摘 要： 為了滿足車載電臺對電池電源大容量、運行穩定、使用簡單方便等關鍵要求，結合現有技術提出了一種基于ARM_M0+內核的電池電源管理系統架構和硬件解決方案。系統以飛思卡爾最新推出的KinetisE系列微處理器為核心，輔以MAX14920芯片對電壓進行采集，以高靈活性和高可靠性的方式提供一套電池管理系統方案。整個電池系統采用模塊化設計，更換方便。
關鍵詞： MAX14920； KinetisE； 磷酸鐵鋰電池； 電池管理系統
車載電臺在野外工作時需要電池為其提供電力，而磷酸鐵鋰電池作為一種新型的電池,具有環保、容量大、安全性能好等特性，應用在車載電臺上可以在同等體積下存儲更多的電力，保障電臺工作時間更長。為了方便磷酸鐵鋰電池在車載電臺上使用, 提出了一種基于ARM_M0+內核的電池電源管理系統架構和硬件解決方案。
1 總體技術方案
車載電臺需要的車載電池工作電壓為24 V，工作電流峰值為20 A，按照對車載電池方便簡潔、安全高效的要求進行磷酸鐵鋰電池管理系統的軟硬件設計。整個系
統結合磷酸鐵鋰電池的特點，采用由飛思卡爾最新推出的基于ARM_M0+內核的E系類芯片作為主處理器，輔以MAX14920芯片進行電壓監控的技術方案，實現高效與低能耗的完美結合[1-2]。
本電池管理系統方案的目標在于設計24 V/20 A的100 AH磷酸鐵鋰電源系統，具有使用方便、高效、穩定等特點，使其完美替代鉛酸電池。本系統由四部分組成，分別為3.2寸液晶顯示模塊、管理模塊、磷酸鐵鋰電池組和保護殼。整個系統共設有3個接口：24 V電源正極和24 V電源負極、 RS485通信接口, 具體的系統結構如圖1所示。
2 電池管理系統硬件設計
2.1 器件選擇及布局
電臺用磷酸鐵鋰電池管理系統設計所采用的主要器件如表1所示。
按照器件的特點以及電池管理系統的應用場合，對器件進行布局設計，器件布局情況如圖2所示。
2.2 核心器件解析
MKE02Z64V芯片[3]是由飛思卡爾公司最新推出的基于ARM_M0+內核的5 V工業級處理器,內置UART、I2C、SPI、ADC等模塊，具有20 MHz的處理速度,完全滿足系統的設計需求，并且具有較強的抗干擾能力和低功耗。在該系統中使用UART模塊與顯示模塊和RS485接口進行通信,使用I2C模塊與AT24C02存儲芯片進行數據存儲,使用SPI模塊與電壓采集芯片進行通信,配置MAX14920的工作模式,使用ADC模塊完成電池電壓的采集和電流采集等。
MAX14920芯片[4]是由美信半導體公司推出的一款電池電源管理芯片，支持12節差分輸入，測量精度可達1 mV，最高可支持36 V電壓的電池管理;芯片內部集成診斷功能，可對電池檢測線開路或短路故障進行檢測，具有過壓和欠壓報警功能;使用SPI接口進行通信，內部集成外部均衡FET驅動，可用于電池均衡電路的開關使用。
2.3 核心電路詳解
2.3.1電壓采集與均衡電路設計
此電路主要用于完成電池電壓的采集、均衡管理等，其電路圍繞著核心器件MAX14920芯片進行設計，其具體電路設計如圖3所示。
霍爾電流傳感器將檢測到的電流信號Ip轉換成電壓信號Ui，該信號再傳送到微處理器的CMP模塊；CMP模塊將該信號與設定的電壓閾值進行對比，一旦電壓信號Ui大于參考電壓Uv，將觸發系統的短路故障識別與保護功能；微處理器通過控制I/O口的高低電平來實現P_MOS的通斷，進而實現系統短路故障保護功能。
3 電池管理系統軟件設計
3.1 軟件基本功能
為了保證磷酸鐵鋰電池電源系統的高效、穩定、使用簡單等，設計電池電源管理系統具有如下基本功能：
(1)動態信息采集：對單體電壓、溫度、電池組電流、電壓進行采集；
(2)狀態管理：根據系統動態參數對充電狀態、放電狀態、短路故障等進行顯示或報警；
(3)熱管理:采集8節單體電池的溫度和控制器溫度,當溫度低于或高于限定溫度時將采取保護措施，并進行狀態顯示；
(4)均衡管理：實時監控8節單體電池的電壓，可持續提供高達300 mA的均衡電流；
(5)數據管理：支持RS485通信協議，可讀取、調用系統存儲的數據及系統工作狀態。詳細記錄系統運行狀態、報警等信息，可作為系統診斷的依據；
(6)電池狀態評估:精準地對電池組電量狀態進行評估，電池損壞度進行評估，當電池損壞度超過設定時需進行報警提醒，方便工作人員更換；
(7)系統自檢：系統運行狀態實時監控，對系統信息采集、通信、控制等功能進行全面測試，簡化系統維護工作。
3.2 電池狀態評估
電池管理系統要實時監視電池的運行狀態參數，例如溫度、電壓、電量等，但車載電臺用電池供電系統使用場合特殊，需要了解電池組的損壞程度，以便及時更換。電池損壞度主要是根據電池組能量變化建立起來的數學模型進行評估[5]。
3.3 系統軟件設計
根據車載電臺用磷酸鐵鋰電池管理系統的使用需求，進行軟件功能設計和編寫。為了保證系統的運行穩定采用開源的MQX嵌入式操作系統進行多任務管理，根據任務性質的不同可劃分為5個功能模塊:自檢系統、數據采集系統、電池均衡系統、通信系統和顯示系統。5個系統功能模塊共同作用，決定著電池系統的充電、放電、保護狀態的切換。其具體軟件工作流程如圖5所示[6-7]。
基于ARM_M0+內核的電池電源管理系統現已完成設計，并進行了實際的車載使用測試。在測試期間，系統運行穩定，安全可靠，系統顯示的狀態參數有效地幫助了后勤人員對設備的維護。但對應系統的某些參數(例如電池損壞度的評估)，會出現不期望的波動，在后續工作中還需要進行深入研究。
參考文獻
[1] 楊熙,趙永瑞.基于MAX17830的礦用電池電源管理系統設計[J]. 微型機與應用, 2012,31(21):85-87.
[2] 駱華敏. 嵌入式電動汽車管理系統設計[J]. 煤炭技術, 2004,23(4):79-80.
[3] 飛思卡爾.KE02 sub-family reference manual[Z].飛思卡爾官方數據手冊,2013.
[4] 美信.MAX14920 data sheet[Z].美信官方數據手冊, 2012.
[5] 潘雙夏.基于能量守恒和四線法的SOC估算策略研究[J]. 汽車工程, 2007,29(5):415-452.
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[7] 飛思卡爾. Freescale MQX實時操作系統用戶手冊[Z].飛思卡爾半導體, 2010.