电动汽车电池管理系统采集模块的设计

电动汽车电池管理系统采集模块的设计蒋倩，金启前，由毅，冯擎峰浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江杭州311228摘要以飞思卡尔的8位单片机MC9S08DZ60、凌力特的长串电池组采集芯片LTC6802为核心部件，设计电动汽车用电池管理系统的采集模块，包括硬件和软件设计，实现电芯电压、温度的实时精确采集功能、SPI及CAN通信功能，并验证该模块的性能有效、可靠。关键词电动汽车电池管理；CAN总线中图分类号U463633文献标识码A文章编号10038639201405001503DESIGNOFGATHERINGMODULEFORBATTERYMANAGEMENTSYSTEMONEVJIANGQIAN，JINQIQIAN，YOUYI，FENGQINGFENGGEELYAUTOMOBILERESEARCHINSTITUTE，HANGZHOU311228，CHINAABSTRACTTOMONITORTHELIBATTERYPACKOFEVACCURATELYANDFLEXIBLY，AGATHERINGMODULEFORBATTERYMANAGEMENTSYSTEMONEVISDESIGNEDBASEDONFREESCALEMICROPROCESSORMC9S08DZ60ANDLINEARMUHICELLBATTERYSTACKMONITORLTC6802，INCLUDINGTHEHARDWAREANDSOFTWAREITCANIMPLEMENTREALTIMEDATASAMPLINGOFCELLVOLTAGE，TEMPERATUREANDSPI。CANCOMMUNICATIONTHETESTINDICATESTHATTHESYSTEMPERFORMSEFFECTIVELYANDRELIABLYKEYWORDSEV；BATTERYMANAGEMENT；CANBUS随着电动汽车行业的不断发展，电池系统在电动汽车领域所起的作用越来越重要。目前，为了使电动汽车有更好的驾驶性能和更远的续航里程电池包中往往会使用锂离子电池，并且串接数目高达几十甚至上百串。面对大量的单体电池。有效并可靠地管理便成为电池管理的一个关键。如果把所有的单体电池都由一个模块管理。不但系统设计会非常复杂。产品的可靠性以及灵活程度都会大大降低。为解决这个问题，将若干个单体电池组合成一个模组，每个模组由一个采集模块图1管理，称其为LOCALMODULECONTROLUNIT下文以LMCU代替。有多少模组，就有多少LMCU所有的LMCU再统一由一个上级的控制器CBCUCENTRALBATTERYCONTROLUNIT管理1L。CBCU与LMCU采用CAN总线的方式通信。图2为电池包控制方案图，这种分级式的架构简化了电池包控制问题。图1LMCU采集模块回固困图2电池包控制方案图收稿日期20130807修回日期20130927内部CAN显然，LMCU是直接接触、管理电池的部件，功能和安全都需兼顾。本文设计的LMCU模块能较好地达到要求。1系统总体方案采集模块的核心器件是控制芯片MC9S08DZ60MCU和采集芯片LTC6802。采集芯片可测量多达12个锂离子电池的电压，并且由被采集的锂电池供电，总的测量误差可控制在O25以内。它有两路温度检测输入脚，能够连接2个温度传感器，实现一个模组中两处温度的检测。MCU是一个8位的微处理芯片，能够实现数据运算、逻辑运算和控制处理，主要响应外部指令和处理采集芯片发来的数据。它带有MSCAN模块，通过CAN总线与总线上其它控制器通信。LTC6802和MCU都带有SPI通信模块。二者的数据交换是通过SPI完成的。系统硬件框图如图3所示。紧旺王J盈岔12V。蕾哼P呷盯图3系统硬件框图汽车电器2014年第5期2硬件设计21电源模块整车为采集模块提供12V的电压，而采集模块中的MCU、光耦隔离、信号隔离芯片都需要5V的电源，因此需要电源模块将12V电压转换成5V。电源模块电路如图4所示。BATGNDRAWVOLTDETECT1V2一D8P、VRPPL2VGNDV一C32丰LL图4电源模块图图4中，熔断丝F起保护作用，当有短路或其它情况引起总电流过大时，熔断丝熔断，保护后续电路不受损。二极管D可以防止电源反接对电路中的器件造成损坏。2个去耦小电容C和C刀可以消除高频干扰信号，钽电容C笛和C用来吸收电压波动产生的尖刺，防止电器件被尖峰过电压冲击损坏。D是一个稳压管，当输入过压时，可把电压稳定在电源芯片可承受的范围之内。ACM121L是共模滤波器，它的阻抗值随着信号频率的增加而增大，能有效滤掉高频共模信号，减少传输线的共模发射。TLE4275是电源转换芯片，将DC12V转换成DC5V输出。当有5V输出时，发光二极管D。导通点亮，作为电压输出的指示灯。值得注意的是，CAN通信的可靠、稳定性是非常重要的。