BMS在硬件和軟件中的高效實(shí)施 - 微型混合動(dòng)力汽車(chē)中的電池能效管理方案

　　4） BMS在硬件和軟件中的高效實(shí)施

　　電氣能效是新型汽車(chē)一個(gè)最重要的特性，由BMS提供支持。除了管理一些節(jié)電功能外，BMS還需要具有高能效，因?yàn)樗鞘冀K開(kāi)啟的系統(tǒng)之一，當(dāng)發(fā)電機(jī)不工作時(shí)需要通過(guò)鉛酸電池供電。為了滿(mǎn)足這一要求，IBS的能耗必須盡可能低。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，飛思卡爾的IBS實(shí)施采用兩種低功耗模型，其中CPU和其他不需要開(kāi)啟的硬件（HW）模塊都可以關(guān)閉。為了降低正常運(yùn) 行模式中的能耗，并減少客戶(hù)的軟件（SW）開(kāi)發(fā)工作，添加了額外的硬件模塊以降低軟件復(fù)雜性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以使用規(guī)模更小、功耗更低同時(shí)也更為經(jīng) 濟(jì)高效的16位微控制器。另外一種降低軟件復(fù)雜性的方法是在整個(gè)使用壽命期間確保產(chǎn)品參數(shù)，并將工廠(chǎng)調(diào)校值存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器（NVM）中。作為產(chǎn)品下 線(xiàn)測(cè)試的一部分，這些調(diào)教值針對(duì)每個(gè)芯片逐個(gè)進(jìn)行參數(shù)表征描述，并相應(yīng)地存儲(chǔ)。因此，在軟件中無(wú)需使用復(fù)雜的校準(zhǔn)算法。

　　除了在硬件中實(shí)施的這三種技術(shù)以外，本章還介紹了電池監(jiān)控算法的高效軟件實(shí)施方案（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）。

　　4.1） 低功耗模式

　　實(shí)施低功耗模式是一種非常好的降低功耗的方法。實(shí)現(xiàn)方法是，在不需要SoC部件（尤其是CPU）時(shí)將其關(guān)閉、并僅在需要時(shí)更改為正常模式（例如，激活所有硬件模塊）。正如前面所提到的，共有兩種低功耗模型，其不同之處僅在于CPU被喚醒后使用的程序進(jìn)入點(diǎn)。

　　但是，在低功耗（即沒(méi)有軟件交互）模式下，也需要監(jiān)控電池狀態(tài)。首先，需要跟蹤電流，通過(guò)庫(kù)侖計(jì)數(shù)方法計(jì)算出SoC。相應(yīng)地，可以支持低功耗模式下的電流測(cè)量（即，庫(kù)侖計(jì)數(shù)）和電流采樣值的自動(dòng)求和。

　　IBS必須能夠?qū)﹄姵睾推?chē)的狀態(tài)更改作出反應(yīng)，即電池傳感器必須在發(fā)生各種事件時(shí)喚醒。相應(yīng)地，也需要測(cè)量低功耗模式期間的電流和溫 度。電流變化通常表明汽車(chē)狀態(tài)發(fā)生變化（電氣元件打開(kāi)或關(guān)閉），而溫度改變時(shí)有時(shí)需要重新校準(zhǔn)測(cè)量通道參數(shù)（請(qǐng)參見(jiàn)4.3）?？梢耘渲秒娏骱蜏囟炔蓸又档?門(mén)限值，如果超出門(mén)限值則觸發(fā)喚醒。還可以使用自動(dòng)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器門(mén)限值喚醒機(jī)制。

　　除了那些針對(duì)被測(cè)量參數(shù)的喚醒事件以外，還可實(shí)施其他喚醒機(jī)制，允許BCM或汽車(chē)中的其他電氣設(shè)備喚醒IBS（通過(guò)LIN消息或直接導(dǎo)線(xiàn)連接），還有定時(shí)喚醒機(jī)制。

　　上述低功耗模式和喚醒機(jī)制的實(shí)施允許IBS在大多數(shù)時(shí)間里都運(yùn)行在低功耗模式下（通常約為70%），包括引擎運(yùn)行時(shí)。在正常運(yùn)行模式期間，SoC、SoH和SoF參數(shù)將被重新計(jì)算。

