论文摘要：表示电动汽车电池组的工作状态参数指标是：电池电压、工作电流和电池的温度。本文构建了基于单片机芯片MC9S12DG128与FPGA的电池管理系统，实现了数据监测、电池均衡、安全管理、荷电状态（SOC）　估计、局域网（CAN）　通信等功能。详细介绍了使用这种系统模块的电池包的分布式结构特点，电池管理模块的CAN总线接口，硬件和软件功能设计。

　　论文关键词：电动汽车，电池管理系统

　　1.引言

　　车用动力电池的安全性、使用成本以及续航里程一直是影响电动汽车推广应用的主要因素。在现有电池技术的基础上，一个有效的电池管理系统能对车用动力电池进行保护、延长其使用寿命、提高续航里程并降低其使用成本，是加速电动汽车发展的一项非常关键的技术。电池管理系统的核心？？荷电状态SOC（stateofcharge）估计，则是重中之重。本文利用现场可编程门阵列FPGA改进了现有的用模拟多路开关来采集电池信息，提高了采集速度，并扩展了采集电池的个数。

　　2.电动汽车电池组管理系统方案

　　动力电池组是由400只标称电压为3.2V、容量为11A的单体锂离子电池采用4并100串的方式组成的动力电池组。电压检测采用分布式检测法，即将电池分为几组，采用多套检测电路分时检测每4个并联单体电池。这种检测技术比较直观，为了检测每只电池的电压，需要将每只电池的电压信号引入检测设备，采用多通道切换的技术，即通过开关器件把多节单体电池的电压信号切换到同一个信号处理电路。“开关切换”动态地改变了参考点，保证每次测量都是一个单体电池的端电压；而差分输入则保证了电池组与检测电路不供地，虽然没有做到全隔离，但比供地连接要安全。利用CAN总线进行通讯。整个电池管理系统的设计采用模块化设计思路，按功能可以分为控制电路和信号采集电路两大部分，如图1所示

　　图1电池管理系统总体结构框图

　　2.1控制电路设计

　　控制电路综合采集到的电压、电流、温度信息，对电池进行SOC估算，通过CAN总线接口与上位机及整车控制系统进行通信。

　　MC9S12DG128属于高性能的16位微控制器HC12系列，中央处理单元为16位HCS12CPU。具有2通道SPI，2通道SCI，一个8通道16位增强型捕捉定时器，一个8通道8位或4通道16位PWM，2个8通道10位ADC，2个MSCAN模块和一个IC总线，另外MC9S12DG128还包括29个独立的数字I/O口，其中20个I/O口具有中断和唤醒的功能。

　　因此，采用MC9S12DG128芯片作为主控制器，可以充分利用其片上资源丰富、采集和处理数据速度快的优点，从而可以实现复杂的算法及准确的估算SOC，有效解决基于传统单片机的电池管理系统资源有限，算法简单的问题。

　　2.2通讯接口设计

　　在本系统中，CAN总线智能节点电路由MC9S12DG128内置模块CAN控制模块，CAN总线驱动器PCA82C250和高速光耦6N137，可实现数据的CAN总线的通讯。它的设计图如2所示。

　　图2CAN总线智能节点电路

　　Fig.2IntelligentinterfacecircuitforCANbus

　　PCA82C250作为CAN协议控制器和物理总线间的接口，满足汽车中高速通讯速率1Mbps的设计要求。对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，符合IS011898［3］标准。PCA82C250具有抗汽车环境中的瞬间干扰、保护总线能力，其斜率控制可降低射频干扰（RFI）。作为差分接收器，抗宽范围的共模干扰和电磁干扰（EMI）。

　　2.3均衡模块的设计

　　当电动车电池组由多个单体电池串联使用时，即使单节电池的性能优良，但配组使用的各单体电池特性不一致，会导致电池组内部各单体电池过充和过放情况的严重不一致，从而影响到整个电池组的品质。

　　为解决上述问题，典型的方法是利用发热电阻旁路分流均衡法。即为每节单体电池配上一个放电平衡电阻，当某电池电压高于其他电池超过设定值时，MCU控制的多路开关合上，此节通过放电平衡电阻分流，使电池电压下降，如此反复循环使得电池组各单体电池能平衡充电。

　　2.4安全模块的设计

　　电动汽车动力电池组的总电压一般在300V以上，因此安全控制模块是必不可少的。

　　如图3所示，这个安全管理器主要有有四个参数：BAT＋，BAT－，HV＋，HV－，管理着3个继电器S1、S2、S3，R为预充电电阻。此系统主要通过测量以上四个参数的变化来判断电池安全情况，通过开关继电器进行管理。利用正负母线对地的接地电阻产生的漏电流，来测量母线对地的接地电阻大小，从而判别母线的接地故障。这一技术无须在母线上叠加任何信号，对直流母线供电不会有任何不良影响，并且可以彻底根除由母线对地分布电容所引起的误判与漏判。

　　图3安全管理控制器

　　Fig.3Safetycontroller

　　3.SOC的预测

　　电池荷电状态SOC描述电池状态的重要参数，进行SOC预测的方法主要有开路电压法、负载电压法、Ah法、直流内阻法等，如果有大量数据还可以建立电池模型，用自适应的控制计算方法。本设计以Ah法为主，配合负载电压法和内阻法对SOC进行估测。

　　电池充放电容量与充放电电流ｉ的关系为：

　　（1）

　　只要实时监控电池充／放电电流，然后在时域上积分，就可以得到该时间段△t上，电池容量的变化量q。只要知道初时容量，则剩余容量为：

　　（2）

　　对SOC预测有影响的因素从大到小分别为：放电电流、温度、老化、自放电。因此定义剩余容量为标准温度下一定电流下的剩余容量：

　　（3）

　　（4）

　　其中为标准温度下标准放电电流释放的总电量；为实际使用电量折合为标准温度下标准放电电流放电时的电量；为电流修正系数，代表标准温度下，以标准电流I放电放出的电量与以不同放电电流ｉ放电电流放出的电量之比，代表温度修正系数。由于电池老化对剩余容量的影响，并不等于蓄电池标称容量q，它们有这样的关系：

　　（5）

　　测量蓄电池在标准条件下从充满状态放电到截止电压所放出的电量然后除以它的标称容量，便得到SOH。这种方法直接从定义出发，容易理解：

　　（6）

　　将（4）（5）式代入SOC定义式则：

　　4.软件设计

　　本系统的软件按功能分为3个部分：底层ECU的数据采集与控制、主控ECU的管理、整个系统的CAN通信。如图4为底层ECU软件流程图。

　　图4底层ECU程序流程图

　　Fig.4ProgramflowchartofECU（Slave）

　　系统根据三个标志位的置位进行温度与电压的采集，采集到的电压数据由CAN总线通讯。

　　5.结论

　　本文应用单片机、FPGA和CAN总线等先进技术研究了一种分布式的电池管理系统，实现了数据采集、SOC估计、CAN通信等功能。在codewarrior与quartus软件上，对本系统的硬件和软件进行了调试，本系统具有较高的预测精度和较强的实用性，是可望应用于电动汽车领域中的电池管理系统。

　　参考文献

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