在汽车工作环境中，常会有电气噪声，如果CAN收发器的电源也使用普通的5V电源，干扰信号就有可能通过电源线路影响通信。因此在给CAN收发器供电时，要将普通5V隔离转换如图5所示。量ZVOGNDI8莒GNDOU蚕置Z图SCAN电源隔离2。2CAN通信PCA82C250是汽车级的CAN收发器产品，其位速率可高达IMBITS，有出色的电磁抗干扰性。图6为CAN通信电路。MCU的CAN收发引脚分别通过串行数据输入、输出线连接到收发器，收发器通过有差动发送和接收功能的2个总线终端CANH和CANLI汽车电器2O14年第5期连接到总线电缆。R是终端电阻，一般取120N。T是TVS管，在CAN总线或收发器任一端有大电压波动时大电压会导人此元件不致破坏另一端线路，等电压正常时，管子则恢复高阻抗状态。TXDRSGNDCANHVCCCANLRXDVREL图6CAN通信电路2。3温度采集LTC6802会给出3075V的参考电压，检测一个已知电阻和温度传感器对3075V的分压值，上报给MCU，MCU通过分压值计算温度传感器当前的阻值，查表可知对应的温度值。温度采集电路如图7所示。以一路检测为例，LTC6802的5V参考电压输入给运放INA脚，温度传感器一端搭铁，一端连在BATVTEMP2位置，即温度传感器和R共同起分压作用LTC6802的温度电压检测脚也连接在BATVTEMP21置这样就能检测到温度传感器上分得的电压。BATVTEMP2旦12C2LOCALBATGND0UTAINAINAVU1图7温度采集电路V0UTBINBINB873软件设计对采集模块的功能定义主要包括电池电压采集任务、模块温度采集任务、CAN报文发送任务和CAN报文接收任务。电压采集、温度采集、CAN报文发送应用定时器中断的方式来完成任务E3，报文接收则利用CAN接收中断。由于对电压采集的实时性要求较高，该任务周期设定为10MS。温度采集周期设定为50MS，CAN报文100MS发送一次。图8为采集模块软件流程。定时计数功能与CPU并行工作，不占用CPU的工作时间。一方面，主程序完成系统和数据的初始化后，进入一个循环，此后程序开始检测L0MS任务的标识位FLAG_10MS有没有置位，如果置位，则表示10MS的定时时间到了程序会完成电压采集的子任务并清除这个位；如果没有置位，则程序继续往下运行，检测50MS任务的标识位，待完成同样的过程后，检测100MS任务的标志位。与此同时另一方面，实时计数程序启动，在设定了相关控制寄存器后，可以决定计数器的溢出时间和是否允许中断。在本程序中，设定每隔LMS计数器溢出并向CPU发出实时中断请求。MCU,I应中断请求并现场保护后，将当前主程序的图8采集模块软件流程操作打断，进人中断服务程序，把CPU控制权平稳地过渡到中断服务程序。在服务程序中，各个任务的计数值加1当10MS任务的计数值TIME一10MS累加到10时。则表示历经了I0MS，将计数清零并且置位I0MS任务的标识位，以便主程序检测。50MS与100MS计时也同理。4试验验证把采集板连接到一组有12个锂离子单体串联的电池上，使用CANOE随机检测其中6个单体，采样电压结果如图9所示。使用高精度万用表测量对应的单体电压值，对比可得，图9采样电压采集模块的检测值与实测值非常吻合，最大误差仅015，结果如表1所示。表1万用表实测值和对比结果使用CANOE观察采集模块监测的2个温度值，均为24。由于实验室中测量2个温度传感器所处的环境基本一致。因此2个值相同是正常的。用电子温度计测量室温是236，数据相符合。5软件滤波以10A电流对模组放电，观察其中某个单体在50S内的数据，发现电压走势虽然总体在下降，但是会按510S的时间周期呈类似于正弦波的波形在跳动，一周期内的幅值差为30MV左右。说明在充放电过程中设备和大电流对采集模块有干扰。为了抑制干扰采用滑动平均值滤波法对单体电压值滤波。通过长度为的环形队列来得到最近的个采样值。每隔10MS采集到一个新单体电压数据，放人队列的末尾同时丢掉队首最老的数据，保持队列中个数据都是最新的。最后计算个电压的算术均值，作为当前的单体电压值。这样，当前的单体电压值也是10MS更新一次。取值越大当前单体电压值包含早期电压数据的比重也越大，会使采集结果滞后，影响采样的实时性取值太小，滤波效果又不理想。综合考虑本文选取X20作为队列长度。滤波后，仍以10A电流对模组放电，观察同一个单体在50S内的数据，发现很好地消除了单体电压类似于正弦波的波动。波动幅值差大幅减小，44S内的幅值差为16MV，滤波效果较好。6结束语基于灵活、可靠地检测锂电池状态的目的，提出应用采集模块的电池包控制方式。以飞思卡尔的MC9S08DZ60和LTC6802为核心元件进行了采集模块的硬件及软件设计，采用了保护、隔离等方式使系统运行更稳定。在实际验证中，采集模块CAN通信正常，电压和温度的采集精度高，通过滑动平均值滤波法使充放电时的电压采集稳定性提高，功能可靠，满足设计的需求。该采集模块已在本公司自主开发电池包上得以