針對目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動汽車使用的緊要能源動力鋰離子電池，設計開發(fā)了電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機為核心，采用分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構，可以實時測試動力鋰離子電池的各種運行參數(shù)：電池SOC、總電壓、總電流、單體模塊電壓、電池組內特點溫度。

可以依據(jù)電池狀態(tài)進行故障診斷和報警,同時具有熱管理功能等；系統(tǒng)參數(shù)通過PC進行標定，通過CAN總線與整車其他系統(tǒng)進行通信實現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)已經(jīng)在bK6121EV純電動公交客車上安裝。試驗室和實車實驗結果聲明：系統(tǒng)電池電壓測量精度為1%滿足要求，系統(tǒng)各個功能運行穩(wěn)定、可靠。

電動汽車的無(低)污染優(yōu)勢，使其成為當代汽車發(fā)展的緊要方向[1]。電動汽車從為動力系統(tǒng)供應能源的角度來分類，緊要分為：純電動、混合動力和燃料動力鋰電池汽車。純電動汽車緊要是由動力鋰離子電池供應能源,目前技術相對成熟，可以進行產(chǎn)業(yè)化加工和使用?；旌蟿恿ζ囀怯扇加秃蛣恿π铍姵氐榷喾N能源共同供應能源，通過控制策略使內燃機動力源和電力動力源協(xié)調配合，實現(xiàn)最佳能量分配,既能保持電動汽車超低排放的優(yōu)勢，又彌補了純電動行駛里程短的不足，是一種過渡車型，但是目前技術還沒有完全成熟；燃料動力鋰電池汽車由燃料動力鋰電池作為緊要能源供應驅動汽車所需的功率，由于燃料動力鋰電池是以氫氣為燃料,空氣(O2)為氧化劑進行工作,其排放物質是沒有污染的水,因此非常具有發(fā)展前景,但是目前技術還不成熟。

作為目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動汽車,其緊要能源的動力鋰離子電池是關鍵的部分,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大客車中,動力鋰離子電池占整車成本的三分之一以上,因此為了延長電池的使用壽命,降低使用成本,本文設計了動力鋰離子電池管理系統(tǒng),實現(xiàn)對動力鋰離子電池的在線監(jiān)測與控制。

1電池管理系統(tǒng)分解

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

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)結構

在純電動汽車中將動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動力源,如由北京理工大學和北方客車廠聯(lián)合研制開發(fā)的電動客車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,動力鋰離子電池分成8個電池組,裝在8個電池箱中。從整車角度考慮,設計電池管理系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構,系統(tǒng)結構和在車上的布置情況如圖1所示。系統(tǒng)中在每個電池組中布置電池測控模塊,各個電池測控模塊通過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系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)中央控制器同時通過RS232總線將監(jiān)控信息發(fā)送到信息顯示器,通過CAN總線接口與整車控制系統(tǒng)進行通信。

圖1電池管理系統(tǒng)結構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)應具有如下功能:

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標稱電壓：28.8V
標稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應用領域：勘探測繪、無人設備

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1)參數(shù)測試。實時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、每包電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等

2)剩余電量(SOC)估計。電池剩余能量相當于傳統(tǒng)車的油量。為了讓司機及時了解SOC,系統(tǒng)應即時采集充放電電流、電壓等參數(shù),通過相應的算法進行SOC的估計

3)充放電控制。依據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對電池的充放電。若某個參數(shù)超標,如單體電池電壓過高或過低,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。實時采集每包電池測點溫度,通過對散熱風扇的控制戒備電池溫度過高

5)均衡控制。由于每塊電池個體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原由,因此電池在使用過程中不一致性會越來越嚴重。系統(tǒng)應能判斷并自動進行均衡解決

