需重新布线，扩容能力差；车辆的振动、环境变化会导致导线老化，增加故障率；系统安装费时，维护不便，成本高等[4-5]。

针对以上问题，本文研究并设计了基于ZigBee的动力电池管理系统，采用无线通信技术来替代传统有线通信方式，通过搭建星型网络，有效传输动力电池组数据，提高了系统的灵活性和可靠性，降低了系统的生产和维护成本。

1 系统功能分析

电池管理系统作为连接电动汽车和动力电池的桥梁，主要负责电池状态检测、电池优化控制以及电池信息处理，使电池组工作在安全范围内，延长电池使用寿命，保证整车系统的正常运行[6]。电池管理系统的基本组成如图1所示。

图1 电池管理系统基本组成图Fig.1 Basic composition diagram of battery management system

1.1 电池状态监测

实时检测电池电压、电流、温度参数，对电池内部状态SOC 进行估算，保证电池组在安全有效的范围内工作，这是电池管理系统有效运行的基础和关键[7-8]。

1.2 电池优化控制

电池的优化控制分为两个部分：电池均衡控制、温度控制。均衡控制可以保证单体电池剩余电量的一致性，从而使电池电量的利用率达到最大化。温度控制使电池工作在安全的温度范围内，消除使用的安全隐患。

1.3 电池信息处理

电池信息处理是将实时监测到的电池数据进行传输与存储。电池管理系统作为电动汽车的核心部件，需要与整车控制器进行通信，提供电池的实时数据从而控制下层各个控制器的动作，保证汽车的安全行驶。

2 电池管理系统硬件设计

2.1 硬件总体结构设计

电池信息检测作为电池管理系统关键的一环，是电池状态估计、电池预警以及均衡控制等所有功能实现的基础[9]。当前市场上存在2 种常用的电池信息检测解决方案：一种是分立式元器件搭建采集电路，另一种是集成式的电池管理芯片设计实现[10-11]。本文考虑到系统的稳定性及低功耗的要求，选用AD7280A 作为电池管理芯片，该芯片温度采集通道多，电压采集精度高，信号转换时间短，温度测量范围宽，而且价格低廉。支持菊花链方式的级联，能够实现对64 节的单体电池采集信息，所以采用AD7280A采集电池信息完全满足系统要求。为了便于管理，本系统采用分布式拓扑设计了基于ZigBee 无线组网技术的电池管理系统，该电池管理系统硬件结构如图2所示。

图2 电池管理系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of battery management system

2.2 电压采集电路设计

本文选用ADI 公司的AD7280A 集成式芯片完成电池管理系统电压采集部分的电路设计。AD7280A 的电源电压的输入范围是8 V～30 V，本文采用锂电池组为该芯片提供电源。AD7280A 共提供了6 个模拟输入通道，每个通道的共模电压输入范围是0.5 V～27.5 V，由于AD7280A 的电压采集是利用相邻模拟输入的压差进行转换获取单体电池电压，因此只需要将串联锂电池的节点电压按顺序连接到6 个模拟输入通道即可，相当于每块AD7280A最多可对6 节单体电池进行电压采集。此外，AD7280A 提供了6 个辅助ADC 通道，该通道的测量原理与电压测量相似，均采用逐次逼近法测量，本设计使用辅助ADC 测量6 节单体电池的温度。AD7280A 引脚连接示意图如图3所示，信号流通的最底端与MCU 直接相连的称作主AD7280A，其余为从AD7280A。MCU 与主AD7280A 通过SDI、SDO、SCK、四个引脚进行SPI 通信，ALERT 引脚用于警示辅助ADC 或电池发生欠压或者过压，引脚负责启动转换，下降沿有效。

图3 AD7280A 引脚连接示意图Fig.3 AD7280A pin connection diagram

从图4 中可以看出，MASTER 引脚是否上拉一个10 k 电阻取决于它是主器件或从器件。为了防止高频信号对整个采集电路的影响，将GND 分为数字地DGND 和模拟地AGND，该方法在绘制PCB 时能够有效地将数字地和模拟地区分开来，分别覆铜，减少了信号的相互干扰。VDRIVE 接口是AD7280A与MCU 通信的工作电压，通信时两者电压需要保持一致，所以将VDRIVE 接口电压上拉至3.3 V，同时在该电源附近放置一个10 μF 滤波电容，消除电压上的毛刺。VREF 是模拟电压输出引脚，负责为ADC 的内核提供供电电压，因此在该引脚附近并联一个1 μF 的储能电容，减小电压波动，提高瞬间电流的放电能力。

其中，电池电压与采集值Cn关系式为

3 电池管理系统软件设计

3.1 软件整体结构设计

图4 主AD7280A 采集电路Fig.4 Main AD7280A acquisition circuit

动力电池管理系统软件设计按照模块化结构和分层思想分为两个层次设计，如图5所示。底层为基础的硬件平台，中间层为驱动层，主要负责连接硬件和应用层之间的信息交互，该层包括LCD 通信协议、CAN 总线协议、SPI 通信协议、I2C 通信协议、GPIO 驱动、上电板载初始化。应用层通过调用驱动层完成具体功能的实现，BMS 的基本功能均在应用层实现，包括SOC 估算、人机交互、均衡控制、数据离线存储、电池节点网络监控、高温报警、故障诊断等其他功能。

图5 软件整体结构图Fig.5 Software structure diagram

3.2 ZigBee 网络拓扑设计

ZigBee 网络的典型拓扑结构分为3 种类型：星型、簇状型、网状型[12]。如图6所示，簇状型和网状型的拓扑结构类似，均由协调器、路由器和终端设备组成，但网状型相比簇状型更加灵活，能在路由节点间相互通信，不会造成某一路由节点损坏，从而导致消息丢失的状况，但网状型拓扑的灵活特性导致该拓扑损耗更多能量去维护复杂的网络[13]。星型拓扑作为一种简单的结构，包含一个协调器和若干终端设备或者路由器，其任何两个终端节点通信都需要经过协调器转发，因此可适用于短距离、低功耗、节点要求不多的网络。本文设计的电池管理系统总节点不超过40 个，而且为短距离通信，因此本文采用能量消耗更低、更适合本系统的短距离集中式星型网络通信[14]。

图6 ZigBee 网络拓扑结构图Fig.6 ZigBee network topology structure diagram

3.3 AD7280A 采集程序设计

电池管理系统中电压信息、温度信息是利用SPI 总线读写AD7280A 的寄存器实现采集读取。SPI 总线作为一种串行外设接口，具有全双工通信、线束少、传输速率高等优势，常用作嵌入式系统内部通信的总线协议。AD7280A 工作软件流程如图7所示，首先开启所有设备，初始化设备，配置寄存器开启转换，最终读取转换数据，关闭设备。

图7 数据采集流程Fig.7 Flow chart of data collection

4 系统测试结果及分析

实验选用4 节18650 锂电池串联起来组成一个电池组，通过2 个AD7280A 采集8 节锂电池的状态信息。为了验证采集精度是否达到±10 mV 的指标要求，本文利用高精度表进行测量后，与采集板采集到的数据进行对比，实验结果如表1所示。采集到的数据与万用表测量值的最大误差为6.8 mV，小于指标要求的10 mV，满足系统的设计指标要求。