基于FPGA的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　車用動(dòng)力電池的安全性、使用成本以及續(xù)航里程一直是影響電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的主要因素。在現(xiàn)有電池技術(shù)的基礎(chǔ)上，一個(gè)有效的電池管理系統(tǒng)能對(duì)車用動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù)、延長(zhǎng)其使用壽命、提高續(xù)航里程并降低其使用成本，是加速電動(dòng)汽車發(fā)展的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)。電池管理系統(tǒng)的核心荷電狀態(tài)SOC（State of Charge）估計(jì)則是重中之重［１］。本文利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA改進(jìn)了現(xiàn)有的模擬多路開關(guān)采集電池信息，提高了采集速度，并擴(kuò)展了采集電池的個(gè)數(shù)。
　　1 電動(dòng)汽車電池組管理系統(tǒng)方案
　　動(dòng)力電池組是由400個(gè)3.2 V標(biāo)稱電壓、容量11 A的單體鋰離子電池，采用4并100串的方式組成的動(dòng)力電池組。電壓檢測(cè)采用分布式檢測(cè)法，即將電池分為幾組，采用多套檢測(cè)電路分時(shí)檢測(cè)每4個(gè)并聯(lián)單體電池。這種檢測(cè)技術(shù)比較直觀，為了檢測(cè)每個(gè)電池的電壓，需要將每個(gè)電池的電壓信號(hào)引入檢測(cè)設(shè)備，采用多通道切換技術(shù)，即通過開關(guān)器件把多節(jié)單體電池的電壓信號(hào)切換到同一個(gè)信號(hào)處理電路?！伴_關(guān)切換”動(dòng)態(tài)地改變了參考點(diǎn)，保證每次測(cè)量都是一個(gè)單體電池的端電壓；而差分輸入則保證了電池組與檢測(cè)電路不共地，雖然沒有做到全隔離，但比共地連接要安全［２］。利用CAN總線進(jìn)行通信。整個(gè)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，按功能可以分為控制電路和信號(hào)采集電路兩大部分，如圖1所示。
　　
　　1．1控制電路設(shè)計(jì)
　　控制電路綜合采集到的電壓、電流、溫度信息，對(duì)電池進(jìn)行SOC估算，通過CAN總線接口與上位機(jī)及整車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。
　　MC9S12DG128屬于高性能的16 bit微控制器HC12系列，中央處理單元為16 bit HCS12 CPU。具有2通道SPI，2通道SCI，一個(gè)8通道16 bit增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，一個(gè)8通道8 bit或4通道16 bit PWM，兩個(gè)8通道10 bit ADC，兩個(gè)MSCAN模塊和一個(gè)I2C總線。另外MC9S12DG128還包括29個(gè)獨(dú)立的數(shù)字I/O口，其中20個(gè)I/O口具有中斷和喚醒的功能。
　　因此，采用MC9S12DG128芯片作為主控制器可以充分利用其片上資源豐富、采集和處理數(shù)據(jù)速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法及準(zhǔn)確的估算SOC，有效解決基于傳統(tǒng)單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)資源有限，算法簡(jiǎn)單的問題。
　　1．2通信接口設(shè)計(jì)
　　在本系統(tǒng)中，CAN總線智能節(jié)點(diǎn)電路由MC9S12DG128內(nèi)置模塊CAN控制模塊，CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250和高速光耦6N137，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在CAN總線的通信。其設(shè)計(jì)圖如2所示。
　　
　　PCA82C250作為CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口，滿足汽車中高速通信速率1 Mb/s［3］的設(shè)計(jì)要求。具有對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，及對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收的能力，符合ISO11898［4］標(biāo)準(zhǔn)。PCA82C250還具有抗汽車環(huán)境中的瞬間干擾、保護(hù)總線能力，其斜率控制可降低射頻干擾（RFI）。作為差分接收器，能夠抗寬范圍的共模干擾和電磁干擾（EMI）。
　　1．3 均衡模塊的設(shè)計(jì)
　　當(dāng)電動(dòng)車電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí)，即使單節(jié)電池的性能優(yōu)良，但由于配組使用的各單體電池特性不一致，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池過充和過放情況的嚴(yán)重不一致，從而影響整個(gè)電池組的品質(zhì)［5］。
　　為解決上述問題，典型的方法是利用發(fā)熱電阻旁路分流均衡法。即為每節(jié)單體電池配備一個(gè)放電平衡電阻，當(dāng)某電池電壓高于其他電池超過設(shè)定值時(shí)，MCU控制的多路開關(guān)閉合，此節(jié)通過放電平衡電阻分流，使電池電壓下降，如此反復(fù)循環(huán)使得電池組各單體電池能平衡充電。
　　1．4 安全模塊的設(shè)計(jì)
　　電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的總電壓一般在300 V以上，　因此安全控制模塊是必不可少的［6］。
　　圖3所示中安全管理器主要有4個(gè)參數(shù)：BAT＋、BAT－、HV＋、HV－，管理著三個(gè)繼電器S1、S2、S3，R為預(yù)充電電阻。此系統(tǒng)主要通過測(cè)量以上4個(gè)參數(shù)的變化來判斷電池安全情況，通過開關(guān)繼電器進(jìn)行管理。利用正負(fù)母線對(duì)地的接地電阻產(chǎn)生的漏電流，來測(cè)量母線對(duì)地的接地電阻大小，從而判別母線的接地故障。這一技術(shù)無需在母線上疊加任何信號(hào)，對(duì)直流母線供電不會(huì)有任何不良影響，并且可以徹底根除由母線對(duì)地分布電容所引起的誤判與漏判。