針對(duì)目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動(dòng)汽車使用的緊要能源動(dòng)力鋰離子電池，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)測(cè)試動(dòng)力鋰離子電池的各種運(yùn)行參數(shù)：電池SOC、總電壓、總電流、單體模塊電壓、電池組內(nèi)特點(diǎn)溫度。

可以依據(jù)電池狀態(tài)進(jìn)行故障診斷和報(bào)警,同時(shí)具有熱管理功能等；系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)PC進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)CAN總線與整車其他系統(tǒng)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)已經(jīng)在bK6121EV純電動(dòng)公交客車上安裝。試驗(yàn)室和實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果聲明：系統(tǒng)電池電壓測(cè)量精度為1%滿足要求，系統(tǒng)各個(gè)功能運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

電動(dòng)汽車的無(wú)(低)污染優(yōu)勢(shì)，使其成為當(dāng)代汽車發(fā)展的緊要方向[1]。電動(dòng)汽車從為動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)能源的角度來(lái)分類，緊要分為：純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料動(dòng)力鋰電池汽車。純電動(dòng)汽車緊要是由動(dòng)力鋰離子電池供應(yīng)能源,目前技術(shù)相對(duì)成熟，可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化加工和使用。混合動(dòng)力汽車是由燃油和動(dòng)力蓄電池等多種能源共同供應(yīng)能源，通過(guò)控制策略使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源和電力動(dòng)力源協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)最佳能量分配,既能保持電動(dòng)汽車超低排放的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了純電動(dòng)行駛里程短的不足，是一種過(guò)渡車型，但是目前技術(shù)還沒(méi)有完全成熟；燃料動(dòng)力鋰電池汽車由燃料動(dòng)力鋰電池作為緊要能源供應(yīng)驅(qū)動(dòng)汽車所需的功率，由于燃料動(dòng)力鋰電池是以氫氣為燃料,空氣(O2)為氧化劑進(jìn)行工作,其排放物質(zhì)是沒(méi)有污染的水,因此非常具有發(fā)展前景,但是目前技術(shù)還不成熟。

作為目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動(dòng)汽車,其緊要能源的動(dòng)力鋰離子電池是關(guān)鍵的部分,在整車成本中占有較高的比例,如在使用金屬鋰離子電池為緊要能源的純電動(dòng)大客車中,動(dòng)力鋰離子電池占整車成本的三分之一以上,因此為了延長(zhǎng)電池的使用壽命,降低使用成本,本文設(shè)計(jì)了動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力鋰離子電池的在線監(jiān)測(cè)與控制。

1電池管理系統(tǒng)分解

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在純電動(dòng)汽車中將動(dòng)力鋰離子電池分組串并聯(lián)形成整車高壓電源為整車供應(yīng)動(dòng)力源,如由北京理工大學(xué)和北方客車廠聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)的電動(dòng)客車bFC6110EV共使用了306塊鋰離子電池,將3塊電池并聯(lián)形成組,最后將102組電池串連,動(dòng)力鋰離子電池分成8個(gè)電池組,裝在8個(gè)電池箱中。從整車角度考慮,設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和在車上的布置情況如圖1所示。系統(tǒng)中在每個(gè)電池組中布置電池測(cè)控模塊,各個(gè)電池測(cè)控模塊通過(guò)485總線與電池管理系統(tǒng)中央控制器連接在一起形成整個(gè)系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)中央控制器同時(shí)通過(guò)RS232總線將監(jiān)控信息發(fā)送到信息顯示器,通過(guò)CAN總線接口與整車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。

圖1電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在車上布置情況示意圖

1.2系統(tǒng)功能分解

電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能:

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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1)參數(shù)測(cè)試。實(shí)時(shí)采集電池充放電狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)有電池總電壓、電池總電流、每包電池測(cè)點(diǎn)溫度以及單體模塊電池電壓等

2)剩余電量(SOC)估計(jì)。電池剩余能量相當(dāng)于傳統(tǒng)車的油量。為了讓司機(jī)及時(shí)了解SOC,系統(tǒng)應(yīng)即時(shí)采集充放電電流、電壓等參數(shù),通過(guò)相應(yīng)的算法進(jìn)行SOC的估計(jì)

3)充放電控制。依據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對(duì)電池的充放電。若某個(gè)參數(shù)超標(biāo),如單體電池電壓過(guò)高或過(guò)低,為保證電池包的正常使用及性能的發(fā)揮,系統(tǒng)將切斷繼電器,停止電池的能量供給

4)熱管理。實(shí)時(shí)采集每包電池測(cè)點(diǎn)溫度,通過(guò)對(duì)散熱風(fēng)扇的控制戒備電池溫度過(guò)高

5)均衡控制。由于每塊電池個(gè)體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原由,因此電池在使用過(guò)程中不一致性會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。系統(tǒng)應(yīng)能判斷并自動(dòng)進(jìn)行均衡解決

