基于OZ890的电池管理模块的研制

摘 要：介绍了一种基于OZ890的混合动力汽车电池管理模块的研制方案，模块包含硬件系统和软件系统两部分，硬件系统包括电源电路、数据采集电路、I2C通信电路、RS 232通信电路、CAN通信电路、通信隔离电路；软件系统包括：数据采集处理程序、CAN发送／接收程序、串口发送／接收程序、SoC估算程序、故障诊断程序、周期中断服务程序、下溢中断服务程序。模块实现了对动力电池的监控和保护。
关键词：电池管理模块；CAN通信；周期中断；下溢中断

0 引 言
    电池管理模块(Battery Management Module)是电动汽车必不可少的核心部件。它能够对蓄电池组进行安全监控和有效管理，提高蓄电池的使用效率和可靠性，延长电池的使用寿命。电池管理模块可以检测混合动力电动汽车电池的充放电电流、总电压、单体电压，估算电池荷电状态(State of Charge)在汽车启动和加速时提供能量，刹车时电池组能回收能量。电池管理技术是电动汽车发展的关键技术之一。

l 电池管理模块的功能
    电池管理模块具有数据采集、电池荷电状态和可用功率估算、电池组均衡控制、热管理、各种通信以及故障诊断功能。
1．1 数据采集
    单体电压的采集使用凹凸科技公司的电池专用采集转换芯片OZ890，它具有13位模／数转换(ADC)模块，可以完成前端单体电压的数据采集任务，1片OZ890最多能够采集13节锂离子电池单体电压或3个模块的镍氢电池模块电压。总电压、电流和温度由TI公司的DSP芯片TMS320LF2407 A来完成，它具有16通道的10位模／数转换(ADC)模块。
1．2 电池SoC估算
    SoC是反映电池性能的重要参数，也是车辆控制系统进行能量输入／输出的判断依据。SoC的准确估算可以保护电池，防止电池的过充过放，同时使整车做出合理的控制策略，达到节能的目的。由于SoC与电池的多个参数有关，且具有较强的非线性，因此SoC的准确估算是目前国内外研究的一个难题。该模块利用卡尔曼滤波法估计SoC，卡尔曼滤波把被估计量作为系统的状态，用系统状态方程来描述状态的转移过程，各时刻之间的状态相关函数，可以根据状态方程的转移特性来描述，解决非平稳随机过程估计的困难。通过实际测量的电池电压与预估SoC建立的观测方程所得到的电压之差，对预估SoC进行修正得到优化估计值，作为当前SoC值。
1．3 电池组均衡控制
    单体电池的容量、内阻等电池参数存在差异，并随时间、温度和放电电流呈现非线性变化，导致电池组的使用寿命比单体平均寿命短很多，通过对电池进行均衡控制可以解决此问题。在充电过程中后期，均衡电路开始工作，对于电池电压过高的单体进行放电，限制单体电池电压不高于充电截止电压，实现了电池组中单体电池荷电状态的平衡，保持相近的荷电程度。
1．4 热管理
    电池在大功率放电和高温条件下使用时，温度会不断上升，当电池温度高于35℃时，电池管理模块控制风扇开启，使电池的温度降低或保持在允许的工作温度范围内。
1．5 通信功能
    通信功能包括：
    (1)I2C通信。DSP可以通过I2C总线来读取OZ890采集转换好的数据和OZ890的状态信息，还可以可通过I2C总线向OZ890写入配置OZ890的工作状态；
    (2)串口通信。DSP通过串口将电池当前的电压、电流、温度等状态参数发送到PC机界面上，还可以通过串口向DSP发送修改电池的相关参数；
    (3)CAN通信。DSP将电池状态参数、故障标志等发给整车控制器HCU，并从HCU接收与电池相关的信息。
1．6 故障诊断
    故障诊断主要是对采集到的电池电压、电流、温度、SoC、绝缘电阻等参数进行分析，判断这些参数是否超出故障阈值，当超过故障阈值达到一定计数时，报警标志置位。DSP通过报警标志可以判断电池发生故障的等级和类型，然后做出保护措施。这是保证动力电池系统可靠工作、车辆行驶安全、满足用户驾车需求的重要技术手段。

2 电池管理模块硬件组成
    电池管理模块硬件由系统供电电路、TMS320LF2407A主控制电路、OZ890单体电压采集电路、I2C通信电路、SCI通信电路、CAN通信电路组成。系统硬件框图如图1所示。

