BMS在硬件和软件中的高效实施 - 微型混合动力汽车中的电池能效管理方案

　　4） BMS在硬件和软件中的高效实施

　　电气能效是新型汽车一个最重要的特性，由BMS提供支持。除了管理一些节电功能外，BMS还需要具有高能效，因为它是始终开启的系统之一，当发电机不工作时需要通过铅酸电池供电。为了满足这一要求，IBS的能耗必须尽可能低。

　　为了实现这一目标，飞思卡尔的IBS实施采用两种低功耗模型，其中CPU和其他不需要开启的硬件（HW）模块都可以关闭。为了降低正常运 行模式中的能耗，并减少客户的软件（SW）开发工作，添加了额外的硬件模块以降低软件复杂性。为了实现这一目标，可以使用规模更小、功耗更低同时也更为经 济高效的16位微控制器。另外一种降低软件复杂性的方法是在整个使用寿命期间确保产品参数，并将工厂调校值存储在非易失性存储器（NVM）中。作为产品下 线测试的一部分，这些调教值针对每个芯片逐个进行参数表征描述，并相应地存储。因此，在软件中无需使用复杂的校准算法。

　　除了在硬件中实施的这三种技术以外，本章还介绍了电池监控算法的高效软件实施方案（请参见图3）。

　　4.1） 低功耗模式

　　实施低功耗模式是一种非常好的降低功耗的方法。实现方法是，在不需要SoC部件（尤其是CPU）时将其关闭、并仅在需要时更改为正常模式（例如，激活所有硬件模块）。正如前面所提到的，共有两种低功耗模型，其不同之处仅在于CPU被唤醒后使用的程序进入点。

　　但是，在低功耗（即没有软件交互）模式下，也需要监控电池状态。首先，需要跟踪电流，通过库仑计数方法计算出SoC。相应地，可以支持低功耗模式下的电流测量（即，库仑计数）和电流采样值的自动求和。

　　IBS必须能够对电池和汽车的状态更改作出反应，即电池传感器必须在发生各种事件时唤醒。相应地，也需要测量低功耗模式期间的电流和温 度。电流变化通常表明汽车状态发生变化（电气元件打开或关闭），而温度改变时有时需要重新校准测量通道参数（请参见4.3）。可以配置电流和温度采样值的 门限值，如果超出门限值则触发唤醒。还可以使用自动库仑计数器门限值唤醒机制。

　　除了那些针对被测量参数的唤醒事件以外，还可实施其他唤醒机制，允许BCM或汽车中的其他电气设备唤醒IBS（通过LIN消息或直接导线连接），还有定时唤醒机制。

　　上述低功耗模式和唤醒机制的实施允许IBS在大多数时间里都运行在低功耗模式下（通常约为70%），包括引擎运行时。在正常运行模式期间，SoC、SoH和SoF参数将被重新计算。

　　4.2） 将软件任务迁移至硬件模块

　　实施专用硬件模块来承担软件中的任务是降低软件复杂性和节省电力的一种有效方式。在将此类硬件模块用于电池监控算法以前，可以非常高效地 将其用于电压、电流和温度测量样本的预处理。这一点非常必要，因为汽车的电线中常常会出现干扰，并且IBS的采样值的测量准确度要求非常高。

　　带有抽取和抗干扰过滤器的高精度16位sigma-delta ADC非常适合这种应用，因为与其他ADC技术相比它具有高测量精确度。结合误差补偿功能（请参见4.3），已能够提供非常好的精确度。但是，在信号处理 序列之后常常需要对样本再次过滤。这样做的原因是可以去除汽车中其他电气设备中的噪音，因此需要自由转换过滤器的频率特征。另外一个原因是，被观察的特定 电池参数作为电池监控的一部分，与激励频率（由电池的化学组成决定）紧密联系在一起。例如，Ri就是这种情况。一个可以编程的线性过滤器可以满足所有这些 要求：过滤器系数可以通过寄存器传输到硬件过滤器模块。这些寄存器可以编程一次，然后在软件中不再需要完成过滤任务。