6)故障診斷。通過(guò)對(duì)電池參數(shù)的采集,系統(tǒng)具有預(yù)測(cè)電池性能、故障診斷和提前報(bào)警等功能

7)信息監(jiān)控。電池的緊要信息在車載顯示終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示

8)參數(shù)標(biāo)定。由于不同的車型使用的電池類型、數(shù)量、電池組大小和數(shù)量不同,因此系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)車型、車輛編號(hào)、電池類型和電池模式等信息標(biāo)定的功能。電池管理系統(tǒng)通過(guò)RS232接口與上位機(jī)標(biāo)定軟件進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)

9)CAN總線接口。依據(jù)整車CAN通信協(xié)議,與整車其他系統(tǒng)進(jìn)行信息共享。

2電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)功能和實(shí)際參與控制的對(duì)象,設(shè)計(jì)出電池管理系統(tǒng)中央控制器及電池測(cè)控模塊[2,3],電池管理系統(tǒng)中央控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用功能劃分和模塊化設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)分離成不同的功能模塊。電池管理系統(tǒng)中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心,微控制器選用集成了CAN控制器模塊的DSP56F807芯片,CAN收發(fā)器選用PCA82C250。通過(guò)CAN總線與其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通信通過(guò)RS485與電池測(cè)控模塊進(jìn)行通信與管理通過(guò)RS232,實(shí)現(xiàn)與人機(jī)接口的通信,以及系統(tǒng)的標(biāo)定等。電池測(cè)控模塊微控制器選用集成了2路12bit精度A/D的Aduc812芯片,選用數(shù)字溫度傳感器DS18b20[2]采集電池組內(nèi)探測(cè)點(diǎn)溫度。通過(guò)RS485與中央控制器進(jìn)行通信。由于電動(dòng)汽車用電環(huán)境非常復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC和充電機(jī)都會(huì)萌生強(qiáng)的電磁干擾,從而影響信號(hào)在線測(cè)試與控制系統(tǒng)的正常工作。為了減小電磁干擾,采取如下措施:

圖2電池管理系統(tǒng)中央控制器結(jié)構(gòu)框圖

1)在微控制器和CAN收發(fā)器之間加入高速光耦隔離器

2)單片機(jī)工作電源與車輛電源地線分離,消除地線竄擾的可能

3)數(shù)字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝,屏蔽地搭鐵

4)CAN總線選用屏蔽雙絞線,RS485總線也選用雙絞線

5)PCb制作盡量加大線間距以降低導(dǎo)向間的分布電容,使導(dǎo)向垂直以減小磁場(chǎng)耦合,減小電源線走線有效面積

6)選用性價(jià)比高的器件等。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件均采用模塊化程序設(shè)計(jì),中央控制器程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě),依據(jù)系統(tǒng)具有的功能分為若干子程序,其中包括:標(biāo)定子程序、SOC估計(jì)子程序、故障分解子程序、信號(hào)監(jiān)控與報(bào)警子程序等電池測(cè)控程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)[3]。中央控制器主程序流程框圖如圖3所示。

圖3中央控制器主程序流程圖

考慮到電動(dòng)汽車的運(yùn)行環(huán)境,在系統(tǒng)硬件采用抗干擾措施的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了軟件抗干擾設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中使用了濾波、冗余、軟件陷阱等技術(shù),戒備程序失效,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)標(biāo)定程序采用Vb6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用模塊化程序設(shè)計(jì),軟件的緊要功能有:系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與保存、數(shù)據(jù)和曲線顯示(包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線,歷史曲線)、繼電器輸出等[4]。上位機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)標(biāo)定軟件結(jié)構(gòu)

4系統(tǒng)裝車實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室考核及算法驗(yàn)證,已安裝在bFC6110EV和HFF6110GK50電動(dòng)大客車上,這2種車型分別使用了3.6V/200A?h金屬鋰離子電池和12V/85A?h的鉛酸蓄電池。結(jié)合這2種車型的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)[5]

進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。圖5是對(duì)世紀(jì)千網(wǎng)公司鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的比較。實(shí)驗(yàn)聲明:動(dòng)力鋰離子電池電壓測(cè)量誤差為1%,電流測(cè)量精度為1%,溫度測(cè)量誤差為0.5%,SOC誤差在8%以內(nèi),能實(shí)時(shí)對(duì)動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)行監(jiān)控、故障分解和報(bào)警,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5鉛酸蓄電池停車充電過(guò)程中電壓采集數(shù)據(jù)曲線

5結(jié)論

該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng),通過(guò)裝車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有:實(shí)時(shí)測(cè)試各種運(yùn)行參數(shù)、故障診斷報(bào)警和熱管理等功能,而且系統(tǒng)精度、可靠性也滿足使用要求,為純電動(dòng)汽車的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。

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