基于DSP和OZ890構(gòu)成的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)計(jì)算、均衡控制、熱管理、各種通信以及故障診斷等功能。

1 電池管理系統(tǒng)硬件組成

電池管理系統(tǒng)電路由電源模塊、DSP 芯片TMS320LF2407A[1]（簡稱為“LF2407”）、基于多個(gè)OZ890[2]的數(shù)據(jù)采集模塊、I2C[3]通信模塊、SCI 通信模塊、CAN 通信模塊組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

1.1 電源模塊

整車提供的電源為+12V，管理系統(tǒng)需要的電壓包括：+3.3V（DSP，隔離電路用）、+5V(總線驅(qū)動等芯片用)、±15V（電流傳感器），可以通過DC-DC 轉(zhuǎn)換得到，這樣不但可以滿足各個(gè)芯片的供電要求而且可以起到隔離抗干擾的作用。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

由DSP 完成總電壓、電流及溫度的采集。電池單體電壓的采集和均衡由OZ890 芯片完成，并利用I2C 總線發(fā)給DSP，本模塊電路主要包括前端采集處理和均衡電路。

1.3 I2C 通信模塊

OZ890 采樣模塊將采集處理后的數(shù)據(jù)通過I2C 總線發(fā)送到LF2407，由于LF2407 自身不帶I2C 接口，本設(shè)計(jì)利用PCA9564[4]擴(kuò)展其I2C 接口。為了防止電磁干擾影響I2C 總線上數(shù)據(jù)的傳輸，必須對總線信號進(jìn)行隔離，考慮到I2C 總線是雙向傳輸?shù)?，使用ADuM1250雙向隔離芯片進(jìn)行隔離。PCA9564 及雙向隔離電路如圖2 所示。

圖2 PCA9564 及雙向隔離電路

PCA9564 是I2C 總線擴(kuò)展器，與LF2407 的GPIO 口相連，它支持主從模式的數(shù)據(jù)收發(fā)，在BMS 中設(shè)定LF2407 為主器件，OZ890 位從器件。LF2407 通過讀寫PCA9564 內(nèi)部四個(gè)寄存器的內(nèi)容來與OZ890 通信。
ADuM1250 是熱插拔數(shù)字隔離器，包含與I2C 接口兼容的非閂鎖、雙向通信通道。這樣就不需要將I2C 信號分成發(fā)送信號與接收信號供單獨(dú)的光電耦合器使用。

1.4 串口通信模塊

電池管理系統(tǒng)將采集處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC 機(jī)界面上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過串口界面，可以觀察到電池的總電壓、單體電壓、電流、SOC、故障狀態(tài)、充放電功率等參數(shù)，還可以通過串口發(fā)送實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的在線標(biāo)定。其硬件電路主要基于MAX232 芯片，如圖3a)所示。

圖3 串口通信接口電路

MAX232 是+5V 電源的收發(fā)器，與計(jì)算機(jī)串口連接，實(shí)現(xiàn)RS-232 接口信號和TTL 信號
的電平轉(zhuǎn)換，使BMS 和PC 機(jī)能夠進(jìn)行異步串行通訊。為了防止電磁干擾影響串口上數(shù)據(jù)的傳輸，必須對總線信號進(jìn)行隔離。串口是單向傳輸，所以利用6N137 光電耦合較為方便，圖3b)所示為232TXD 信號光耦隔離電路。

1.5 CAN 通信模塊

CAN 通信是架接電池管理系統(tǒng)(BMS)與整車HCU 之間的信息橋梁，BMS 將電池的狀態(tài)參數(shù)通過CAN 總線發(fā)給HCU，HCU 通過判斷當(dāng)前的電池狀態(tài)來做出決策，分配電機(jī)和發(fā)動機(jī)之間的功率，控制電池的充放電。同時(shí)BMS 還可以接收HCU 發(fā)來的相關(guān)命令，做出相應(yīng)的處理。其硬件方面主要是通過PCA82C250 通用CAN 收發(fā)器來提供對總線數(shù)據(jù)的差動發(fā)送能力和對通信總線數(shù)據(jù)的差動接收能力。通過類似于圖3b）的光耦隔離電路來加強(qiáng)CAN 總線上的抗干擾能力。其硬件電路由圖4 所示。

