電動汽車動力電池管理系統(tǒng)

陳志楚，潘 峰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電信學(xué)院，湖北 十堰 442001）

在國內(nèi)外大力發(fā)展純電動汽車 (EV)、混合動力汽車(HEV)的過程中，高能量鋰電池帶來了電動汽車革命性的發(fā)展。電池管理系統(tǒng)(BMS)是動力和儲能電池的必需配套。鋰電池單體容量過大，容易產(chǎn)生高溫，誘發(fā)不安全因素，因此大容量電池必須通過串并聯(lián)的方式形成電池組。而單體電池本身的不一致性和使用環(huán)境的細(xì)微差別均會造成電池壽命的差別，大大影響整個電池組的壽命和性能。BMS作為實(shí)時監(jiān)控、自動均衡、智能充放電的電子部件，具有保障安全、延長壽命、估算剩余電量等重要功能，是動力和儲能電池組中不可或缺的重要部件[1-3]。

系統(tǒng)設(shè)計采用模塊式分布結(jié)構(gòu)，其中主要分三個單元：主控單元、強(qiáng)電控制單元、電壓采集單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件原理與設(shè)計

1.1 主控制單元設(shè)計

主控單元主控制芯片采用當(dāng)今流行的32位ARM微處理器，采用的是恩智浦公司的LPC2368微處理器。因?yàn)锽MS需要大量的通信和數(shù)據(jù)處理能力，基于ARM的微處理器具有很強(qiáng)的串行通信能力，和DSP對比，ARM微處理器有性價比高的優(yōu)勢。

圖2是485通信模塊電路示意圖，485通信芯片采用65LBC184芯片、6N137高速光耦、65LBC184差分?jǐn)?shù)據(jù)線收發(fā)器，可以滿足250 kb/s的傳輸速率，允許在總線上最多掛接128個類似器件，工作溫度為－45～85℃，完全滿足電動汽車的工作溫度，并可完成超強(qiáng)的ESD保護(hù)。其中采用6N137高速光耦來進(jìn)行隔離的作用在于，考慮到車內(nèi)的工作環(huán)境，如果485通信出現(xiàn)故障，浪涌電壓通過485信號傳輸進(jìn)入單片機(jī)，有可能損壞處理器，所以進(jìn)行光電隔離。

圖3為CAN通信模塊電路示意圖，CAN通信芯片采用TAJ1040，該款芯片是NXP公司的一款高速CAN數(shù)據(jù)傳輸芯片。其中電容C20、C25的作用是控制電壓斜坡，D7、D8、D9、D10、D11、D12的作用是防止靜電與浪涌電壓，提高電路的抗電磁干擾能力。

圖4為系統(tǒng)模塊所采用的電源電路，采用LM2596S-5.0，該款芯片為開關(guān)電源，輸出電流高達(dá)3 A，并且具有功耗小、效率高、輸出線性度好的特點(diǎn)，有效地解決了電源發(fā)熱影響系統(tǒng)工作的問題?？紤]到汽車上的低壓直流電壓有兩個標(biāo)準(zhǔn)，一般小型車為DC 12 V，中型車或者大型車為DC 24 V，此開關(guān)電源可以在輸入高達(dá)40 V的情況下，有效地穩(wěn)壓到5 V。由于RAM芯片供電電壓為3.3 V，采用AMI1117-3.3穩(wěn)壓芯片，從5 V穩(wěn)壓到3.3 V，其中L2的作用是去耦電感，提高電源抗干擾能力。

圖4 電源電路示意圖

1.2 強(qiáng)電控制單元設(shè)計

強(qiáng)電控制單元采用ATmel公司的ATmega8-APU微控制器，考慮到價格和處理能力的因素，選擇該款芯片。該款微控制器具有8路10位ADC，兩個串行UART，三通道的PWM控制，512字節(jié)的EEPROM，8 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash。

強(qiáng)電模塊電路主要由電源電路、高壓線絕緣監(jiān)測電路、通信電路、電流檢測電路、繼電器信號輸出電路等組成。電流檢測采用開環(huán)霍爾電流傳感器，該款霍爾電流傳感器可用于測量直流、交流、脈沖電流，并且原邊被測電流與副邊輸出電壓電氣隔離。

1.3 電壓采集單元設(shè)計

電壓采集單元控制器采用ATmel公司的ATmega16微控制器，該微控制器的特性在于比上文介紹的ATmega8內(nèi)部可編程Flash大，達(dá)到16 k，并且多出1路PWM端口，達(dá)到四路PWM。

多塊大容量動力電池串聯(lián)時采集這些單體電壓需要考慮到隔離問題，本設(shè)計采用的方法為光耦繼電器法，采用松下公司的AQW212。這種光耦繼電器具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻極小、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。用譯碼器分時導(dǎo)通光耦來采集對應(yīng)單體的電壓。

