如何使用ISOSPI总线实现物流车电池管理系统的设计

　　动力电池组作为新能源电动汽车的关键组件之一，其状态估测、安全保护、故障处理对于电动汽车都有着重要的意义。动力电池管理系统通过实时监测电池电压、温度、充放电电流等信息，对电池组的运行状态进行估计，实施相应的保护措施。

　　本文将针对东莞中山大学研究院电动汽车研究中心电动物流车项目电池系统的要求，设计开发适用于物流车的电池管理系统，主要工作如下：

　　（1） 本文根据物流车项目电池系统要求，在CAN网络总线及isoSPI总线的基础上，设计电池管理系统拓扑结构，并提出电池管理系统的功能需求及技术参数指标。

　　（2） 本文基于电池管理系统的功能要求及技术参数指标，设计完成硬件框架及电路。电池组控制单元的硬件电路设计包括电源唤醒、高压检测、绝缘检测及通信等模块。电池监测回路的硬件电路设计包括电池监测及均衡电路等模块。嵌入式系统内存单元的分配包括引导软件内存及应用软件内存。

　　（3） 本文基于C语言设计完成嵌入式系统软件。设计工作主要包括启动引导软件、嵌入式底层驱动软件、任务调度层软件以及应用层软件。软件部分的功能包括嵌入式系统的启动，电池系统的状态采集、状态估测以及安全保护、故障处理等。

　　（4） 本文完成了电池管理系统的测试。测试工作主要包括单体电压监测精度、电池组电流监测精度、温度监测精度以及绝缘检测、均衡控制、电池组充放电等功能。此外，在工况测试中，电池管理系统完成了电池组原始数据的采集、荷电状态估算等任务。

　　近年来，电力工业技术的发展，电池性能的提升，电动汽车逐步被消费者所接纳。在电动汽车飞速发展的背景下，各大整车厂、电池厂及传统的半导体厂商都加入到电池管理系统的研发行列［11］ 。

　　以特斯拉MODEL S为例，其电池管理系统采用主从控制架构。主控制器负责高压绝缘检测、高压互锁、电池组继电器控制、总线通信等功能；从控制器负责单体电压及电池组温度监测，以及数据上报等功能。特斯拉电池管理系统的主控制器具备主副双处理器设计，副处理器实时监测主处理器的工作状态，一旦发现主处理器失效，副处理器能够获取电池管理系统的控制权限。MODEL S的电池管理系统多处加入了此类的冗余设计，以提高系统的安全特性［13］ 。宝马i3的电池管理系统由德国普瑞公司研发，其中包括了电池组管理单元和单电芯监测传感单元。在普瑞公司此次推出的电池管理系统中，单电芯检测传感单元实时监测电池组的单体电压及组内温度变化，并将所监测到的数据上报回电池组管理单元。电池组管理单元将收集的监测数据进行处理，并对电池组状态进行评估［14］ 。目前，此类分布式的电池管理系统应用最为广泛。在这种拓扑结构中，电池组与电池管理系统从整车功能中分离独立，整车系统形成了电池监测回路、电池组控制单元、整车控制器以及电机控制器的三层两网络的拓扑结构。其优点在于，装配过程模块化、操作简单，电池及温度采样线束固定、采样距离相对均匀。除上述两种车型采用分布式电池管理系统外，大众E-GOLF，荣威E50以及三菱i-MiEV均采用此类的拓扑结构。表1-3中给出对三种不同车型监测回路的比较。

　　本文主要设计内容

　　论文以物流车项目为核心基础，结合本中心电动汽车项目积累的经验，设计一款适用于物流车的电池管理系统产品。工作重点包括电池管理系统（Battery Management System，BMS）总体设计、电池组控制单元（Battery Control Unite，BCU）硬软件设计、电池监测回路（Battery Management Circuit，BMC）硬软件设计以及综合测试四大部分：

　　（1） 本文根据物流车的整车参数及电动物流车动力电池参数，设计BMS的拓扑结构，并提出BMS预期的功能及参数指标，该部分内容将在第二章中详细论述。

　　（2） BCU及BMC的硬件电路的设计，其中包括了嵌入式处理器最小系统模块、电源及唤醒模块、高压检测及绝缘检测模块、电池组电流检测模块、均衡模块、电池监测模块以及通信模块。该部分内容将在第三章中详细论述。

　　（3） 启动引导软件、BCU及BMC软件设计，其中包括了硬件驱动层、任务调度层以及应用程序层的软件程序。该部分内容将在第四章中详细论述。

　　（4） BMS功能验证及工况测试工作，其中包括单体电压监测精度、电池组电流监测精度、温度监测精度以及绝缘检测、均衡控制、电池组充放电等功能。在工况测试中，电池管理系统完成了电池组数据的采集、荷电状态（State of Charge，SoC）的估算等。该部分内容将在第五章中详细论述。