摘要：

電池管理系統(tǒng)（BMS）是新能源汽車電池系統(tǒng)的核心。隨著新能源汽車電池能量密度的提高，其控制算法變得越來越復雜，電池管理系統(tǒng)的工作也更加繁重。為解決這些限制，基于AURIX多核微控制器開發(fā)了電池管理系統(tǒng)的硬件、軟件和控制策略模型。微處理器控制單元采用雙核開發(fā)芯片，滿足功能安全要求。實現(xiàn)了控制策略和個體信息采集雙核處理，提高了處理效率。開發(fā)了電池管理系統(tǒng)的四層軟件架構(gòu)。利用MATLABSimulink實現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)策略模型的圖形化開發(fā)，臺架試驗和實車試驗。結(jié)果表明，開發(fā)的電池管理系統(tǒng)滿足新能源汽車的應用需求。

引言

鋰離子電池在其使用壽命期間需有效且高效地保持良好的性能、注意其運行條件以避免物理損壞、處理熱降解和電池失衡。因此，需要一種高效的電池管理系統(tǒng)（BMS）。電池管理系統(tǒng)是連接動力電池和整車控制單元的橋梁，提高動力電池的利用效率。優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)可以保證動力電池的性能，延長電池壽命，降低維護成本。BMS的基本功能是采集電池信息，包括總電壓、總電流、電芯電壓、電芯溫度等信號，判斷電池故障狀態(tài)，估計電池SOC。全球許多新能源汽車企業(yè)都將電池管理系統(tǒng)視為企業(yè)的核心技術。特斯拉電動汽車的電池來自松下，但其電池管理系統(tǒng)是獨立開發(fā)的。從2008年到2015年，特斯拉的核心知識產(chǎn)權大多與電池管理系統(tǒng)相關。日本豐田普銳斯混合動力電動汽車使用的電池管理系統(tǒng)也是一個獨立開發(fā)的系統(tǒng)。除了傳統(tǒng)功能外，西門子開發(fā)的電池管理系統(tǒng)可以實時跟蹤電池變化，優(yōu)化充電過程。本田在其現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)中增加了車載充電和高壓監(jiān)控等控制功能。BMS由許多組件組成，例如傳感器、控制器和執(zhí)行器。各種研究人員以不同的方式提出了電池管理系統(tǒng)。將BMS的組件分為硬件和軟件結(jié)構(gòu)的角度。根據(jù)通信網(wǎng)絡，BMS可分為分布式電池管理系統(tǒng)和集成電池管理系統(tǒng)。分布式電池管理系統(tǒng)由主控模塊和樣本均衡模塊組成。這兩個模塊通過CAN總線連接。主控模型處理管理策略，獲取高低壓信號。樣品均衡模塊處理電芯電壓和溫度的采集，控制電芯平衡開關。集成電池管理系統(tǒng)只有一個單元，包括主控模型和樣品均衡模塊的功能。隨著低成本和簡潔架構(gòu)的要求，集成電池管理系統(tǒng)越來越受歡迎。傳統(tǒng)的集成電池管理系統(tǒng)通常包含一個微處理芯片。隨著電池組數(shù)的增加，微處理器的工作時間將被電池采樣過程占用。剩下的時間不足以管理戰(zhàn)略的過程。同時，基于BMS策略的模型得到廣泛研究，并增加了大量的迭代計算工作。

本研究基于多核微控制器的研究提出了一種集成電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于大容量電池組。BMS的硬件采用AURIX265+TLF35583芯片開發(fā)，滿足功能安全要求。實現(xiàn)了管理策略和信息采集雙核處理，提高了處理效率。開發(fā)了電池管理系統(tǒng)的四層軟件架構(gòu)來應對雙核處理需求。BMS的管理策略由MatlabSimulink開發(fā)并集成到軟件架構(gòu)中。

整體架構(gòu)BMS的設計

BMS的組成部分從硬件和軟件結(jié)構(gòu)的角度進行分類，如圖1所示。BMS的硬件由傳感器、執(zhí)行器、通信接口、EEPROM和微機系統(tǒng)組成。該軟件由數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計、故障診斷和保護、電池平衡控制、熱管理、充電控制、通信管理、數(shù)據(jù)存儲和校準組成。軟件根據(jù)硬件獲取電池包、電芯和整車數(shù)據(jù)，估計充電狀態(tài)，進行故障報警，限制充放電電流。本文將重點關注BMS微機系統(tǒng)和軟件架構(gòu)的更新，用于管理策略和信息采集的雙核處理。