溫度傳感器采用常用的溫度傳感器DS18B20，該種傳感器為一款數(shù)字芯片，可以使用單總線來訪問內(nèi)部ROM。采用此種傳感器是考慮到接線簡單，采集溫度范圍大 (－55～125℃)，并且具有較高的精度可以滿足設(shè)計要求。

均衡功能采用主動均衡和被動均衡兩種方式，主動均衡采用無損耗基于飛渡電容的均衡方式，主要在電動汽車放電過程中使用。被動均衡方式使用功率器件，進(jìn)行耗電試均衡，可以達(dá)到大電流均衡，其最大缺點(diǎn)是能量損耗及發(fā)熱，所以這種均衡方式主要在均衡充電時使用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計概述

硬件電路確定以后，電池管理系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計外，與功能完善的軟件設(shè)計也是分不開的。在軟件設(shè)計時，首先要根據(jù)控制系統(tǒng)要求分析軟件實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，進(jìn)行軟件的總體設(shè)計，包括程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和對程序進(jìn)行模塊化設(shè)計。按整體功能分成多個不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計、編程、調(diào)試，然后將各個模塊組合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)軟件的全部功能?？紤]到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計軟件的易用性，本系統(tǒng)設(shè)計采用C語言編程，因?yàn)橛玫搅薃RM和AVR的微控制器，使用了兩種開發(fā)軟件，ARM的開發(fā)軟件為IAR，AVR使用的是ICC的開發(fā)環(huán)境。

2.2 主控單元

主模塊主程序的主要功能有：初始化系統(tǒng)所有參數(shù)、實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、液晶通信、485通信、CAN通信、數(shù)據(jù)處理、SOC估算、EEPROM讀寫等。主模塊采用uCOS-II操作系統(tǒng)來進(jìn)行對任務(wù)的管理，增強(qiáng)整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

(1)主機(jī)初始化。首先屏蔽所有中斷，然后進(jìn)行OS初始化，創(chuàng)建任務(wù)，對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

(2)圖5所示為接受從機(jī)采集模塊數(shù)據(jù)任務(wù)流程圖，任務(wù)一是對485通信的調(diào)度，首先初始化485通信的各種參數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)包到強(qiáng)電模塊和電壓采集模塊等待回應(yīng)，如果收到回應(yīng)，證明通信成功，然后對從機(jī)進(jìn)行初始化，查詢從機(jī)地址，等待任務(wù)喚醒。任務(wù)喚醒后，狀態(tài)1：讀每個電壓采集模塊電池數(shù)量，進(jìn)行建包；狀態(tài)2：與強(qiáng)電模塊通信，發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包，強(qiáng)電模塊返回電流采集參數(shù)和絕緣監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)包；狀態(tài)3：發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包給電壓采集模塊，電壓采集模塊應(yīng)答，返回電壓參數(shù)和溫度參數(shù)數(shù)據(jù)包。每次循環(huán)操作完成后再次等待任務(wù)喚醒。

圖5 主控單元軟件流程圖

(3)任務(wù)二如圖5中的液晶控制流程圖所示。主機(jī)初始化后，等待任務(wù)喚醒。任務(wù)喚醒后，初始化顯示參數(shù)，每次通信之前讀取液晶當(dāng)前界面，識別當(dāng)前液晶信息之后，確定狀態(tài)標(biāo)志，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送供液晶顯示。

2.3 485通信子程序

如圖6所示，在進(jìn)入從機(jī)通信任務(wù)后，主機(jī)發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包，等待從機(jī)回應(yīng)。如果從機(jī)不回應(yīng)超時，則返回失敗函數(shù)不返回數(shù)據(jù)；從機(jī)回應(yīng)，進(jìn)行CRC校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)正確后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，返回數(shù)據(jù)；若CRC校驗(yàn)不成功，再次發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包，直到CRC校驗(yàn)正確為止。

圖6 485通信流程圖

2.4 電壓采集單元軟件設(shè)計

電壓采集模塊程序流程圖如圖7所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，控制器對譯碼器進(jìn)行操作，等待進(jìn)入AD中斷，進(jìn)入AD中斷以后讀AD采樣值。若主機(jī)發(fā)來查詢命令，每次進(jìn)入AD中斷后，讀取AD采樣值，建包發(fā)送采樣值給主機(jī)，在每次掃描完電壓值以后，發(fā)送溫度采樣值給主機(jī)，如上進(jìn)行循環(huán)。

2.5 強(qiáng)電控制單元軟件設(shè)計

圖8 強(qiáng)電控制單元軟件流程圖

強(qiáng)電模塊程序流程如圖8所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后等待主機(jī)命令。當(dāng)主機(jī)檢測到故障出現(xiàn)時會發(fā)送命令進(jìn)入中斷程序，中斷程序?yàn)檩敵隼^電器信號。若沒有嚴(yán)重故障發(fā)生時，跳過中斷，等待狀態(tài)標(biāo)志，進(jìn)行電流采集，絕緣監(jiān)測，然后建包通過485發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)。

