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(lái)越復(fù)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(kāi)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(kāi)發(fā)芯片，滿足功能安全要求。實(shí)現(xiàn)了控制策略和個(gè)體信息采集雙核處理，提高了處理效率。開(kāi)發(fā)了電池管理系統(tǒng)的四層軟件架構(gòu)。利用MATLABSimulink實(shí)現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)策略模型的圖形化開(kāi)發(fā)，臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)。結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的電池管理系統(tǒng)滿足新能源汽車的應(yīng)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(yùn)行條件以避免物理?yè)p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(dòng)力電池和整車控制單元的橋梁，提高動(dòng)力電池的利用效率。優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)可以保證動(dòng)力電池的性能，延長(zhǎng)電池壽命，降低維護(hù)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(hào)，判斷電池故障狀態(tài)，估計(jì)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(shù)。特斯拉電動(dòng)汽車的電池來(lái)自松下，但其電池管理系統(tǒng)是獨(dú)立開(kāi)發(fā)的。從2008年到2015年，特斯拉的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)大多與電池管理系統(tǒng)相關(guān)。日本豐田普銳斯混合動(dòng)力電動(dòng)汽車使用的電池管理系統(tǒng)也是一個(gè)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。除了傳統(tǒng)功能外，西門子開(kāi)發(fā)的電池管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤電池變化，優(yōu)化充電過(guò)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(luò)，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(gè)模塊通過(guò)CAN總線連接。主控模型處理管理策略，獲取高低壓信號(hào)。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(kāi)關(guān)。集成電池管理系統(tǒng)只有一個(gè)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(jiǎn)潔架構(gòu)的要求，集成電池管理系統(tǒng)越來(lái)越受歡迎。傳統(tǒng)的集成電池管理系統(tǒng)通常包含一個(gè)微處理芯片。隨著電池組數(shù)的增加，微處理器的工作時(shí)間將被電池采樣過(guò)程占用。剩下的時(shí)間不足以管理戰(zhàn)略的過(guò)程。同時(shí)，基于BMS策略的模型得到廣泛研究，并增加了大量的迭代計(jì)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(kāi)發(fā)，滿足功能安全要求。實(shí)現(xiàn)了管理策略和信息采集雙核處理，提高了處理效率。開(kāi)發(fā)了電池管理系統(tǒng)的四層軟件架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)雙核處理需求。BMS的管理策略由MatlabSimulink開(kāi)發(fā)并集成到軟件架構(gòu)中。

整體架構(gòu)BMS的設(shè)計(jì)

BMS的組成部分從硬件和軟件結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)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(jī)系統(tǒng)組成。該軟件由數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)、故障診斷和保護(hù)、電池平衡控制、熱管理、充電控制、通信管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和校準(zhǔn)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(jì)充電狀態(tài)，進(jìn)行故障報(bào)警，限制充放電電流。本文將重點(diǎn)關(guān)注BMS微機(jī)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(diǎn)

硬件設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)的硬件，分為微機(jī)模塊、電芯管理模塊、數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和電池組采集模塊。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2電池管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)

