电动汽车电池监测终端设计

电动汽车电池监测终端设计

动力电池的使用寿命是限制电动汽车开发的主要原因之一。据统计,使用三年以上的铅蓄电池有1‰~10‰失效,电池的过充与过放、过高的使用温度以及使用过程中出现的电池不一致性都是影响电池使用寿命的重要因素。实时、准确地监测电池电压、电流和温度,合理评估电池运行状态,能够有效避免上述情形,从而延长电池的使用寿命。图1所示为典型的电池管理系统结构,限于篇幅,本文仅针对其中的电池监测终端进行设计和优化。通过合理选择元件,简化硬件电路的同时,使监测终端能具有较宽的工作温度范围和较好的电磁兼容特性。各电池终端通过LIN(localinterconnectnetwork)网络与中央管理单元实现信息通信,以节省成本。1硬件设计1.1单体电池电压接入电路简化的电路结构示意图如图2所示。电池组电压、电流和温度分别通过MM912J637VSENSE、ISENSEL和ISENSEH、VTEMP引脚完成测量。当需要在充、放电过程中对单体电池进行均衡控制或对单体电池运行状态进行诊断时,需测得每块电池的实时电压,此时可通过PTB3引脚使能单体电池电压测量。当PTB3为1时,选通模拟多路复用开关ADG5207,由PTB2~PTB0发出通道选址信号,确定哪一路单体电池电压接入电路。由于MM912J637对5~18V的电压具有较高测量精度,且其检测电压为单端输入,而铅酸电池单体标称电压为2V,且其输出方式为双端差分方式,因此单体电池电压通过差分放大器INA149实现双端/单端变化及电平偏移后送入VOPT引脚测量。电池总电压通过限流电阻R1接入VSENSE端。常见的铅蓄电池组是由6节2V的单体电池构成的,标称总电压为12V,当R1选取2.2kΩ电阻时,可保证电压通道的最小测量精度为0.5mV。电池电流通过外接在电池负极和车辆底盘之间的分流器R2测得,当R2取100μΩ时,可实现200A的最大电流测量范围。单节铅蓄电池的电压范围在1.8~2.3V之间,因此在单位增益放大器INA149的REFA、REFB引脚设置4V偏置电压,可使输入到VOPT引脚的电压在5V以上,从而保证电压测量精度。TSUP引脚为外部的温度传感器提供1.2V的供电电压,R6为外部的温度传感器,其阻值的变化会线性变换为VTEMP引脚电位,从而测得电池的温度。1.2汽车安全性测试电池监测系统作为电动汽车的一部分,工作环境较为恶劣。电动机、充电均衡器、供电系统继电器、可控硅等都可能产生大的电流冲击,通过数据传输线、电源及空间辐射对诊断系统的A/D、D/A变换器、单片机、弱信号放大器等形成较强的电磁干扰。系统中硬件设计上采取抗干扰措施主要有:(1)选用具有较好电池兼容特性的元器件智能传感器MM912J637高度集成3通道高精度二阶ΣΔADC、S12CPU及LIN收发器,在-40~125℃完全满足AEC-Q100汽车用集成电路标准,达到最高的汽车工业电池兼容特性。三路ADC通道集成SINC3+IIR+LPF滤波器,降低软件复杂度的同时,滤除了采集数据的干扰信号。ADG5207为高压防闩锁型8通道差分多路复用器,输入引脚设有ESD保护电路,最高承受2kV的ESD电压,可对电路起到有效的保护作用。单位增益放大器INA149为面向高共模电压应用的高精度放大器,最高可承受275V共模电压,最小共模抑制比为90dB,因此电路中不必额外增加隔离电路来克服单体电池不共地带来的高共模电压的影响,同时对输入回路中的共模干扰起到很好的抑制作用。(2)电源供电为了提高电路的抗干扰能力,电路中使用专用于汽车环境的稳压器NCV47701为INA149供电,而MM912J637内部也集成了专用调压器为其内部的模拟数据采集通道和CPU供电,从而保证A/D、放大器、CPU等关键器件的供电稳定。同时各部件的电源端均设置了电源退耦电容,如图2中的C1、C2、C6~C10,可进一步提高电路的抗干扰特性。(3)PCB布局布线在PCB布局布线时,为提高电路的电磁兼容特性采取的主要措施有:通过多点接地降低地线阻抗;数字地与模拟地分开最终单点接地,以消除地电路经过公共阻抗产生的干扰;加宽电源线宽度,以减小电源线的高频阻抗;退耦电容尽量靠近对应的电源引脚;晶振紧靠CPU的时钟引脚。2数据收集2.1测量过程校准MM912J637电压、电流、温度采集通道均设有增益补偿和偏移补偿环节,补偿值在厂家对器件最后测试时,存储在闪存中的信息存储区(IFR)中。为了确保器件在较宽的温度范围均有较高的测量精度,电流和电压通道的增益补偿,含室温(25℃)下的补偿值、及在低温(-40℃)和高温(125℃)下相对于室温的调整量,由此作线性运算可确定任意温度下的电压增益补偿值和电流增益补偿值,因此可随时根据器件温度对采集通道进行校准。