基于英飞凌TC1784的纯电动汽车电池管理系统设计

　　摘要：为提高纯电动汽车的电池循环使用寿命、保证电池的安全稳定，以英飞凌TC1784单片机为核心，设计一种电池管理系统。系统采集纯电动汽车电池中的各种参数，包括单体电压、单体电流、电池SOC及电池组充放电等信息；利用控制器局域网络总线设计网络接口，实现与外部通信连接；通过LabVIEW平台设计上位机软件，进行系统调试、电池均衡试验与精度测试。试验结果表明：系统测量精度可达0。5左右，各项功能运行可靠稳定，可为纯电动汽车BMS提供一定的应用参考。1引言
　　在提倡节能环保的当今，开发纯电动汽车成为汽车行业的发展趋势〔1〕。针对产品的特点，对电池进行有效的管理，维护电池的安全，降低电池的损耗，具有重要意义与实用价值〔24〕。电池管理简称为BMS，其架构基本相似〔5〕，主要部分包括单体电池数据采集、状态估计及充放电设计等〔67〕。为了延长电池使用，一些研究者设计出一种基于单片机的锂电池管理系统〔8〕，能够有效的对纯电动汽车电池进行管理和使用。根据纯电动汽车的电池布局，电池采用分布式部署，并在纯电动公交上进行实际验证〔910〕。在现有研究成果的基础之上，本研究针对电池循环使用寿命与电池稳定性等问题，采用英飞凌单片机为核心，设计一款具有充放电保护的BMS。在确保硬件设计安全性与可靠性的同时，提高电源管理系统综合管理能力。2结构与功能设计
　　本系统采用集中式BMS设计方案，系统架构如图1所示。在其中，多个锂电池组成单体电池，再由8个单体电池组成一个电池包。电池包加上主控单元（CMU）构成基本功能的BMS。其中单体电池配有一个电池监控单元（BMU）来负责监控单体电压、单体电流、电池温度及电池均衡等参数。CMU的主要功能则包括电池保护、故障报警、故障记录、上行通信、下行通信等。
　　图1BMS集中式系统架构3硬件设计
　　本设计的BMU与CMU分别采用Infineon的TC1782与STM32F103VET6作为独立处理器。BMU采集单体电池的电压、电流与温度等信息，通过SCI与CMU实现数据通信，以及BMU内部的均衡管理。3。1数据通信
　　CAN总线通讯是纯电动汽车主要的通信方式。本系统设计采用CAN通信与RS485通信相结合的方式。选用的主控芯片集成了CAN控制器与RS485接口，为此设计两路CAN。设置CAN1与波特率为250kbs的设备连接，例如：显示器和多合一设备；设置CAN2与波特率为500kbs的设备连接，例如：VCU和MCU。电脑一般没有自带CAN硬件驱动，所以选用RS485转USART进行上位机监控，再通过LabVIEW实时监控BMS输出信号的准确性及SOC估计等功能。3。2CMU设计
　　CMU通过SCI通信实时获得BMU数据，对8组BMU进行保护，并监控数据信息、存储故障记录及外围数据通信。为实现功能，CMU硬件结构包括：单片机最小系统、RS485总线接口、CAN总线接口、SCI总线接口、SPI总线接口以及IO驱动电路等。
　　根据纯电动汽车安全性与可靠性的性能需求，设计采用汽车级的Infineon32位TC1782单片机搭建CMU。该芯片性能强大，总线主频高达180MHz，具有128kB的DFlash与2。5MB的PFlash、2路异步串口（ASC、SCI）、3个同步串口（SSC、SPI）、3路CAN节点的Multican模块、12位的高分辨采集ADC通道。此外还具有隔离保护IO通道。
　　主芯片及外围电路包括电源电路，总线通信电路和驱动电路，共同实现单片机功能，如图2所示。
　　图2TC1784单片机功能图3。3BMU设计
　　BMU硬件主要负责采集电池组各单元模块的电压、电流及温度等信息，兼顾电池组的均衡管理。因此，BMU的设计应包括：单体电压采集模块、单体温度采集模块、电流采集模块、电池均衡接口、CAN总线接口、总电压采集模块等。3。3。1电压采集电路
　　电压采集电路安装在单体电池中，对安全性与稳定性的要求较高。此处采用压控恒流源电路来实现，原理图如图3所示。电路设计采用差动放大电路对共模信号的抑制原理，实现单体电池电压测量。这种差分传输方式，在保证传输稳定的基础上，还能远距离传输，便于实际应用中的数据采集和转换。图中，LM358运算放大器作为核心，通过被检测电压差的单体电池正负极输出得出单体电池电压值。3。3。2温度采集电路