　　4.2） 將軟件任務(wù)遷移至硬件模塊

　　實(shí)施專(zhuān)用硬件模塊來(lái)承擔(dān)軟件中的任務(wù)是降低軟件復(fù)雜性和節(jié)省電力的一種有效方式。在將此類(lèi)硬件模塊用于電池監(jiān)控算法以前，可以非常高效地 將其用于電壓、電流和溫度測(cè)量樣本的預(yù)處理。這一點(diǎn)非常必要，因?yàn)槠?chē)的電線(xiàn)中常常會(huì)出現(xiàn)干擾，并且IBS的采樣值的測(cè)量準(zhǔn)確度要求非常高。

　　帶有抽取和抗干擾過(guò)濾器的高精度16位sigma-delta ADC非常適合這種應(yīng)用，因?yàn)榕c其他ADC技術(shù)相比它具有高測(cè)量精確度。結(jié)合誤差補(bǔ)償功能（請(qǐng)參見(jiàn)4.3），已能夠提供非常好的精確度。但是，在信號(hào)處理 序列之后常常需要對(duì)樣本再次過(guò)濾。這樣做的原因是可以去除汽車(chē)中其他電氣設(shè)備中的噪音，因此需要自由轉(zhuǎn)換過(guò)濾器的頻率特征。另外一個(gè)原因是，被觀(guān)察的特定 電池參數(shù)作為電池監(jiān)控的一部分，與激勵(lì)頻率（由電池的化學(xué)組成決定）緊密聯(lián)系在一起。例如，Ri就是這種情況。一個(gè)可以編程的線(xiàn)性過(guò)濾器可以滿(mǎn)足所有這些 要求：過(guò)濾器系數(shù)可以通過(guò)寄存器傳輸?shù)接布^(guò)濾器模塊。這些寄存器可以編程一次，然后在軟件中不再需要完成過(guò)濾任務(wù)。

　　電流測(cè)量結(jié)果面臨一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰槍?duì)微小電流進(jìn)行高度精確的測(cè)量，同時(shí)還必須支持大范圍測(cè)量。所要求的精確度要高于10mA，這意味 著在100 μO(píng)hm的分流上出現(xiàn)1μV的壓降；在汽車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)1000A和更高的電流。為了支持上述兩種需要同時(shí)避免出現(xiàn)從軟件執(zhí)行手動(dòng)測(cè)量重新配置，需 要實(shí)施一個(gè)自動(dòng)增益放大器。一個(gè)可選擇的增益因子將調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，使其經(jīng)過(guò)優(yōu)化與ADC的參考電壓匹配。增益因子的調(diào)節(jié)可以自動(dòng)完成，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中， 無(wú)需對(duì)軟件進(jìn)行重新配置。為了便于測(cè)試目的，或如果存在特殊的應(yīng)用環(huán)境，也可以選擇固定增益因子。

　　4.3） 簡(jiǎn)化校準(zhǔn)工作

　　確保設(shè)備在整個(gè)使用壽命期間都保持高精確度的一個(gè)非常重要的任務(wù)是微調(diào)和校準(zhǔn)。為此，以前測(cè)試的糾正因子也可以應(yīng)用至關(guān)鍵的設(shè)備參數(shù)中。 作為產(chǎn)品線(xiàn)設(shè)備測(cè)試的一部分，這些因子針對(duì)不同的溫度進(jìn)行測(cè)試，并且存儲(chǔ)在IBS的NVM中。在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，各個(gè)微調(diào)參數(shù)必須由軟件寫(xiě)入至設(shè)備寄存器中。 需要微調(diào)的參數(shù)可以在電流和電壓測(cè)量序列中找到。另外，振蕩器、電壓基準(zhǔn)和LIN計(jì)時(shí)也需要被校準(zhǔn)。在運(yùn)行期間，也會(huì)需要進(jìn)行重新校準(zhǔn)，例如需要定期執(zhí)行 校準(zhǔn)或在出現(xiàn)溫度急劇變化時(shí)執(zhí)行校準(zhǔn)。如果適合，不同的糾正因子必須再次寫(xiě)入至各自的寄存器。