2.6 軟件抗干擾設(shè)計

因?yàn)橹髂K控制采用了uCOS-II操作系統(tǒng)，其本身具有很高穩(wěn)定性，但是在調(diào)試過程中，偶有出現(xiàn)通信不穩(wěn)定的情況，后來發(fā)現(xiàn)是從機(jī)模塊出現(xiàn)問題，導(dǎo)致主機(jī)一直通信不上。在把從機(jī)都加上看門狗以后，通信成功率得到了提高。

在處理電流顯示時，往往出現(xiàn)電流突然變化、瞬間變化上百安的情況。經(jīng)過分析應(yīng)該是采集電流時，電流傳感器離電機(jī)比較接近，偶爾會出現(xiàn)干擾，導(dǎo)致電流突然變化，在加入了數(shù)字濾波器以后，有效解決了這個問題，電流出現(xiàn)的瞬間變化情況消失。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 電路板制作

本次設(shè)計嚴(yán)格按照汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來印制電路板，在畫板時充分考慮到電磁兼容的問題。接插件方面選擇工業(yè)用航空接插頭，通信線纜選用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線RVSP進(jìn)行485通信和CAN通信。下面對本次電路板設(shè)計執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡要的介紹。

對地的處理，數(shù)字地和模擬地采用電源單點(diǎn)接地，在IC的電源方面大量使用電感和電容，增強(qiáng)電源的去耦性能，去耦電容必須接近IC電源端口。地線的布線嚴(yán)格按照電流的流動方向布線。

在元器件的布局方面，采用低速、中速、高速分開布局的方法來減小模塊之間的互擾。安排電路時盡可能使布線最短，保證不適用長距離平行線。

在布線方面，走線采用45°走線，盡量不采用直角走線。減少過孔數(shù)量，盡量少用或者不用樹形信號線。采用大面積鋪地來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 系統(tǒng)裝車調(diào)試

為了裝車實(shí)際測量，本次調(diào)試安裝在一輛東風(fēng)小康K17改裝的純電動汽車上。該車使用的是45串100 Ah的磷酸鐵鋰電池，其標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為2.8～4.0 V。

因?yàn)楸敬卧O(shè)計的電池管理系統(tǒng)電壓采集模塊可以采集16塊鋰電池，該車串聯(lián)電池組為45塊，所以本次采用3個電壓采集模塊，每個電壓模塊管理15塊鋰電池、4個溫度采樣點(diǎn)。表1為電池組1電壓采集測試結(jié)果。

本次測量的電池為剛采購的電池，所以電池組的單體一致性很好，測量結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果（精度±5 mV）。

溫度采樣值如表2所示，當(dāng)用手握緊溫度傳感器時，液晶顯示數(shù)值有明顯上升趨勢，當(dāng)上升到31℃左右時停止上升，達(dá)到預(yù)期效果。

電流傳感器安裝在高壓總線上以后，啟動電動車，踩下加速踏板以后，可以檢測到電流值，電流從0線性變化到58 A，因?yàn)槎喾矫嬖?，沒有上路測試，所以在沒有負(fù)荷的情況下，不方便測量大的放電電流。在液晶報警設(shè)置界面中設(shè)置放電切斷電流為50 A時，當(dāng)踩下加速踏板時，電流值50 A以后，強(qiáng)電模塊馬上輸出開關(guān)信號閉合連接上的DC 12 V繼電器，達(dá)到預(yù)期測試效果。

表1 電池組1電壓采集測試結(jié)果

表2 電池組1溫度采樣結(jié)果

絕緣檢測時，當(dāng)用一根銅線連接高壓總負(fù)，使其搭鐵時，液晶馬上顯示出報警圖標(biāo)，驗(yàn)證成功，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

隨著我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車動力管理系統(tǒng)作為電動汽車的核心電子產(chǎn)品，正在受到越來越多的重視。本設(shè)計使用ATmega16和LPC2368為核心的控制平臺，完成電池的電壓、電流、電量及溫度等多個參數(shù)的檢測，而且測量數(shù)據(jù)和報警參數(shù)可在LCD上顯示。系統(tǒng)還通過軟件對傳感器的非線性、溫度等影響進(jìn)行修正和補(bǔ)償，并具有聲光報警功能，具有較高的實(shí)用價值。在后期的研發(fā)工作中，還需要對系統(tǒng)進(jìn)行長時間的大量測試，來獲得實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，以提高其可靠性和穩(wěn)定性。另外，在產(chǎn)品的包裝方面還有待升級完善，外殼尺寸需要減小，以便于在小型車內(nèi)進(jìn)行安裝。

[1]孟良榮，王金良.電動車電池現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電池工業(yè)，2006，11(3)：202-206.

[2]盧漢輝.串聯(lián)電池組電壓巡檢模塊的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，16：53-60.

[3]文明，方凱.電動車輛電池電量檢測儀的設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2007，3：21-22.