圖1 BMS基本框架及要點

硬件設計

采用模塊化設計方法設計電池管理系統(tǒng)的硬件，分為微機模塊、電芯管理模塊、數(shù)字驅(qū)動模塊、通信模塊和電池組采集模塊。硬件設計如圖2所示。

圖2電池管理系統(tǒng)硬件平臺

設計了基于AURIX265D和TLF35583的微機模塊。AURIX265芯片是一個雙核32位處理器，最高頻率200MHz，2.5MBFlash和240KBRAM，如圖3所示。具有功耗低、存儲空間大、計算能力強等優(yōu)點。對于BMS的應用，盡量利用了其他芯片資源。在圖3中，PFlash被用于存儲BMS的程序。DFlash應用于EEPROM存儲SOC（充電狀態(tài)）、SOH（健康狀態(tài)）、故障ID和其他必要的實時數(shù)據(jù)的信息。QSPI（QueuedSerialPeripheralInterface）的四個通道用于與TLF35584的電源芯片、BTS724G和DRV8872的數(shù)字驅(qū)動芯片、LTC6820的單元管理芯片進行通信，增強了數(shù)據(jù)采集，提高溝通效率。Multi-CAN用于將通信模塊連接到車輛控制單元和直流充電控制單元。通用模擬通道、數(shù)字通道和脈寬調(diào)制通道應用于實現(xiàn)包采集模塊化。特別是第二個進程核（TC1.6PCPU1）單獨分配給QSPI2進行小區(qū)數(shù)據(jù)采樣，極大地提升了數(shù)據(jù)采集的處理速度，不會被應用請求頻繁中斷。沒有cell數(shù)據(jù)采樣的工作量，第一個進程核心（TC1.6PCPU0）將專注于BMS的pack數(shù)據(jù)采樣和管理策略。

圖3 BMS雙核處理器

電池管理系統(tǒng)的外部供電模塊采用TLF35583，具有電源管理（0.1mA@睡眠模式）、看門狗管理和定時喚醒功能。它集成了兩個帶電流限制的5V電源，可以自我診斷短路故障，確保系統(tǒng)可靠性。多種安全功能可以輕松實現(xiàn)ASIL-D以及各種微控制器。TLF35583的使用資源如圖4所示。

圖4 雙核BMS的電源芯片資源

數(shù)字驅(qū)動模塊用于驅(qū)動BMS的接觸器，如主負接觸器、風扇繼電器、PTC繼電器和電子鎖。采用英飛凌BTS724G，四路高邊驅(qū)動，工作電壓5.5V~40V，單路額定電流3.3A，峰值電流12A。設計了兩個通道的CAN收發(fā)芯片來構(gòu)建通信模塊。電池組采集模塊包括交流充電接口（CC1、CP、NTC1、NTC2）、直流充電接口（CC2、NTC3、NTC4）、電池組總電壓傳感器（BatVolat1、BatVolat2）、總電流傳感器（HALL1、HALL2）和通用DI（ON、ACC和HVIL）。充電接口的標準設計見全球技術標準。電池組電壓傳感器和電流傳感器是根據(jù)電阻分壓原理設計的。特別是本研究采用TI1301系列芯片進行高壓隔離，隔離電壓可達2500VDC，可以滿足電池的全范圍使用。通用DI直接來源于微機模塊。LTC6811和LTC6820用于收集和診斷電池電壓和溫度，以及控制平衡。LTC6811是凌力爾特公司的第四代多節(jié)電池監(jiān)測芯片，可測量12節(jié)串聯(lián)電池的電壓，采集誤差為1.2mV。每個芯片包含三個溫度采集通道，支持10K負溫度系數(shù)電阻。硬件設計示意圖如圖5所示。

圖5  LTC6811與微機模塊的連接LTC6811的尋址特性允許多個器件通過一根雙絞線連接到單個SPI主控器，實質(zhì)上創(chuàng)建了一個大型并行SPI網(wǎng)絡。雙絞線僅在電纜的開頭（主）和末端終止。通常，SPI網(wǎng)絡系統(tǒng)最好限制在緊湊的組件中，以避免過度的SPI脈沖失真和EMC拾取。SPI網(wǎng)絡中的最大設備數(shù)量由串行時序要求嚴格規(guī)定。SPI網(wǎng)絡可以通過隔離柵來回發(fā)送和接收差分脈沖進行通信。這種SPI網(wǎng)絡系統(tǒng)的缺點是，當電池串數(shù)超過100個時，掃描整個電池電壓和溫度的簡單時間超過100毫秒。更重要的是，采樣過程不能中斷。現(xiàn)有的解決方案是添加一個從屬簡單單元或添加另一個低成本的8位芯片用于單元管理。本研究提出了用于單元管理的第二個核心(CPU1)，而不是現(xiàn)有的解決方案。采樣過程不會中斷，采樣時間受CPU0限制。通過這種方式，，集成電池管理系統(tǒng)可以在電池管理策略和電池獲取管理之間進行完美權衡。最后設計了集成電池管理系統(tǒng)，如圖6所示。所開發(fā)的電池管理系統(tǒng)的技術參數(shù)如表1所示。