設(shè)計(jì)了基于AURIX265D和TLF35583的微機(jī)模塊。AURIX265芯片是一個(gè)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(chǔ)空間大、計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于BMS的應(yīng)用，盡量利用了其他芯片資源。在圖3中，PFlash被用于存儲(chǔ)BMS的程序。DFlash應(yīng)用于EEPROM存儲(chǔ)SOC（充電狀態(tài)）、SOH（健康狀態(tài)）、故障ID和其他必要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的信息。QSPI（QueuedSerialPeripheralInterface）的四個(gè)通道用于與TLF35584的電源芯片、BTS724G和DRV8872的數(shù)字驅(qū)動(dòng)芯片、LTC6820的單元管理芯片進(jìn)行通信，增強(qiáng)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(yīng)用于實(shí)現(xiàn)包采集模塊化。特別是第二個(gè)進(jìn)程核（TC1.6PCPU1）單獨(dú)分配給QSPI2進(jìn)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(huì)被應(yīng)用請(qǐng)求頻繁中斷。沒(méi)有cell數(shù)據(jù)采樣的工作量，第一個(gè)進(jìn)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(shí)喚醒功能。它集成了兩個(gè)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(shí)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(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)BMS的接觸器，如主負(fù)接觸器、風(fēng)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(dòng)，工作電壓5.5V~40V，單路額定電流3.3A，峰值電流12A。設(shè)計(jì)了兩個(gè)通道的CAN收發(fā)芯片來(lái)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)見(jiàn)全球技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計(jì)的。特別是本研究采用TI1301系列芯片進(jìn)行高壓隔離，隔離電壓可達(dá)2500VDC，可以滿足電池的全范圍使用。通用DI直接來(lái)源于微機(jī)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(cè)芯片，可測(cè)量12節(jié)串聯(lián)電池的電壓，采集誤差為1.2mV。每個(gè)芯片包含三個(gè)溫度采集通道，支持10K負(fù)溫度系數(shù)電阻。硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5  LTC6811與微機(jī)模塊的連接LTC6811的尋址特性允許多個(gè)器件通過(guò)一根雙絞線連接到單個(gè)SPI主控器，實(shí)質(zhì)上創(chuàng)建了一個(gè)大型并行SPI網(wǎng)絡(luò)。雙絞線僅在電纜的開(kāi)頭（主）和末端終止。通常，SPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最好限制在緊湊的組件中，以避免過(guò)度的SPI脈沖失真和EMC拾取。SPI網(wǎng)絡(luò)中的最大設(shè)備數(shù)量由串行時(shí)序要求嚴(yán)格規(guī)定。SPI網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)隔離柵來(lái)回發(fā)送和接收差分脈沖進(jìn)行通信。這種SPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，當(dāng)電池串?dāng)?shù)超過(guò)100個(gè)時(shí)，掃描整個(gè)電池電壓和溫度的簡(jiǎn)單時(shí)間超過(guò)100毫秒。更重要的是，采樣過(guò)程不能中斷?，F(xiàn)有的解決方案是添加一個(gè)從屬簡(jiǎn)單單元或添加另一個(gè)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(gè)核心(CPU1)，而不是現(xiàn)有的解決方案。采樣過(guò)程不會(huì)中斷，采樣時(shí)間受CPU0限制。通過(guò)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(jìn)行完美權(quán)衡。最后設(shè)計(jì)了集成電池管理系統(tǒng)，如圖6所示。所開(kāi)發(fā)的電池管理系統(tǒng)的技術(shù)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(shù)參數(shù)

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了高效開(kāi)發(fā)和維護(hù)電池管理系統(tǒng)軟件，參考AUTOSAR（汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)）開(kāi)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(yīng)用層（APP_Layer）、實(shí)時(shí)環(huán)境（RTE）、基礎(chǔ)軟件（ECU_Layer）和驅(qū)動(dòng)軟件層（MCU_Layer）。信息通過(guò)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(yīng)用層（APP_Layer），利用MatlabSimulink工具設(shè)計(jì)了電池管理策略六大功能，包括故障診斷、故障保護(hù)、狀態(tài)估計(jì)、電池平衡控制、熱管理和充電控制。每個(gè)策略功能由幾個(gè)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(yīng)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(fù)載驅(qū)動(dòng)、電芯電壓、電芯溫度、電芯平衡開(kāi)關(guān)等。該軟件在ECU層分為兩部分。設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CPU0的部分，命名為ECU0，為應(yīng)用層的計(jì)算服務(wù)。另一部分基于CPU1設(shè)計(jì)，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(biāo)定協(xié)議、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組成。兩個(gè)處理核心（CPU0&CPU1）有兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)度機(jī)。CPU0的計(jì)算不受CPU1的影響，通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境（RTE）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。驅(qū)動(dòng)軟件層（MCU_Layer）是微芯片驅(qū)動(dòng)代碼的子系統(tǒng)，與AURIX265的硬件相關(guān)，創(chuàng)建于英飛凌官網(wǎng)。限于篇幅，本文不再贅述實(shí)時(shí)環(huán)境（RTE）、基礎(chǔ)軟件（ECU_Layer）、驅(qū)動(dòng)軟件（MCU_Layer）的C代碼。下一節(jié)將在應(yīng)用層說(shuō)明電池管理策略的六大功能。

運(yùn)行策略

本研究中，使用MatlabSimulink工具開(kāi)發(fā)電池管理策略，如圖8所示。該策略由九個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是輸入子系統(tǒng)（Input_SubSystem）、狀態(tài)計(jì)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(jī)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(biāo)有九個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)功能需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。每個(gè)子系統(tǒng)的詳細(xì)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(guò)程、放電過(guò)程、交流充電過(guò)程、直流充電過(guò)程、工作模式。斷電過(guò)程。第二核CPU1由CPU0觸發(fā)，接收平衡指令和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單指令，反饋采樣數(shù)據(jù)。通過(guò)循環(huán)更新電池信息，CPU0中運(yùn)行的電池管理策略可以做出更好的決策，以保護(hù)電池免受濫用并準(zhǔn)確估計(jì)電池狀態(tài)。通常，電池的狀態(tài)估計(jì)包括電池參數(shù)SOC、SOP和SOH。電池參數(shù)有很多復(fù)雜的方法，可以在參考文獻(xiàn)[20]中找到。為了說(shuō)明性能，使用開(kāi)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(jì)，并受故障檢測(cè)信息的約束。SOH是根據(jù)累計(jì)充電容量估算的，參考?xì)v史壽命數(shù)據(jù)。SOC計(jì)算的工作流程已經(jīng)如圖9所示。在CPU0中，當(dāng)軟件開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，會(huì)檢測(cè)電池掉電的時(shí)間。當(dāng)電池掉電時(shí)間超過(guò)兩小時(shí)時(shí)，開(kāi)路電壓與電池SOC有顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10所示。如果電池掉電時(shí)間小于預(yù)定值，則電池SOC從上次斷電前存儲(chǔ)的EEPROM中的值恢復(fù)。上電過(guò)程中的初始SOC計(jì)算公式為：