　　图3电压采集原理图
　　温度采集芯片选用高精度集成的LM75传感器，电路如图4所示。该传感器使用高速的IIC接口与控制器通信，可直接访问其内部寄存器，进而进行数据的读写操作。此外也对A0、A1、A2进行了高低电平配置，实现设备的地址设定，方便CPU地址访问。该传感器的温度监测范围为55125，精度达0。125，符合监测环境的工作要求。3。3。3均衡策略
　　BMS实时监控电池电压、电流等参数，再根据SOC算法计算电池电量。如果发现电池不一致，BMS主机会向均衡主控模块发送均衡命令，开启均衡功能。启动均衡功能后，均衡控制策略根据电池SOC、电芯极值、电芯压差等对均衡电路进行控制，将功率从功率最高的单节电芯转移到另一节电芯，等效于一个高功率电池。以此可实现低功率电池充电，并最终平衡电池组中的每个电池。
　　图4温度采集原理图4软件设计
　　BMS软件开发IDE选用TASKING；底层代码基于C语言编写；代码框架基于模块化的程序设计，根据系统的具体功能划分若干子模块。子模块详细包括：CMU与BCU故障自检代码模块、SOC估计代码模块、LabVIEW通信代码模块、上下高压代码模块、故障分析代码模块、故障记录代码模块等。整体软件程序流程设计如图5所示。
　　图5软件流程图
　　针对纯电动汽车的运行环境存在大量干扰的情况，已在硬件系统上进行了EMC抗干扰措施，同时，在软件上也对数据进行了卡尔曼滤波处理与冗余校验及看门狗定时等措施，防止程序跑飞，进一步保障系统稳定性运行。5功能验证5。1上位机监控测试
　　通过LabVIEW平台设计上位机监控试验软件。软件界面如图6所示。为节约试验成本，设计采用预留的RS485接口。利用RS485转USART与PC端连接，通过LabVIEW中的VISA模块实现与外接设备通信；将CAN总线上的数据转发至RS485总线上，从而间接获取CAN总线上的数据。
　　图6LabVIEW监控界面
　　通过RS485总线通信显示在上位机监控软件上的数据可以看出，各个单体电池的电压、电流及温度等模拟信息都在正常范围内变化。单体电池的电压变化范围为3V3。3V，电流在14A左右，温度在24左右。将其中1单体温度传感器升高，能够明显看出故障指示灯变成一级故障，故障记录实时存储故障信息。5。2BMS精度试验
　　通过由LabVIEW平台编写的上位机监控软件采集单体电压、电流、SOC与高精度示波器实际测量值，进行对比，分析在静态工况下搭建的BMS的测量精度。
　　设计使用8个单体电池串联的方式组成一个电池包，连接到CMU。低压上电后一方面通过SCI通信获取实时的单体电压信息，另一方面将CAN总线上的数据转发至RS485总线上，从而实现在上位机上显示与分析。在静态工况下，单体电压、SOC的采集值与实测值的数据比较如图7、图8所示。经数据分析，所设计的单体电池在静态工作下输出电压与SOC最大误差分别为0。35和0。47，小于国际要求最大值0。5，满足BMS静态工作模式要求。
　　动态运行BMS，重点监测SOC的参数状态，能够同时反映单体电池的电压、电流等信息。在BMS放电过程中，设置未进行CMU处理所得到的SOC原始数据，与进行CMU处理后实际SOC曲线和预测SOC进行对比，对比结果如图9所示。可以看出经过CMU处理后的SOC曲线相对平稳且光滑，误差范围在0。5左右，符合国标准则。
　　6结束语
　　所设计的BMS以英飞凌TC1782单片机为核心面，实现了电池管理系统的一整套齐全的功能。BMS的硬件系统与软件程序协调运作，能够胜任纯电动汽车中能源供给的电压、电流、温度采集，同时能计算出SOC实时参数，利用CMU实现上、下行通信，便于数据的采集和外界的通信。通过LabVIEW验证了BMS的通信功能与运行参数采集，结果表明，所设计的BMS系统能够满足预期的精度要求。参考文献：
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