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[2-4]。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[6-7] 。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[9-10] 。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 1 BMS 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 250 kb/s 的设备连接，例如：显示器和多合一设备； 设置 CAN2 与波特率为 500 kb/s 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。 3.2 CMU 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 I/O 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 Infineon 32位TC1782 单片机搭 建 CMU 。该芯片性能强大，总线主频高达 180 MHz， 具有 128 kB的D -Flash与 2.5 MB的P -Flash、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 I/O 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 2 TC1784 单片机功能图3.3 BMU 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   LM 75 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-55 ℃~125 ℃，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 6 LabVIEW 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 3 V~3.3 V，电流在 14 A 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。 5.2 BMS 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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