電動汽車電池管理系統(tǒng)研究

賈利軍 張亞梅

摘要：目前，電池管理技術(shù)是制約電動汽車行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，本文根據(jù)電動汽車目前采用的電池特點和要求，在常見的管理方案前提下，針對單個電池的電壓數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢測，在整合數(shù)據(jù)、故障診斷、信息分析方面具有一定的優(yōu)勢。可以在一定的傳輸速率前提下，完成對電池參數(shù)的實時監(jiān)控，并且通過主控制器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)定安全電壓和安全電流，保持電池網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的整體性和完整性，當出現(xiàn)異常情況下可以立即斷開異常回路，實現(xiàn)對整個電動汽車電池管理控制單元的有效控制。

關(guān)鍵詞：電動汽車 電池管理 控制單元

1 概述

20世紀以來，全球汽車工業(yè)的不斷發(fā)展導(dǎo)致地球環(huán)境惡化，各國都面臨著能源危機，環(huán)境污染的問題。這也促使了各個國家開始大規(guī)模投資在新科技、新能源領(lǐng)域，以解決目前的危機。在上個世紀90年代美國開發(fā)一批電動汽車樣車，得到了廣泛的好評。電動汽車的結(jié)構(gòu)簡單，操控系統(tǒng)靈活，設(shè)計新穎出色，更重要的是對環(huán)境沒有任務(wù)污染物的排放。稱為目前代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料的汽油機和柴油機的最佳替代品。這也成為各國爭相開展電動汽車技術(shù)創(chuàng)新的突破點。電動汽車的核心部件就是動力電池。為了維持一定的續(xù)航能力，保證電池在工作過程中的安全性，需要我們加強對電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究，做好電池管理系統(tǒng)與汽車總線控制系統(tǒng)的銜接。

2 電池管理系統(tǒng)功能分析

電池管理的主要目的是能夠?qū)﹄妱悠噭恿﹄姵氐墓ぷ鳡顟B(tài)進行實時監(jiān)控，可以最大限度的使用電池能量，提高單位體積電池組的能量比；在提高蓄電池續(xù)航里程的前提下，增加電池的使用時間。目前，多數(shù)電池管理系統(tǒng)都采用集成化模塊，電動汽車動力電池對于電池的使用安全性和穩(wěn)定性具有較高要求，因此，電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計功能直接影響動力輸出與續(xù)航里程。為了滿足電動汽車對電池管理的功能要求，我們從五個方面來說明電池管理系統(tǒng)的主要作用，見圖1。

由于動力電池本身性質(zhì)的差異，以及在生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)的誤差，導(dǎo)致每一單格電池的存電量、輸出電壓、端電壓、端電流等出現(xiàn)不同程度的差異性。這些單格電池之間的差異會影響到整個電池組的電量輸出等關(guān)鍵參數(shù)，也對動力電池組使用的時間有所縮短。隨著電動汽車用電設(shè)備和部件的增多，要求電池管理系統(tǒng)不斷完善和增加部分功能，對電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步的優(yōu)化，使電池管理系統(tǒng)在功能上具有更大的擴展性，在運行上可以更加方便操作。

3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計

電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行初步優(yōu)化和重新設(shè)計后，將嵌入式平臺引入控制單元。對電池管理系統(tǒng)的運行程序進行調(diào)試后，總結(jié)該系統(tǒng)特點如下：

①集成性較高性能優(yōu)良的英特爾處理器，該處理器低功率損耗；②電池管理系統(tǒng)采用的先進的Windows 系統(tǒng)，方便用戶進行數(shù)據(jù)傳輸與溝通；③系統(tǒng)具有良好的擴展功能和內(nèi)部存儲功能，允許高層通信協(xié)議的運行。④該系統(tǒng)能夠?qū)AN總線與RS232串行通信結(jié)合在一起，對電池管理實施綜合管理，構(gòu)成了兩種動力電池不同管理方案。如圖2：

方案一：

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圖2 電池管理系統(tǒng)方案一結(jié)構(gòu)圖

方案二：

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圖3 電池管理系統(tǒng)方案二結(jié)構(gòu)圖

兩種電池管理系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)方案不同點在于，運行網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信方式。第一種設(shè)計方案采用的是CAN總線通信技術(shù)，這種管理系統(tǒng)操作可以實現(xiàn)一點對多點之間的數(shù)據(jù)通信，也可以是多點對多點進行通信，傳輸速率快，效率高，可以滿足不同電池組的控制系統(tǒng)。第二種方案的設(shè)計較為簡單，只需要一個電路系統(tǒng)監(jiān)控板來與串行接口連接，一個電池組連接一塊監(jiān)控板，實施單點對單點的管理模式，結(jié)構(gòu)簡單，管理直接方便。數(shù)據(jù)傳輸準確快速。但是，不能滿足多組電池同時管理的數(shù)據(jù)傳輸需求。

本系統(tǒng)按照方案二進行初步設(shè)計，并不斷在完善功能。這種單一的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點是，依托嵌入式數(shù)據(jù)通信平臺，將監(jiān)控板與采樣板用RS232串行接口連接，用來監(jiān)控電池電壓電流等數(shù)據(jù)，采樣板與主控制器之間采用1-Wire總線通信。

4 采樣板設(shè)計

電池管理系統(tǒng)中需要在第一時間將電池的工作參數(shù)采集到主控制單元中，這樣就要將采樣板直接設(shè)計為電池組的固定板上。相當于電池組自我管理系統(tǒng)。電池采樣板中的核心部件是DS2770。這是達拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種用來計算電池剩余電量的集成基礎(chǔ)電路。采樣板可以通過1-wire的數(shù)據(jù)接口將采集到的電池的各種參數(shù)信號傳遞到主控制器，并存儲到處理單元的存儲器中。

如果檢測控制系統(tǒng)內(nèi)部電流，則需要計算引腳S1和S2兩者之間在工作時的電壓之差。如圖4所示：

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圖4 讀電流值流程圖

5 電池管理系統(tǒng)控制程序?qū)崿F(xiàn)

利電池管理系統(tǒng)的主要作用是對電池組進行動態(tài)監(jiān)控和充電放電程序的控制。系統(tǒng)要實現(xiàn)充電時可以對充電電流進行監(jiān)控，將監(jiān)控的數(shù)據(jù)存儲到控制器內(nèi)。鋰離子電池組管理系統(tǒng)采用的是嵌入式管理系統(tǒng)，可以堅持單片機和采樣板的數(shù)據(jù)上傳到控制單元。圖5是對電池系統(tǒng)的各項參數(shù)的檢測過程，看以看出監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測單體電池的平均電壓、平均電流、平均溫度等參數(shù)。

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參考文獻：

[1]KuchtaR， VrbaR . Measuring and Monitoring Systemfor Electric Cars，Diagnostics for Electric Machines， Power Electric and Drives[G].2003.4th IEEE International Symosum on 24 - 26 Aug.2003：342-344.

[2]A.Affanni，A.Bellini，G Franceschini，Guglielmi，and C.Tassoni，”Battery choice and management for new？generation electric vehicles，”Industrial Electronics，IEEE Transactions on，v01.52，PP.1343-1349，2005.

[3]GL.Plett，.Extended Kalman filtering for baRery management systems of LiPB-based HEV battery packs？Part 1.Background，Journal of Power Sources，v01.1 34，PP.252-261，2004.