如何使用ISOSPI總線實(shí)現(xiàn)物流車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　動(dòng)力電池組作為新能源電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組件之一，其狀態(tài)估測(cè)、安全保護(hù)、故障處理對(duì)于電動(dòng)汽車都有著重要的意義。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度、充放電電流等信息，對(duì)電池組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)措施。

　　本文將針對(duì)東莞中山大學(xué)研究院電動(dòng)汽車研究中心電動(dòng)物流車項(xiàng)目電池系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)適用于物流車的電池管理系統(tǒng)，主要工作如下：

　?。?） 本文根據(jù)物流車項(xiàng)目電池系統(tǒng)要求，在CAN網(wǎng)絡(luò)總線及isoSPI總線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出電池管理系統(tǒng)的功能需求及技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

　?。?） 本文基于電池管理系統(tǒng)的功能要求及技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)完成硬件框架及電路。電池組控制單元的硬件電路設(shè)計(jì)包括電源喚醒、高壓檢測(cè)、絕緣檢測(cè)及通信等模塊。電池監(jiān)測(cè)回路的硬件電路設(shè)計(jì)包括電池監(jiān)測(cè)及均衡電路等模塊。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存單元的分配包括引導(dǎo)軟件內(nèi)存及應(yīng)用軟件內(nèi)存。

　　（3） 本文基于C語言設(shè)計(jì)完成嵌入式系統(tǒng)軟件。設(shè)計(jì)工作主要包括啟動(dòng)引導(dǎo)軟件、嵌入式底層驅(qū)動(dòng)軟件、任務(wù)調(diào)度層軟件以及應(yīng)用層軟件。軟件部分的功能包括嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)，電池系統(tǒng)的狀態(tài)采集、狀態(tài)估測(cè)以及安全保護(hù)、故障處理等。

　?。?） 本文完成了電池管理系統(tǒng)的測(cè)試。測(cè)試工作主要包括單體電壓監(jiān)測(cè)精度、電池組電流監(jiān)測(cè)精度、溫度監(jiān)測(cè)精度以及絕緣檢測(cè)、均衡控制、電池組充放電等功能。此外，在工況測(cè)試中，電池管理系統(tǒng)完成了電池組原始數(shù)據(jù)的采集、荷電狀態(tài)估算等任務(wù)。

　　近年來，電力工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電池性能的提升，電動(dòng)汽車逐步被消費(fèi)者所接納。在電動(dòng)汽車飛速發(fā)展的背景下，各大整車廠、電池廠及傳統(tǒng)的半導(dǎo)體廠商都加入到電池管理系統(tǒng)的研發(fā)行列［11］ 。

　　以特斯拉MODEL S為例，其電池管理系統(tǒng)采用主從控制架構(gòu)。主控制器負(fù)責(zé)高壓絕緣檢測(cè)、高壓互鎖、電池組繼電器控制、總線通信等功能；從控制器負(fù)責(zé)單體電壓及電池組溫度監(jiān)測(cè)，以及數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。特斯拉電池管理系統(tǒng)的主控制器具備主副雙處理器設(shè)計(jì)，副處理器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主處理器的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)主處理器失效，副處理器能夠獲取電池管理系統(tǒng)的控制權(quán)限。MODEL S的電池管理系統(tǒng)多處加入了此類的冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的安全特性［13］ 。寶馬i3的電池管理系統(tǒng)由德國普瑞公司研發(fā)，其中包括了電池組管理單元和單電芯監(jiān)測(cè)傳感單元。在普瑞公司此次推出的電池管理系統(tǒng)中，單電芯檢測(cè)傳感單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的單體電壓及組內(nèi)溫度變化，并將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上報(bào)回電池組管理單元。電池組管理單元將收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)電池組狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估［14］ 。目前，此類分布式的電池管理系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電池組與電池管理系統(tǒng)從整車功能中分離獨(dú)立，整車系統(tǒng)形成了電池監(jiān)測(cè)回路、電池組控制單元、整車控制器以及電機(jī)控制器的三層兩網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于，裝配過程模塊化、操作簡單，電池及溫度采樣線束固定、采樣距離相對(duì)均勻。除上述兩種車型采用分布式電池管理系統(tǒng)外，大眾E-GOLF，榮威E50以及三菱i-MiEV均采用此類的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1-3中給出對(duì)三種不同車型監(jiān)測(cè)回路的比較。

　　本文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

　　論文以物流車項(xiàng)目為核心基礎(chǔ)，結(jié)合本中心電動(dòng)汽車項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一款適用于物流車的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品。工作重點(diǎn)包括電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）總體設(shè)計(jì)、電池組控制單元（Battery Control Unite，BCU）硬軟件設(shè)計(jì)、電池監(jiān)測(cè)回路（Battery Management Circuit，BMC）硬軟件設(shè)計(jì)以及綜合測(cè)試四大部分：

　　（1） 本文根據(jù)物流車的整車參數(shù)及電動(dòng)物流車動(dòng)力電池參數(shù)，設(shè)計(jì)BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出BMS預(yù)期的功能及參數(shù)指標(biāo)，該部分內(nèi)容將在第二章中詳細(xì)論述。

　?。?） BCU及BMC的硬件電路的設(shè)計(jì)，其中包括了嵌入式處理器最小系統(tǒng)模塊、電源及喚醒模塊、高壓檢測(cè)及絕緣檢測(cè)模塊、電池組電流檢測(cè)模塊、均衡模塊、電池監(jiān)測(cè)模塊以及通信模塊。該部分內(nèi)容將在第三章中詳細(xì)論述。

　?。?） 啟動(dòng)引導(dǎo)軟件、BCU及BMC軟件設(shè)計(jì)，其中包括了硬件驅(qū)動(dòng)層、任務(wù)調(diào)度層以及應(yīng)用程序?qū)拥能浖绦?。該部分?nèi)容將在第四章中詳細(xì)論述。

　?。?） BMS功能驗(yàn)證及工況測(cè)試工作，其中包括單體電壓監(jiān)測(cè)精度、電池組電流監(jiān)測(cè)精度、溫度監(jiān)測(cè)精度以及絕緣檢測(cè)、均衡控制、電池組充放電等功能。在工況測(cè)試中，電池管理系統(tǒng)完成了電池組數(shù)據(jù)的采集、荷電狀態(tài)（State of Charge，SoC）的估算等。該部分內(nèi)容將在第五章中詳細(xì)論述。