6)故障診斷。通過對電池參數(shù)的采集,系統(tǒng)具有預測電池性能、故障診斷和提前報警等功能

7)信息監(jiān)控。電池的緊要信息在車載顯示終端進行實時顯示

8)參數(shù)標定。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)應具有對車型、車輛編號、電池類型和電池模式等信息標定的功能。電池管理系統(tǒng)通過RS232接口與上位機標定軟件進行通信來實現(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)進行信息共享。

2電池管理系統(tǒng)硬件設計

依據(jù)動力鋰離子電池管理系統(tǒng)功能和實際參與控制的對象,設計出電池管理系統(tǒng)中央控制器及電池測控模塊[2,3],電池管理系統(tǒng)中央控制器結構如圖2所示。采用功能劃分和模塊化設計思想,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CAN總線與其他控制系統(tǒng)進行通信通過RS485與電池測控模塊進行通信與管理通過RS232,實現(xiàn)與人機接口的通信,以及系統(tǒng)的標定等。電池測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]采集電池組內探測點溫度。通過RS485與中央控制器進行通信。由于電動汽車用電環(huán)境非常復雜,驅動電機、DC/DC和充電機都會萌生強的電磁干擾,從而影響信號在線測試與控制系統(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)中央控制器結構框圖

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向間的分布電容,使導向垂直以減小磁場耦合,減小電源線走線有效面積

6)選用性價比高的器件等。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件均采用模塊化程序設計,中央控制器程序采用C語言編寫,依據(jù)系統(tǒng)具有的功能分為若干子程序,其中包括:標定子程序、SOC估計子程序、故障分解子程序、信號監(jiān)控與報警子程序等電池測控程序采用匯編語言編寫[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

考慮到電動汽車的運行環(huán)境,在系統(tǒng)硬件采用抗干擾措施的基礎上,進行了軟件抗干擾設計。在軟件設計中使用了濾波、冗余、軟件陷阱等技術,戒備程序失效,保證系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)標定程序采用Vb6.0進行開發(fā),采用模塊化程序設計,軟件的緊要功能有:系統(tǒng)參數(shù)標定、數(shù)據(jù)實時采集與保存、數(shù)據(jù)和曲線顯示(包括實時動態(tài)曲線,歷史曲線)、繼電器輸出等[4]。上位機軟件的結構框圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)標定軟件結構

4系統(tǒng)裝車實驗

系統(tǒng)設計完成后,經(jīng)過試驗室考核及算法驗證,已安裝在bFC6110EV和HFF6110GK50電動大客車上,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。結合這2種車型的場地實驗[5]

進行了系統(tǒng)的聯(lián)合調試。圖5是對世紀千網(wǎng)公司鉛酸蓄電池在充電過程中實測數(shù)據(jù)和利用設計系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的比較。實驗聲明:動力鋰離子電池電壓測量誤差為1%,電流測量精度為1%,溫度測量誤差為0.5%,SOC誤差在8%以內,能實時對動力鋰離子電池進行監(jiān)控、故障分解和報警,達到了設計要求。

圖5鉛酸蓄電池停車充電過程中電壓采集數(shù)據(jù)曲線

5結論

該文設計開發(fā)了純電動汽車電池管理系統(tǒng),通過裝車實驗驗證具有:實時測試各種運行參數(shù)、故障診斷報警和熱管理等功能,而且系統(tǒng)精度、可靠性也滿足使用要求,為純電動汽車的推廣使用奠定了基礎。

參考文獻：

[1]孫逢春,張承寧,祝家光.電動汽車21世紀的緊要交通工具[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[2]金偉正,單線數(shù)字溫度傳感器的原理及使用[J].電子技術使用,2000,6:66-68.

[3]張振榮,晉明武,王毅平.MCS-51單片機原理及實用技術[M].北京:人民郵電出版社,2000.

[4]王建群,傅立鼎,南金瑞.分布式溫度測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機使用,2002,22(10):323-324,326.

[5]廖權來,羅玉濤.電動汽車的實驗研究[J].機械工程學報,1997,33(5):71-76.