　　上面提到的校準(zhǔn)功能可以避免客戶(hù)針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行成本昂貴的產(chǎn)品下線(xiàn)測(cè)試。另外，通過(guò)簡(jiǎn)單地應(yīng)用參數(shù)，還可以降低校準(zhǔn)的軟件復(fù)雜性。

　　4.4） 軟件實(shí)施方案

　　在3）章節(jié)中提到的電池管理算法需要處理器密集型計(jì)算和控制算法。通常，在PC上使用基于模型的模擬工具來(lái)完成這些算法的首次實(shí)施。這些 工具通常使用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。在之后的開(kāi)發(fā)流程中，這些算法會(huì)導(dǎo)入到IBS上。但是，由于成本和功耗的原因，IBS所用的微控制器類(lèi)上并不提供浮點(diǎn)硬件。因 此，為了實(shí)現(xiàn)適用的運(yùn)行時(shí)間，在算法中使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型必須轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)整數(shù)格式。共有多種數(shù)據(jù)類(lèi)型和內(nèi)在值范圍可用。例如，下面列出了在飛思卡爾的IBS上 提供的數(shù)據(jù)類(lèi)型：

　　為了表示小于1的值，LSB被映射為特定的值。

　　該值由所需的解析度決定。通過(guò)選擇其中一個(gè)可用的數(shù)據(jù)類(lèi)型，可以導(dǎo)出該變量的可用值范圍和虛擬固定小數(shù)點(diǎn)（固定點(diǎn)格式）。例如，解析度為1mV，采用標(biāo)記整數(shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型，則范圍為0至65.535伏特。

　　因?yàn)轱w思卡爾IBS中有一個(gè)16位S12 CPU，因此整數(shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型可提供16位精度。這意味著8位和16位變量處理起來(lái)比32位值具有更高性能。因此，一般都是首選8位和16位變量。

　　從上面提到的計(jì)算SoC、SoH和SoF所用的算法實(shí)施范例中可以發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，16位變量可以提供充足的值精確度和范圍。這是因 為電壓和溫度輸入值都具有16位精確度（通過(guò)使用16位ADC）。其他16位精確度就已足夠的值，包括SoC、SoH、Ri和糾正因子α（請(qǐng)參見(jiàn)第3章了 解詳細(xì)說(shuō)明）。即使采用24位精確度的電流采樣值，也可以在大多數(shù)時(shí)間里映射至16位。在類(lèi)似3mA的精確度上，通過(guò)使用帶標(biāo)記的16位整數(shù)格式，可以表 示+/- 98.3 A范圍的電流值，無(wú)需針對(duì)數(shù)字格式進(jìn)行進(jìn)一步的修改。這足可以滿(mǎn)足汽車(chē)行駛和停止期間的要求。在啟動(dòng)過(guò)程中，電流采樣值會(huì)超過(guò)邊界，必須使用32位數(shù)據(jù)格 式。需要32位格式的參數(shù)是與電池充電有關(guān)的值（例如，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器）。

　　5） 總結(jié)

　　本白皮書(shū)介紹了如何在使用飛思卡爾IBS的微型混合動(dòng)力汽車(chē)中有效實(shí)施BMS。討論了最先進(jìn)的電池狀態(tài)計(jì)算算法（SoC、SoH和 SoF）。從中可以了解到，在功耗方面可以采用哪些特殊的硬件特性來(lái)提供IBS的效率。另外，本文還介紹了具有自動(dòng)電池狀態(tài)監(jiān)控功能（無(wú)需軟件交互）和復(fù)雜的喚醒機(jī)制的低功耗模式的使用。結(jié)果顯示，IBS能夠在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處在低功耗模式中。另外，通過(guò)正確的硬件信號(hào)處理、可編程的過(guò)濾器和簡(jiǎn)化的校準(zhǔn)方 式，我們可以發(fā)現(xiàn)軟件復(fù)雜性已經(jīng)顯著降低。本文還介紹了定點(diǎn)算法原則，結(jié)果顯示，對(duì)于BMS算法中的變量來(lái)說(shuō)，16位定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式常常能夠滿(mǎn)足要求，只在 少數(shù)時(shí)候需要32位格式。