摘 要： 为了满足车载电台对电池电源大容量、运行稳定、使用简单方便等关键要求，结合现有技术提出了一种基于ARM_M0+内核的电池电源管理系统架构和硬件解决方案。系统以飞思卡尔最新推出的KinetisE系列微处理器为核心，辅以MAX14920芯片对电压进行采集，以高灵活性和高可靠性的方式提供一套电池管理系统方案。整个电池系统采用模块化设计，更换方便。
关键词： MAX14920； KinetisE； 磷酸铁锂电池； 电池管理系统
车载电台在野外工作时需要电池为其提供电力，而磷酸铁锂电池作为一种新型的电池,具有环保、容量大、安全性能好等特性，应用在车载电台上可以在同等体积下存储更多的电力，保障电台工作时间更长。为了方便磷酸铁锂电池在车载电台上使用, 提出了一种基于ARM_M0+内核的电池电源管理系统架构和硬件解决方案。
1 总体技术方案
车载电台需要的车载电池工作电压为24 V，工作电流峰值为20 A，按照对车载电池方便简洁、安全高效的要求进行磷酸铁锂电池管理系统的软硬件设计。整个系
统结合磷酸铁锂电池的特点，采用由飞思卡尔最新推出的基于ARM_M0+内核的E系类芯片作为主处理器，辅以MAX14920芯片进行电压监控的技术方案，实现高效与低能耗的完美结合[1-2]。
本电池管理系统方案的目标在于设计24 V/20 A的100 AH磷酸铁锂电源系统，具有使用方便、高效、稳定等特点，使其完美替代铅酸电池。本系统由四部分组成，分别为3.2寸液晶显示模块、管理模块、磷酸铁锂电池组和保护壳。整个系统共设有3个接口：24 V电源正极和24 V电源负极、 RS485通信接口, 具体的系统结构如图1所示。
2 电池管理系统硬件设计
2.1 器件选择及布局
电台用磷酸铁锂电池管理系统设计所采用的主要器件如表1所示。
按照器件的特点以及电池管理系统的应用场合，对器件进行布局设计，器件布局情况如图2所示。
2.2 核心器件解析
MKE02Z64V芯片[3]是由飞思卡尔公司最新推出的基于ARM_M0+内核的5 V工业级处理器,内置UART、I2C、SPI、ADC等模块，具有20 MHz的处理速度,完全满足系统的设计需求，并且具有较强的抗干扰能力和低功耗。在该系统中使用UART模块与显示模块和RS485接口进行通信,使用I2C模块与AT24C02存储芯片进行数据存储,使用SPI模块与电压采集芯片进行通信,配置MAX14920的工作模式,使用ADC模块完成电池电压的采集和电流采集等。
MAX14920芯片[4]是由美信半导体公司推出的一款电池电源管理芯片，支持12节差分输入，测量精度可达1 mV，最高可支持36 V电压的电池管理;芯片内部集成诊断功能，可对电池检测线开路或短路故障进行检测，具有过压和欠压报警功能;使用SPI接口进行通信，内部集成外部均衡FET驱动，可用于电池均衡电路的开关使用。
2.3 核心电路详解
2.3.1电压采集与均衡电路设计
此电路主要用于完成电池电压的采集、均衡管理等，其电路围绕着核心器件MAX14920芯片进行设计，其具体电路设计如图3所示。
霍尔电流传感器将检测到的电流信号Ip转换成电压信号Ui，该信号再传送到微处理器的CMP模块；CMP模块将该信号与设定的电压阈值进行对比，一旦电压信号Ui大于参考电压Uv，将触发系统的短路故障识别与保护功能；微处理器通过控制I/O口的高低电平来实现P_MOS的通断，进而实现系统短路故障保护功能。
3 电池管理系统软件设计
3.1 软件基本功能
为了保证磷酸铁锂电池电源系统的高效、稳定、使用简单等，设计电池电源管理系统具有如下基本功能：
(1)动态信息采集：对单体电压、温度、电池组电流、电压进行采集；
(2)状态管理：根据系统动态参数对充电状态、放电状态、短路故障等进行显示或报警；
(3)热管理:采集8节单体电池的温度和控制器温度,当温度低于或高于限定温度时将采取保护措施，并进行状态显示；
(4)均衡管理：实时监控8节单体电池的电压，可持续提供高达300 mA的均衡电流；
(5)数据管理：支持RS485通信协议，可读取、调用系统存储的数据及系统工作状态。详细记录系统运行状态、报警等信息，可作为系统诊断的依据；
(6)电池状态评估:精准地对电池组电量状态进行评估，电池损坏度进行评估，当电池损坏度超过设定时需进行报警提醒，方便工作人员更换；
(7)系统自检：系统运行状态实时监控，对系统信息采集、通信、控制等功能进行全面测试，简化系统维护工作。
3.2 电池状态评估
电池管理系统要实时监视电池的运行状态参数，例如温度、电压、电量等，但车载电台用电池供电系统使用场合特殊，需要了解电池组的损坏程度，以便及时更换。电池损坏度主要是根据电池组能量变化建立起来的数学模型进行评估[5]。
3.3 系统软件设计
根据车载电台用磷酸铁锂电池管理系统的使用需求，进行软件功能设计和编写。为了保证系统的运行稳定采用开源的MQX嵌入式操作系统进行多任务管理，根据任务性质的不同可划分为5个功能模块:自检系统、数据采集系统、电池均衡系统、通信系统和显示系统。5个系统功能模块共同作用，决定着电池系统的充电、放电、保护状态的切换。其具体软件工作流程如图5所示[6-7]。
基于ARM_M0+内核的电池电源管理系统现已完成设计，并进行了实际的车载使用测试。在测试期间，系统运行稳定，安全可靠，系统显示的状态参数有效地帮助了后勤人员对设备的维护。但对应系统的某些参数(例如电池损坏度的评估)，会出现不期望的波动，在后续工作中还需要进行深入研究。
参考文献
[1] 杨熙,赵永瑞.基于MAX17830的矿用电池电源管理系统设计[J]. 微型机与应用, 2012,31(21):85-87.
[2] 骆华敏. 嵌入式电动汽车管理系统设计[J]. 煤炭技术, 2004,23(4):79-80.
[3] 飞思卡尔.KE02 sub-family reference manual[Z].飞思卡尔官方数据手册,2013.
[4] 美信.MAX14920 data sheet[Z].美信官方数据手册, 2012.
[5] 潘双夏.基于能量守恒和四线法的SOC估算策略研究[J]. 汽车工程, 2007,29(5):415-452.
[6] 汤竞南.C语言单片机开发与实例[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[7] 飞思卡尔. Freescale MQX实时操作系统用户手册[Z].飞思卡尔半导体, 2010.