校准过程如下:(1)系统启动后,首先建立温度补偿查找表,确定不同温度与不同增益补偿对应关系。本应用中,以5℃为校准温阶,即每隔5℃获取一个计算值,分别建立ISENSE、VSENSE、VOPT通道的增益补偿查找表。(2)设置VSENSE/VOPT通道的偏置补偿与温度采集通道的增益和偏置补偿(COMP_VOS、COMP_VOO、COMP_CHOP、COMP_VOO_CHOP、COMP_ITO、COMP_ITG),其值已在出厂时存储在IFR中,对应复制到相应的寄存器中。(3)增益可编程放大器(PGA)调零,并启动内部温度测量(ACQ_CTL寄存器ITMENM位置1)。(4)温度测量结束(ACQ_SR寄存器ITM位为1),根据温度测量值及之前建立的查找表确定电流通道和电压通道的增益补偿值并更新。(5)使能温度校准中断,根据查找表和当前温度值设置触发该中断的温度阈值(TCMAX、TCMIN)。(6)当检测到的温度超过设定阈值时,产生温度校准中断,重复步骤(4)和(5)的操作。2.2采集控制横向转换控制电压MM912J637提供了三个数据采集通道。其中VSENSE(电池组电压)和VOPT(单体电池电压)共用电压采集通道,外部温度传感器VTEMP(用于测量电池温度)和内部温度传感器(用于采集通道温度校准)共用温度采集通道,另一个通道用于电流测量。通过设置采集控制寄存器(ACQ_CTL)VMEN、CMEN、ETMEN和ITMEN位,可启动或停止电压、电流、内温、外温测量。测量结果分别存放在ACQ_VOLT、ACQ_CURR、ACQ_ETEMP和ACQ_ITEMP寄存器中,读取这些存储器可分别获得当前的电压、电流及温度。测量单体电池的电压时,需要通过设置采集控制寄存器(ACQ_CTL)VPTE位切换电压通道测量源(VOPT或VSENSE)。同时需要注意,由于多路开关导通和截止需要一定时间,通道切换时,应首先禁能多路开关关断所有通道,更换通道选址信息后再使能多路开关,避免直接更换选址信息而出现两路开关同时导通导致的电源短路。通道切换需要一定时间,送到VOPT端的单体电池电压需要一定建立时间,因此切换通道后,应适当延时再读取电压采集寄存器ACQ_VOLT中的电压值,确保测量数据的准确性。3电池soc估计算法电池的荷电状态(SOC)反映了电池的剩余电量,可预测电动汽车的续驶里程。SOC定义为剩余电量与标称容量之比,当电池充电到不能再吸收电量时的SOC为100%,电池不能放出电量时的SOC为0%。安时法简单易用、算法稳定,是众多SOC估计算法中较为常用一种,其基本工作原理如式(1)所示。式中:SOC0为初始荷电状态;h为电池的库仑效率;C为电池总容量;I为放电电流。但该方法存在初始荷电状态难于估计,库仑效率难于准确测量及非常温状态SOC估计误差较大等缺点。本文采用文献提出的开路电压法、安时法、卡尔曼滤波法相结合的SOC估计算法,以有效克服上述缺点。该算法基本原理如下:(1)在时刻t0,用开路电压法测初始SOC,记为SOC0;(2)在时间段t0~t1,使用Kalman滤波法,以SOC0为初值向真值收敛,在时刻t1的估计值记为SOC1;(3)在后续时刻t,以SOC1为初值,使用安时计量法,即式(1)估计电池SOC。由于库仑效率h受温度和电流的影响,而容量C受温度及老化的影响,为了提高估计精度,计算时使用折算的库仑效率hE和实时估计的容量CA代替式(1)中的h和C。由于MM912J637片内已集成安时计数器,硬件电路已实现电池电流、电压、温度的精确测量,因此上述算法极易实现。4lin从机驱动执行流程LIN网络是单主通信系统,由一个主机节点和不多于10个的从机节点组成。主机节点同时运行主任务和从任务,从机节点运行从机任务,其主从通信模式如图3所示。MM912J637内部集成SCI模块,支持同步间隔检测和跳边沿检测,并产生中断,因此LIN通信大部分操作均可由硬件(SCI模块)完成。按照图3所示的LIN的通信原理,LIN从机驱动的基本执行流程如下:(1)使能LIN同步间隔中断,使能串行发送中断。禁能串口接收中断,禁能RX跳变沿检测中断,将RX跳变沿检测设置为上升沿检测,串口通信设置为8位模式。(2)当检测到同步间隔时,产生LIN同步间隔中断,此时使能RX跳变沿检测中断,禁能同步间隔检测中断。(3)第一次产生RX跳变沿检测中断时,使能定时器TIM1,第五次产生RX跳变沿中断时,禁能定时器TIM1,并据定时器的计数值设置波特率。(4)使能串行接收中断,禁能RX跳变沿检测中断。(5)第一次产生串行接收中断时,读取串口寄存器SCID,获取报文ID,据报文ID通过串行收发中断收发LIN信息帧中的响应场后再回到步骤(1)。5监测对象的选择以MM912J637为核心设计了电动汽车电池监测