本設(shè)計(jì)重要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)計(jì)算、均衡控制、熱管理、各種通信以及故障診斷等功能。

電池管理系統(tǒng)硬件組成

電池管理系統(tǒng)電路由電源模塊、DSp芯片TMS320LF2407A(簡稱為“LF2407”)、基于多個(gè)OZ890的數(shù)據(jù)采集模塊、I2C通信模塊、SCI通信模塊、CAN通信模塊組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件組成框圖

1、電源模塊

整車供應(yīng)的電源為+12V，管理系統(tǒng)要的電壓包括：+3.3V(DSp，隔離電路用)、+5V(總線驅(qū)動(dòng)等芯片用)、±15V(電流傳感器)，可以通過DC-DC轉(zhuǎn)換得到，這樣不但可以滿足各個(gè)芯片的供電要求而且可以起到隔離抗干擾的用途。

2、數(shù)據(jù)采集模塊

由DSp完成總電壓、電流及溫度的采集。電池單體電壓的采集和均衡由OZ890芯片完成，并利用I2C總線發(fā)給DSp，本模塊電路重要包括前端采集處理和均衡電路。

3、I2C通信模塊

OZ890采樣模塊將采集處理后的數(shù)據(jù)通過I2C總線發(fā)送到LF2407，由于LF2407自身不帶I2C接口，本設(shè)計(jì)利用pCA9564[4]擴(kuò)展其I2C接口。為了防止電磁干擾影響I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸，必須對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行隔離，考慮到I2C總線是雙向傳輸?shù)?，使用ADuM1250雙向隔離芯片進(jìn)行隔離。pCA9564及雙向隔離電路如圖2所示。

圖2pCA9564及雙向隔離電路

pCA9564是I2C總線擴(kuò)展器，與LF2407的GpIO口相連，它支持主從模式的數(shù)據(jù)收發(fā)，在BMS中設(shè)定LF2407為主器件，OZ890位從器件。LF2407通過讀寫pCA9564內(nèi)部四個(gè)寄存器的內(nèi)容來與OZ890通信。

ADuM1250是熱插拔數(shù)字隔離器，包含與I2C接口兼容的非閂鎖、雙向通信通道。這樣就不要將I2C信號(hào)分成發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)供單獨(dú)的光電耦合器使用。

4、串口通信模塊

電池管理系統(tǒng)將采集處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到pC機(jī)界面上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過串口界面，可以觀察到電池的總電壓、單體電壓、電流、SOC、故障狀態(tài)、充放電功率等參數(shù)，還可以通過串口發(fā)送實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的在線標(biāo)定。其硬件電路重要基于MAX232芯片，如圖3a)所示。

圖3串口通信接口電路

MAX232是+5V電源的收發(fā)器，與計(jì)算機(jī)串口連接，實(shí)現(xiàn)RS-232接口信號(hào)和TTL信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，使BMS和pC機(jī)能夠進(jìn)行異步串行通訊。為了防止電磁干擾影響串口上數(shù)據(jù)的傳輸，必須對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行隔離。串口是單向傳輸，所以利用6N137光電耦合較為方便，圖3b)所示為232TXD信號(hào)光耦隔離電路。

5、CAN通信模塊

CAN通信是架接電池管理系統(tǒng)(BMS)與整車HCU之間的信息橋梁，BMS將電池的狀態(tài)參數(shù)通過CAN總線發(fā)給HCU，HCU通過判斷當(dāng)前的電池狀態(tài)來做出決策，分配電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的功率，控制電池的充放電。同時(shí)BMS還可以接收HCU發(fā)來的相關(guān)命令，做出相應(yīng)的處理。其硬件方面重要是通過pCA82C250通用CAN收發(fā)器來供應(yīng)對(duì)總線數(shù)據(jù)的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)通信總線數(shù)據(jù)的差動(dòng)接收能力。通過類似于圖3b)的光耦隔離電路來加強(qiáng)CAN總線上的抗干擾能力。其硬件電路由圖4所示。

圖4CAN通信接口電路

在電路中可根據(jù)整車要求，是否接入120Ω的終端電阻，當(dāng)Jp201跳線接1腳和2腳時(shí)，不接入電阻，當(dāng)接2腳和3腳時(shí)，電阻接入。

電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括6個(gè)任務(wù)和5個(gè)中斷。6個(gè)任務(wù)包括：AD轉(zhuǎn)換處理任務(wù)(包括讀取OZ890中的數(shù)據(jù))、CAN接收任務(wù)、CAN發(fā)送任務(wù)、SOC計(jì)算任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視故障診斷任務(wù)和串口發(fā)送任務(wù)。5個(gè)中斷包括：AD采集中斷服務(wù)子程序、Timer1下溢中斷服務(wù)子程序、周期中斷子程序、CAN總線接收中斷服務(wù)子程序和串口接收中斷服務(wù)子程序，如下面的中斷向量表所示：

.ref_c_int0

.ref_ADC；_INT2；_INT5

.sect".vectors"

rset:B_c_int0；00hreset

int1:BADC；02hADC

int2:B_INT2；04h周期、下溢中斷

int3:Bint3；06hINT3

int4:Bint4；08hINT4

int5:B_INT5；0AhCAN,SCI

int6:Bint6；0ChINT6

根據(jù)整車控制策略，CAN上電池狀態(tài)數(shù)據(jù)每幀的刷新周期為10ms，故設(shè)置周期中斷的時(shí)鐘節(jié)拍為10ms；相應(yīng)地設(shè)置以上幾個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期均為10ms。

圖5周期時(shí)鐘節(jié)拍圖

從圖5中可以看出，系統(tǒng)初始化完成以后，Time1開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到5ms時(shí)，在A點(diǎn)發(fā)生周期中斷，然后進(jìn)入周期中斷子程序，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，通過I2C總線讀取OZ890中的數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換完畢后，軟件觸發(fā)ADC中斷保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理，清除周期中斷標(biāo)志。當(dāng)達(dá)到10ms時(shí)，發(fā)生下溢中斷，進(jìn)入下溢中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行CAN發(fā)送任務(wù)、SOC計(jì)算任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視故障診斷任務(wù)、串口發(fā)送任務(wù)。另外，CAN接收和串口接收?qǐng)?zhí)行采用中斷觸發(fā)方式。利用周期中斷和下溢中斷來劃分任務(wù)執(zhí)行時(shí)間區(qū)域不僅能夠滿足整車10ms

每幀數(shù)據(jù)的CAN發(fā)送要求，而且每一個(gè)任務(wù)時(shí)間也都能通過計(jì)數(shù)器和標(biāo)志位的狀態(tài)來計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，以便更好的分配任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間段。

結(jié)論

電池管理系統(tǒng)采用了DSp+OZ890的結(jié)構(gòu)，加之相應(yīng)的抗干擾措施，具有高性能、低成本等特點(diǎn)。由于采用了專門的電池采樣芯片OZ890，提高了采樣精度、解決了電池單體電壓不均衡造成的過充問題。同時(shí)使硬件的開發(fā)周期大大縮短，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

使用OZ890電池采樣芯片測(cè)量電池?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)使用pCA9564擴(kuò)展LF2407的I2C接口，實(shí)現(xiàn)了LF2407與OZ890之間的通信。