　　电流测量结果面临一个挑战，因为需要针对微小电流进行高度精确的测量，同时还必须支持大范围测量。所要求的精确度要高于10mA，这意味 着在100 μOhm的分流上出现1μV的压降；在汽车启动过程中，会出现1000A和更高的电流。为了支持上述两种需要同时避免出现从软件执行手动测量重新配置，需 要实施一个自动增益放大器。一个可选择的增益因子将调节输入信号，使其经过优化与ADC的参考电压匹配。增益因子的调节可以自动完成，在整个运行过程中， 无需对软件进行重新配置。为了便于测试目的，或如果存在特殊的应用环境，也可以选择固定增益因子。

　　4.3） 简化校准工作

　　确保设备在整个使用寿命期间都保持高精确度的一个非常重要的任务是微调和校准。为此，以前测试的纠正因子也可以应用至关键的设备参数中。 作为产品线设备测试的一部分，这些因子针对不同的温度进行测试，并且存储在IBS的NVM中。在设备启动时，各个微调参数必须由软件写入至设备寄存器中。 需要微调的参数可以在电流和电压测量序列中找到。另外，振荡器、电压基准和LIN计时也需要被校准。在运行期间，也会需要进行重新校准，例如需要定期执行 校准或在出现温度急剧变化时执行校准。如果适合，不同的纠正因子必须再次写入至各自的寄存器。

　　上面提到的校准功能可以避免客户针对这些参数进行成本昂贵的产品下线测试。另外，通过简单地应用参数，还可以降低校准的软件复杂性。

　　4.4） 软件实施方案

　　在3）章节中提到的电池管理算法需要处理器密集型计算和控制算法。通常，在PC上使用基于模型的模拟工具来完成这些算法的首次实施。这些 工具通常使用浮点数据格式。在之后的开发流程中，这些算法会导入到IBS上。但是，由于成本和功耗的原因，IBS所用的微控制器类上并不提供浮点硬件。因 此，为了实现适用的运行时间，在算法中使用的数据类型必须转换为定点整数格式。共有多种数据类型和内在值范围可用。例如，下面列出了在飞思卡尔的IBS上 提供的数据类型：

　　

　　为了表示小于1的值，LSB被映射为特定的值。

　　该值由所需的解析度决定。通过选择其中一个可用的数据类型，可以导出该变量的可用值范围和虚拟固定小数点（固定点格式）。例如，解析度为1mV，采用标记整数数据类型，则范围为0至65.535伏特。

　　因为飞思卡尔IBS中有一个16位S12 CPU，因此整数数据类型可提供16位精度。这意味着8位和16位变量处理起来比32位值具有更高性能。因此，一般都是首选8位和16位变量。

　　从上面提到的计算SoC、SoH和SoF所用的算法实施范例中可以发现，在许多情况下，16位变量可以提供充足的值精确度和范围。这是因 为电压和温度输入值都具有16位精确度（通过使用16位ADC）。其他16位精确度就已足够的值，包括SoC、SoH、Ri和纠正因子α（请参见第3章了 解详细说明）。即使采用24位精确度的电流采样值，也可以在大多数时间里映射至16位。在类似3mA的精确度上，通过使用带标记的16位整数格式，可以表 示+/- 98.3 A范围的电流值，无需针对数字格式进行进一步的修改。这足可以满足汽车行驶和停止期间的要求。在启动过程中，电流采样值会超过边界，必须使用32位数据格 式。需要32位格式的参数是与电池充电有关的值（例如，库仑计数器）。

　　5） 总结

　　本白皮书介绍了如何在使用飞思卡尔IBS的微型混合动力汽车中有效实施BMS。讨论了最先进的电池状态计算算法（SoC、SoH和 SoF）。从中可以了解到，在功耗方面可以采用哪些特殊的硬件特性来提供IBS的效率。另外，本文还介绍了具有自动电池状态监控功能（无需软件交互）和复杂的唤醒机制的低功耗模式的使用。结果显示，IBS能够在大多数时间内处在低功耗模式中。另外，通过正确的硬件信号处理、可编程的过滤器和简化的校准方 式，我们可以发现软件复杂性已经显著降低。本文还介绍了定点算法原则，结果显示，对于BMS算法中的变量来说，16位定点数据格式常常能够满足要求，只在 少数时候需要32位格式。