圖6 集成電池管理系統(tǒng)

表1電池管理系統(tǒng)技術參數(shù)

軟件架構(gòu)設計

為了高效開發(fā)和維護電池管理系統(tǒng)軟件，參考AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）開發(fā)了高性能電池管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。電池管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖7所示。軟件架構(gòu)分為應用層（APP_Layer）、實時環(huán)境（RTE）、基礎軟件（ECU_Layer）和驅(qū)動軟件層（MCU_Layer）。信息通過統(tǒng)一變量在各層之間傳遞和交換。

圖7電池管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在應用層（APP_Layer），利用MatlabSimulink工具設計了電池管理策略六大功能，包括故障診斷、故障保護、狀態(tài)估計、電池平衡控制、熱管理和充電控制。每個策略功能由幾個小的子功能模塊組成，如圖8所示。

圖8 BMS控制策略模型

環(huán)境（RTE）用于在應用層和ECU層之間交換數(shù)據(jù)信息，包括電池組電壓、總電流、故障數(shù)據(jù)、負載驅(qū)動、電芯電壓、電芯溫度、電芯平衡開關等。該軟件在ECU層分為兩部分。設計了一個基于CPU0的部分，命名為ECU0，為應用層的計算服務。另一部分基于CPU1設計，命名為ECU1，用于電池管理（電池電壓、溫度和平衡控制）。ECU0由包數(shù)據(jù)采集軟件、標定協(xié)議、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)存儲組成。兩個處理核心（CPU0&CPU1）有兩個獨立的調(diào)度機。CPU0的計算不受CPU1的影響，通過實時環(huán)境（RTE）進行數(shù)據(jù)交互。驅(qū)動軟件層（MCU_Layer）是微芯片驅(qū)動代碼的子系統(tǒng)，與AURIX265的硬件相關，創(chuàng)建于英飛凌官網(wǎng)。限于篇幅，本文不再贅述實時環(huán)境（RTE）、基礎軟件（ECU_Layer）、驅(qū)動軟件（MCU_Layer）的C代碼。下一節(jié)將在應用層說明電池管理策略的六大功能。

運行策略

本研究中，使用MatlabSimulink工具開發(fā)電池管理策略，如圖8所示。該策略由九個子系統(tǒng)組成，分別是輸入子系統(tǒng)（Input_SubSystem）、狀態(tài)計算子系統(tǒng)（StateCalc）、繼電器子系統(tǒng)（RelayCtrlOpen）、熱控子系統(tǒng)（TherMalCtrl）、診斷子系統(tǒng)（DiagID）、平衡子系統(tǒng)（BMS_subBatBalanceCtrl）、狀態(tài)機子系統(tǒng)(STM)、更改子系統(tǒng)(BMS_subChgCtrl)和輸出子系統(tǒng)(Output)。綠色塊下標有九個子系統(tǒng)，根據(jù)功能需求進行開發(fā)。每個子系統(tǒng)的詳細描述可以在我們之前的論文中找到。雙核電池管理系統(tǒng)的工作流程如圖9所示。CPU0中都有五種工作狀態(tài)，包括上電過程、放電過程、交流充電過程、直流充電過程、工作模式。斷電過程。第二核CPU1由CPU0觸發(fā)，接收平衡指令和數(shù)據(jù)簡單指令，反饋采樣數(shù)據(jù)。通過循環(huán)更新電池信息，CPU0中運行的電池管理策略可以做出更好的決策，以保護電池免受濫用并準確估計電池狀態(tài)。通常，電池的狀態(tài)估計包括電池參數(shù)SOC、SOP和SOH。電池參數(shù)有很多復雜的方法，可以在參考文獻[20]中找到。為了說明性能，使用開路電壓校正和電流積分法估算電池SOC。SOP由電池電壓圖估計，并受故障檢測信息的約束。SOH是根據(jù)累計充電容量估算的，參考歷史壽命數(shù)據(jù)。SOC計算的工作流程已經(jīng)如圖9所示。在CPU0中，當軟件開始運行時，會檢測電池掉電的時間。當電池掉電時間超過兩小時時，開路電壓與電池SOC有顯著對應關系，如圖10所示。如果電池掉電時間小于預定值，則電池SOC從上次斷電前存儲的EEPROM中的值恢復。上電過程中的初始SOC計算公式為：