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2．1 电源模块
    整车提供的电源为+12 V，管理模块需要的电压包括：DSP用的+3．3 V，总线驱动等芯片用的+5 V，电流传感器、OZ890等芯片用的±15 V，通过DC-DC转换可以得到各个芯片的供电电压并能起到隔离抗干扰的作用。如图2中所示的整车12 V电源通过12 V转5 V的DC／DC模块转为+5 V。
2．2 OZ890单体电压采集电路
    OZ890芯片内部集成了多路电池单体电压巡检电路，它可以通过I2C总线将转换好的数据发给DSP。OZ890具有自动均衡功能，电路如图3所示。
    图3中BATn和BATn+1为OZ890入口端，RF为限流电阻。可以看出当此节电池单体电压过高时，OZ890的内部控制逻辑就会将控制输出端CBn+1置为高电平，MOSFET导通后利用Rb放电避免电池过充。
    DSP通过两个I／O口可以根据I2C协议模拟I2C通信。I2C总线由SCL和SDA两根线组成。为了防止电磁干扰的影响，I2C总线上的数据传输，需对总线信号进行隔离。利用6N137进行隔离时，SCL为单向传输，DSP作为主设备提供总线时钟，图4为SCL信号光耦隔离电路。

    SDA是双向传输信号，用1个光耦不能达到双向隔离的目的，设计了如图5所示的双向隔离电路。图5中，sDADI作为I2C总线SDA信号的方向控制信号，SDADI高电平时DSP发送数据，低电平时DSP接收数据。

2．3 串口通信电路
    电池管理模块将采集处理后的数据通过串口发送到PC机界面上，从而实现了人机交互。串口界面可以显示电池的总电压、单体电压、电流、SoC、故障状态、充放电功率等参数。在串口界面上通过串口发送指令实现管理系统的在线标定。其硬件电路主要由类似于图4的光耦隔离电路和基于MAX232电平转换电路组成，如图6所示。

    MAX232是+5 V电源的收发器，与计算机串口连接，实现Rs 232接口信号和TTL信号的电平转换，使DSP和PC机能够进行异步串行通讯。
2．4 CAN通信电路
    控制器的局域网(ControlIer Area Network，CAN)是主要用于各种设备监测及控制的一种网络。CAN最初是由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的。CAN具有独特的设计思想，良好功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。其硬件方面主要是通过PCA82C250通用CAN收发器来提供对总线数据的差动发送能力和对通信总线数据的差动接收能力。通过类似图4的光耦隔离电路来加强CAN总线上的抗干扰能力，其硬件电路如图7所示。

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    在电路中可根据整车要求决定加或不加120Ω的终端电阻。当JP201跳线接1脚和2脚时，不加电阻；当接2脚和3脚时，电阻接入。

3 电池管理模块的软件设计
    电池管理模块的软件包括6个应用子程序和3个中断服务程序。6个应用子程序被封装在2个任务中，其中A／D转换处理子程序和I2C读取OZ890中的数据子程序被封装在任务1中；CAN接收子程序、CAN发送子程序、SoC估算子程序、故障诊断子程序、串口发送子程序被封装在任务2中。3个中断服务子程序包括Timerl周期中断服务子程序、Timer1下溢中断子程序、串口接收中断子程序。软件流程图如图8所示。
    根据整车控制策略，CAN上电池状态数据每帧的刷新周期为10 ms，设置周期中断的时钟节拍为10ms；相应地设置以上所有应用子程序的执行周期均为10 ms。如图9所示。

    系统初始化完成以后，Timel开始计时，进入系统主循环，判断任务1开始信号是否为1。由于任务1和任务2的开始信号初始化值均为0，系统等待中断发生，如图9中所示。当5 ms时，在A点发生周期中断，然后进入周期中断子程序，将任务1开始信号置1，开始执行任务1中的所有程序，执行完毕后将任务1开始信号清0。系统进入等待状态，在10 ms时发生下溢中断，进入下溢中断服务子程序，将任务2的开始信号置1，任务2开始执行，任务2所有子程序执行完毕后，任务2开始信号清0，系统进入等待状态，等待下一次中断的发生。利用周期中断和下溢中断来划分任务执行时间区域能够确定关键时间点上执行所需要的程序，保证了每一个子程序在10 ms内都被执行1次，每一个程序时间也都能通过计数器和标志位的状态来计算任务的执行时间，可以更好地分配任务的执行时间段。

4 结 语
    基于OZ890的电池管理模块，在单体电压的采集精度、采集速度、硬件成本等方面都有很大优势。OZ890自带的均衡控制功能还解决了电池单体电压不均衡造成的过充问题，DSP强大的数据处理能力和高效的软件系统可以满足混合动力汽车电池管理的要求，在实际应用中取得了良好的效果。