圖4 CAN 通信接口電路

在電路中可根據(jù)整車要求，是否接入120Ω 的終端電阻，當(dāng)JP201 跳線接1 腳和2 腳時(shí)，不接入電阻，當(dāng)接2 腳和3 腳時(shí)，電阻接入。

2 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)軟件[6]系統(tǒng)包括6 個(gè)任務(wù)和5 個(gè)中斷。6 個(gè)任務(wù)包括：AD 轉(zhuǎn)換處理任務(wù)（包括讀取OZ890 中的數(shù)據(jù)）、CAN 接收任務(wù)、CAN 發(fā)送任務(wù)、SOC 計(jì)算任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視故障診斷任務(wù)和串口發(fā)送任務(wù)。5 個(gè)中斷包括：AD 采集中斷服務(wù)子程序、Timer1 下溢中斷服務(wù)子程序、周期中斷子程序、CAN 總線接收中斷服務(wù)子程序和串口接收中斷服務(wù)子程序，如下面的中斷向量表所示：

.ref _c_int0
.ref _ADC, _INT2, _INT5

.sect .vectors
rset: B _c_int0;00h reset
int1: B ADC ;02h ADC
int2: B _INT2 ;04h 周期、下溢中斷
int3: B int3 ;06h INT3
int4: B int4 ;08h INT4
int5: B _INT5 ;0Ah CAN, SCI
int6: B int6 ;0Ch INT6

根據(jù)整車控制策略，CAN 上電池狀態(tài)數(shù)據(jù)每幀的刷新周期為10ms，故設(shè)置周期中斷的時(shí)鐘節(jié)拍為10ms；相應(yīng)地設(shè)置以上幾個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期均為10ms。

圖5 周期時(shí)鐘節(jié)拍圖

從圖5 中可以看出，系統(tǒng)初始化完成以后，Time1 開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到5ms 時(shí)，在A 點(diǎn)發(fā)生周期中斷，然后進(jìn)入周期中斷子程序，啟動AD 轉(zhuǎn)換，通過I2C 總線讀取OZ890 中的數(shù)據(jù)。AD 轉(zhuǎn)換完畢后，軟件觸發(fā)ADC 中斷保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理，清除周期中斷標(biāo)志。當(dāng)達(dá)到10ms 時(shí)，發(fā)生下溢中斷，進(jìn)入下溢中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行CAN 發(fā)送任務(wù)、SOC計(jì)算任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視故障診斷任務(wù)、串口發(fā)送任務(wù)。另外，CAN 接收和串口接收執(zhí)行采用中斷觸發(fā)方式。利用周期中斷和下溢中斷來劃分任務(wù)執(zhí)行時(shí)間區(qū)域不僅能夠滿足整車10ms
每幀數(shù)據(jù)的CAN 發(fā)送要求，而且每一個(gè)任務(wù)時(shí)間也都能通過計(jì)數(shù)器和標(biāo)志位的狀態(tài)來計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，以便更好的分配任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間段。

3 結(jié)論

電池管理系統(tǒng)采用了DSP+OZ890 的結(jié)構(gòu)，加之相應(yīng)的抗干擾措施，具有高性能、低成本等特點(diǎn)。由于采用了專門的電池采樣芯片OZ890，提高了采樣精度、解決了電池單體電壓不均衡造成的過充問題。同時(shí)使硬件的開發(fā)周期大大縮短，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：使用OZ890 電池采樣芯片測量電池?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)使用PCA9564 擴(kuò)展LF2407 的I2C 接口，實(shí)現(xiàn)了LF2407 與OZ890 之間的通信。