BQ76PL536A的分布式動力電池管理系統設計*

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(1.大連交通大學 電氣信息工程學院，大連 116028；2.中國鐵路濟南局集團有限公司；3.大連交通大學 軟件學院)

引 言

能源短缺和環境污染問題促使了新能源汽車技術的快速發展。動力電池作為新能源汽車的核心部件之一，其性能指標直接影響整車的安全性、經濟性和動力性，但是動力電池應用在新能源汽車上時，會產生動力電池組各單體電池電壓不一致等諸多問題，需要采用一套完善的電池管理系統BMS(Battery Management System)對使用過程進行嚴格的監控，保障電池系統安全穩定地運行，因此本文對動力電池管理系統的硬件電路進行設計。

1 電池管理系統總體設計方案

完整的電池管理系統具備以下功能：電池組工作參數的采集、電池SOC的估算、電池的故障診斷以及數據之間的通信。實際應用中，電動汽車的動力電池以多電池包形式布置，采集的電池參數量較大，通常采取分布式管理方案。本文就是采用主-從分布結構來實現對動力電池電壓、電流、溫度的檢測，電池組之間的均衡控制、電池SOC的估算以及對過充電或者過放電的保護等功能，另外主控板還提供與整車通信的CAN接口以及與上位機通信的串口。系統的總框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架

2 主控板硬件電路設計

2.1 MCU芯片選擇

本設計中電池管理系統需完成對動力電池工作電壓、電流及溫度的采集，并對動力電池進行SOC估算和電壓均衡控制，因此所選的主控制器芯片應具有較強的運算能力和中斷處理能力。綜合考慮，最終選擇飛思卡爾(被恩智浦收購)汽車級MCU芯片MC9S12XEQ512MAL作為本系統的主控制器芯片。

圖3 電源隔離電路

MC9S12XEQ512MAL是飛思卡爾(已被NXP收購)專為汽車電子領域設計的MC9S12X系列中的芯片，作為一款16位的控制芯片，其擁有豐富的片上資源和強大的運算能力，并具有功耗低、存儲容量大、工作頻率高、工作溫度范圍寬等特點。該芯片具有32 KB內部RAM、512 KB的Flash存儲器、4 KB的EEPROM以及2個16通道、12位精度A/D轉換器，并且包含CAN、SPI、SCI、I2C通信接口。

2.2 電流采集電路設計

本文選用CHB-200SF霍爾電流傳感器采集總線電流值，其可以檢測的電流范圍為0～±300 A，電源電壓取值為±12 V，工作溫度范圍為-25～70 ℃，反應時間在1 μs以下。電流采集電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路

2.3 電源隔離電路設計

新能源汽車動力電池組通常由上百節單體電池串連組成，其總電壓高達300 V，因此需要將采集板上高壓系統與單片機低壓系統通過隔離器件進行隔離。這樣既能使得主控板電路免受采集板高電壓的影響，又可以保護工作人員在操作時免遭電池高電壓電擊。

電壓采集板上的BQ76PL536A芯片外圍帶有過壓大電流保護，采用動力電池包通過電源轉換電路直接供電，但對于采集板電路中的其他芯片，則和主控芯片采用同一電源供電，為了防止動力電池包高電壓影響其他芯片，本設計添加了小型貼片式變壓器進行隔離。該設計主要由三個芯片來實現：電流型脈寬調制芯片UCC2808、貼片式變壓器Q4470和低壓差線性轉換器TPS76901。首先來自主控制器芯片的5 V的供電電源接至脈寬調制器UCC2808和變壓器的中心抽頭端。經UCC2808芯片后由6、7引腳高電流輸出端產生交替的低壓方波，驅動兩個MOSFET交替導通，達到逆變作用。在貼片式變壓器的初級繞組兩端形成交流電壓，該電壓通過變壓器得到預定的交流電壓，又經過二極管和電容等器件進行簡單整流濾波后得到5 V直流電壓，為了使整流濾波后的電壓穩定，接著經過穩壓器TPS76901進行穩壓操作。由此便實現了主控板與采集板的高低壓電源隔離，如圖3所示。

3 采集板硬件電路設計

電池管理系統控制算法的實現主要是以電壓、電流、溫度這三個物理量為基礎的，所以數據采集結果的準確性直接影響電池管理系統的整體性能，具體涉及到電池荷電狀態的估算、均衡控制的效果、電池充放電效率以及電池狀態分析等。