其中SOC0為初始SOC，SOCEEPROM為從數(shù)據(jù)存儲模塊恢復的SOC。SOCOCV_Correct是根據(jù)開環(huán)電壓和溫度得出的正確SOC，由圖10得出。Toff是電池的斷電時間。

圖9 電池管理系統(tǒng)開關機控制

圖10 開路電壓與SOC之間的電池特性

在正常工作過程中，SOC會以當前的積分方式進行更新。計算過程如下：

η表示當前校正因子，Q0表電池組的容量，是電池溫度T的函數(shù)，SOC表示電池的估計SOC。

電池管理系統(tǒng)測試

所開發(fā)的BMS的運行環(huán)境受到電磁、機械振動和溫濕度的影響。此外，邏輯和策略要服從車輛功能要求的規(guī)律。有必要對BMS進行全面測試。V循環(huán)被普遍認為是汽車電子開發(fā)的完美測試平臺。開發(fā)的BMS已經(jīng)進行了模型在環(huán)測試和硬件在環(huán)測試。CPU0和CPU1中的最小操作周期降至10毫秒。測量管理策略和電池管理代碼的整體運行時間，如表2所示。隨著電池組數(shù)的增加，CPU0的運行時間沒有明顯影響，但CPU1的運行時間增加了?？梢酝茢?，電池管理策略的運行時間受電池單元收集的影響較小。為了驗證BMS產(chǎn)品的可靠性，開發(fā)的BMS應在實際電動車上進行測試，如圖11所示。電動車及相應電池組的規(guī)格如表3所示。

圖11 已開發(fā)BMS的EV

BMS配備93系列電芯，通過放電和充電過程進行測試。對搭載開發(fā)的BMS的電池進行恒流放電，如圖12所示。電池以60A放電，在最小電芯電壓3.0V時停止放電過程.

圖12 BMS恒流控制電池放電

電池的最高溫度隨著放電過程緩慢升高。BMS恒流控制電池充電如圖13所示。電池先用37A充電，再用12A充電。充電過程在最大電池電壓4.2V時停止。電池的最高溫度隨著放電過程緩慢升高。電池組電壓隨著放電過程緩慢增加。特別地，動態(tài)放電過程也在實驗EV（電動汽車）中進行了測試，如圖14所示。開發(fā)的BMS可以動態(tài)收集電池單體和電池組的信息，并同步處理管理策略。開發(fā)的BMS可用于實際工程項目。開發(fā)的BMS計算的總?cè)萘咳绫?/span>4所示。在恒流放電過程中，開發(fā)的BMS從SOC100%~5%計算。對比該電池的正常容量，SOC估計誤差為0.3%。SOC估計誤差為-2.1%。當電池SOC估計誤差小于5%時，估計精度可以滿足新能源汽車的行業(yè)要求。雖然SOC驗證過程非常粗糙，但開發(fā)的BMS的功能得到了有效驗證。

圖13 BMS恒流控制電池充電

圖14 由BMS控制的電池放電動態(tài)電流

結(jié)論

本文提出了一種包括硬件、軟件和管理策略的集成電池管理系統(tǒng)。實際應用和實驗結(jié)果表明，本文設計的電池管理系統(tǒng)能夠滿足實際工程項目的功能需求。微處理器控制單元采用雙核芯片AURIX265+TLF35583開發(fā)，滿足功能安全要求。電池單元采集是使用LTC6811功能安全認證方案開發(fā)的。參考AUTOSAR軟件架構(gòu)，電池管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)為四層軟件架構(gòu)，軟件模塊之間耦合較少。實現(xiàn)了控制策略和個體信息采集雙核處理，提高了處理效率。電池管理策略采用圖形化方法開發(fā)。實車測試結(jié)果表明，電池SOC估算偏差小于5%，估算精度滿足要求。

文章來源：Huang, D., et al. (2019). Battery Management System based on AURIX Multi-Core Architecture. SAE Technical Paper Series.

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