其中SOC0為初始SOC，SOCEEPROM為從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊恢復(fù)的SOC。SOCOCV_Correct是根據(jù)開(kāi)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(shí)間。

圖9 電池管理系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)控制

圖10 開(kāi)路電壓與SOC之間的電池特性

在正常工作過(guò)程中，SOC會(huì)以當(dāng)前的積分方式進(jìn)行更新。計(jì)算過(guò)程如下：

η表示當(dāng)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(jì)SOC。

電池管理系統(tǒng)測(cè)試

所開(kāi)發(fā)的BMS的運(yùn)行環(huán)境受到電磁、機(jī)械振動(dòng)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(duì)BMS進(jìn)行全面測(cè)試。V循環(huán)被普遍認(rèn)為是汽車電子開(kāi)發(fā)的完美測(cè)試平臺(tái)。開(kāi)發(fā)的BMS已經(jīng)進(jìn)行了模型在環(huán)測(cè)試和硬件在環(huán)測(cè)試。CPU0和CPU1中的最小操作周期降至10毫秒。測(cè)量管理策略和電池管理代碼的整體運(yùn)行時(shí)間，如表2所示。隨著電池組數(shù)的增加，CPU0的運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有明顯影響，但CPU1的運(yùn)行時(shí)間增加了。可以推斷，電池管理策略的運(yùn)行時(shí)間受電池單元收集的影響較小。為了驗(yàn)證BMS產(chǎn)品的可靠性，開(kāi)發(fā)的BMS應(yīng)在實(shí)際電動(dòng)車上進(jìn)行測(cè)試，如圖11所示。電動(dòng)車及相應(yīng)電池組的規(guī)格如表3所示。

圖11 已開(kāi)發(fā)BMS的EV

BMS配備93系列電芯，通過(guò)放電和充電過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。對(duì)搭載開(kāi)發(fā)的BMS的電池進(jìn)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(shí)停止放電過(guò)程.

圖12 BMS恒流控制電池放電

電池的最高溫度隨著放電過(guò)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(guò)程在最大電池電壓4.2V時(shí)停止。電池的最高溫度隨著放電過(guò)程緩慢升高。電池組電壓隨著放電過(guò)程緩慢增加。特別地，動(dòng)態(tài)放電過(guò)程也在實(shí)驗(yàn)EV（電動(dòng)汽車）中進(jìn)行了測(cè)試，如圖14所示。開(kāi)發(fā)的BMS可以動(dòng)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(kāi)發(fā)的BMS可用于實(shí)際工程項(xiàng)目。開(kāi)發(fā)的BMS計(jì)算的總?cè)萘咳绫?/span>4所示。在恒流放電過(guò)程中，開(kāi)發(fā)的BMS從SOC100%~5%計(jì)算。對(duì)比該電池的正常容量，SOC估計(jì)誤差為0.3%。SOC估計(jì)誤差為-2.1%。當(dāng)電池SOC估計(jì)誤差小于5%時(shí)，估計(jì)精度可以滿足新能源汽車的行業(yè)要求。雖然SOC驗(yàn)證過(guò)程非常粗糙，但開(kāi)發(fā)的BMS的功能得到了有效驗(yàn)證。

圖13 BMS恒流控制電池充電

圖14 由BMS控制的電池放電動(dòng)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(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際工程項(xiàng)目的功能需求。微處理器控制單元采用雙核芯片AURIX265+TLF35583開(kāi)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(rèn)證方案開(kāi)發(fā)的。參考AUTOSAR軟件架構(gòu)，電池管理系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)為四層軟件架構(gòu)，軟件模塊之間耦合較少。實(shí)現(xiàn)了控制策略和個(gè)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(kāi)發(fā)。實(shí)車測(cè)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(lái)源：Huang, D., et al. (2019). Battery Management System based on AURIX Multi-Core Architecture. SAE Technical Paper Series.

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