3.1 采集板主芯片的選擇

BQ76PL536A是一款可以用于3～6節串聯鋰電池組的可堆疊電池監視器和保護器。該芯片集成了模擬前端(AFE)和高精度的模/數轉換器(ADC)來實現對單體電池電壓的精確測量，對于溫度的測量則使用了一個單獨的A/D轉換器。此外，BQ76PL536A還能對各個通道提供過壓、欠壓以及過熱保護，其自身多個存儲器用來存儲用戶編程設置的保護閾值以及延遲的時間，一旦超出其中用戶編輯的某一個閾值且超過一定時間，相應的寄存器則會置位并向主控芯片輸出故障信號。BQ76PL536A器件通過堆疊可監測多達192個電芯組成的電池組，相比于凌力爾特的LTC68XX系列芯片，不需要另外設計隔離組件，器件之間通過高速SPI接口連接，采用菊花鏈式結構保證了傳輸的快速性。因此本文選用BQ76PL536A芯片來實現單體電池電壓采集、溫度采集、電池的均衡控制以及保護功能。

本文設計的電池管理系統所管理的電池包總電壓約為66 V，主要是以18串聯的鈷酸鋰電池為研究對象，故需要將3片BQ76PL536A芯片級聯。通過芯片上三組SPI通信通道以及故障報警通道，可實現芯片上下級之間以及與主控制器之間的數據信息交互。圖4為BQ76PL536A芯片的外圍電壓溫度采集電路圖。

3.2 單體電壓采集

電壓采集通過讀取BQ76PL536A芯片VC0～VC6引腳之間的差值來獲取單體電池電壓值，通過讀取BATx引腳還可以獲取該芯片所管理的電池總電壓值。BQ76PL536A芯片可以利用內部高精度的A/D轉換器將檢測到的模擬電壓信號轉換為數字信號，然后將各單體電池電壓值分別存儲至16位的寄存器VCELL1～VCELL6中，等待主控制器芯片隨時調用。期間一旦個別引腳電壓值出現異常，芯片內部FAULT_STATUS寄存器會判斷異常信息類型，并將錯誤信息通過FAULT_X引腳傳送至上級芯片，直至最終傳給主控制器芯片MC9S12XEQ512MAL，等待其發出更改指令。

3.3 溫度采集電路

溫度對電池的性能影響很大，溫度過高會導致電池的外殼破裂，發生爆炸等安全事故；溫度過低會使電池的電解液凝固，電池的充放電就無法正常進行，電池需要在一定的溫度范圍內才能夠正常工作，所以溫度采集對于電池管理系統十分重要。

BQ76PL536A芯片利用TS1+、TS1-、TS2+、TS2-這4個引腳外接熱敏電阻來測量電池包溫度。本電路選用負溫度系數的熱敏電阻NTC0603進行溫度采集，對于環境溫度的檢測，通過外部連接一組阻容分壓網絡，將熱敏電阻的影響定在其響應范圍之內，具體電路如圖4所示。REG50是芯片內部的一個低壓差穩壓器，熱敏電阻通過外部電阻分壓網絡與REG50之間產生壓差，作為TSn+，TSn-端的輸入，并以REG50作為基準值，通過內部算法產生電壓值，將返回的測量值轉換為比率：RTS=VTS：REG50，內部ADC將此電壓值轉化為實測溫度。

3.4 均衡控制電路

動力電池組通常由上百節電池串聯而成，在充放電過程中難免會因為電池間性能的不一致而導致能量的不一致。若處于放電過程中，容量低的電池容易造成過放電，充電過程中容量高的電池容易過充電，會縮短電池組的使用壽命，對整個電池組而言是不利的，因此需要均衡控制功能來達到電池之間能量的相對均衡。本文采用耗散型均衡方式，也就是被動均衡方式，通過比較各個電壓的值，找出本電池組內電壓值較高的電池，如果在設定時間范圍內電壓值仍然較高，則進入電壓均衡模式。均衡控制電路如圖5所示。

圖5 均衡控制電路

BQ76PL536A每個電壓采集通道都有專用的均衡控制輸出口，當芯片檢測出個別電池需要均衡的時候，主控制器芯片通過SPI通信收到異常信息并發出均衡控制指令，此時該均衡控制口所控制的MOSFET管導通，電池電壓通過并聯的均衡電阻(圖中R21)進行分壓，使電池組電壓達到均衡。此外，設計還增加了多個二極管及電容器件，用來達到防止電壓瞬變，提供浪涌保護，提高EMC電磁兼容性等功能。

4 實驗測試

通過搭建實驗平臺，對電池管理系統功能進行測試，得到如表1～表3所列的電壓、電流、溫度采集數據以及圖6所示的均衡控制時電壓變化曲線。根據采集得出的數據圖表可以看出，各項誤差均在合理的范圍之內。從圖6可以看出，當其中一節電池電壓值過高時(紅色曲線)，主控制器芯片發出均衡控制命令，該電壓立刻下降至與其他電池電壓等值，實現其均衡功能。

圖6 均衡控制電壓值曲線

結 語

表1 系統單體電壓采集數據

表2 系統電流采集數據

表3 系統溫度采集數據