分布式電池管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471934）

分布式電池管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471934）

本文提出的分布式電池管理系統(tǒng)，在具有傳統(tǒng)集中式電池管理系統(tǒng)對電流和電壓同步監(jiān)測和控制的基礎(chǔ)上，將整個控制管理系統(tǒng)分散于電動汽車的各個部位，并與其有機(jī)結(jié)合，能夠更好地適應(yīng)電池管理系統(tǒng)的惡劣工作環(huán)境。本文主要就其各個模塊的設(shè)計布置和電池均衡控制點等方面進(jìn)行了論述。

分布式電池管理系統(tǒng)；控制模塊；均衡管理

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，電動汽車作為新興的代步工具登上歷史舞臺，以電力作為動力系統(tǒng)，迎合了節(jié)能減排的環(huán)境治理方針，對全球的環(huán)境治理和保護(hù)工作有著重要意義。電動汽車減輕環(huán)境治理壓力的過程中存在著許多問題，電池的充放電均衡問題就是其中之一，電動汽車動力是由多個電池單體通過串聯(lián)的方式連接而成，電池組的各個組成單體很難保證各項參數(shù)一致，在充放電的過程中就會出現(xiàn)個體差異，因為它們之間是串聯(lián)的關(guān)系，充電和放電過程中的電流是相同的，所以，在電池組整體進(jìn)行充電放電過程中，各單體之間的充電和放電總時間會存在差異，采用統(tǒng)一的充電和放電時間，個別單體就會出現(xiàn)充電未完成而斷電或充電已完成仍在繼續(xù)充電的現(xiàn)象（放電過程亦是如此），而且會隨著充放電的次數(shù)的增加，個體差異增大。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響電池組的整體使用壽命，若能夠通過恰當(dāng)?shù)拇胧?，通過改變電池組各單體的充放電電流或其他因素，將其充放電時間進(jìn)行統(tǒng)一，便能很好地解決充放電總時間不一致的情況，有效地延長電池組的使用壽命。

綜上所述，一個好的有效的電池管理系統(tǒng)（在電動汽車使用過程中，顯示電池用量和剩余量等各項性能狀況的電子控制系統(tǒng)）能有效地解決電池充放電均衡控制的問題?，F(xiàn)階段我國的電動汽車電池控制系統(tǒng)方面的技術(shù)還不是很成熟，已經(jīng)成為電動汽車普及應(yīng)用的主要制約因素。通過實驗數(shù)據(jù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，電動汽車在使用過程中，一個完善的電池控制系統(tǒng)可以很好地對電池各單體進(jìn)行很好的控制和調(diào)節(jié)，將電池組各電池單體的充電時間和放電時間保持一致，將對電池組個電池單體的調(diào)節(jié)上升到智能化的程度。本文提出一種新的電池管理系統(tǒng)——分布式的電池管理系統(tǒng)。

一、整體方案的設(shè)計

1.設(shè)計的參考標(biāo)準(zhǔn)

汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電動汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》，對電動汽車的電池管理系統(tǒng)方面的專業(yè)術(shù)語、技術(shù)規(guī)范、檢驗規(guī)則等進(jìn)行了規(guī)范，使電動汽車電池管理系統(tǒng)類的文章有了統(tǒng)一的術(shù)語，便于進(jìn)行學(xué)術(shù)上的討論和研究，本文即采用此標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計依據(jù)。

《電動汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》中對電動汽車電池管理系統(tǒng)的使用功能進(jìn)行了具體要求：（1）檢測：能夠比較客觀地反映出電池的即時電流、電壓、電阻、各零部件的使用情況；（2）計算：根據(jù)對電池組各項數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行簡單的邏輯計算，可以通過對剩余電量的統(tǒng)計計算出剩余形式的里程、根據(jù)充放電的次數(shù)及電流電壓的顯示，計算出電池組的使用壽命、根據(jù)使用時的各項參數(shù)計算出額定功率等等；（3）信息傳遞：電動汽車電池組的硬件、軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞；（4）保護(hù)：設(shè)置自動斷電保護(hù)，防止過渡充放電、溫度過高等現(xiàn)象的發(fā)生；（5）優(yōu)化：在遇到預(yù)測發(fā)生的狀況時，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)行優(yōu)化處理，以便更好地使用。

2.總體方案

分布式電池管理系統(tǒng)的建立，就是將傳統(tǒng)的集中式的電池管理系統(tǒng)變換形式，利用CAN總線將負(fù)責(zé)不同功能的各個子系統(tǒng)有機(jī)連接起來，有效減少傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)因其布局集中，無法適應(yīng)惡劣工作環(huán)境情況的發(fā)生，分布式電池管理系統(tǒng)具有更好的安全性能，能夠滿足更高的可靠性要求。分布式電池管理系統(tǒng)就是將管理系統(tǒng)中根據(jù)使用功能的差異，進(jìn)行分開布置，大體分為：中央控制模塊、高壓控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，各個模塊之間以CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。中央控制模塊的主要功能是：將各個數(shù)據(jù)測量模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的邏輯分析及計算，結(jié)合以往數(shù)據(jù)，對電池的使用壽命、最大輸入輸出功率、繼電器的通斷等重要功能進(jìn)行控制，保證電池組更好的運(yùn)行；高壓控制模塊的主要功能是：對電池包的總電壓和總電流進(jìn)行監(jiān)測、對電池組整體絕緣裝置進(jìn)行測量和控制；數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能：分布于電動汽車各個“關(guān)節(jié)”部位此外還有絕緣監(jiān)測裝置，共同對電動汽車運(yùn)行過程中的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過CAN總線進(jìn)行傳遞，以實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的實時控制。

此種分布式的電池管理系統(tǒng)，在傳統(tǒng)集中式電池控制系統(tǒng)中的對電池組電流和電壓同步監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加了控制系統(tǒng)位置布置的靈活性，分散布置能有效回避環(huán)境惡劣的限制，同時不受空間上的限制，可以隨意增減各個模塊的數(shù)量，使電動汽車電池的管理系統(tǒng)具有更高的適應(yīng)性。

二、系統(tǒng)模塊的設(shè)計

1.中央控制模塊

（1）中央控制模塊電路的設(shè)計

中央控制模塊處理器采用PIC24 HJ256GP660；電源芯片采用TPS5420D以及NCP565D2T35G，為各個主模塊提供正常所需電壓；外圍輸入輸出控制采用光耦A(yù)B30S；CAN的收發(fā)器模塊采用CTM1050；CAN收發(fā)器和中央控制模塊中的處理器之間信息轉(zhuǎn)換通過MCP2520來完成；各個主模塊和各個分模塊之間通過CAN主線進(jìn)行有機(jī)連接。

（2）邏輯計算的方式

電動汽車在運(yùn)行過程中，其電池組內(nèi)的各電池單體存在較大的差異，尤其是剩余電量，差異較明顯，而且對電池組整體性能的影響最大，分布式的電池管理系統(tǒng)采用開路點葉凡和安時積分法相結(jié)合的運(yùn)算方法，經(jīng)修正后能將精度誤差控制在7%以內(nèi)。電池組狀態(tài)的不同運(yùn)算的精度也存在較大的差異，現(xiàn)按照電池組的充電、放電和靜止?fàn)顟B(tài)分別對運(yùn)算過程進(jìn)行討論。

以電池靜止時的SOC（環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)）數(shù)值為基準(zhǔn)，參考高壓控制模塊的數(shù)據(jù)，利用安時積分的算法計算充電時的SOC值，達(dá)到充電完畢（充電飽滿）的電壓（充電截止電壓）時，SOC值設(shè)置為0%，按照相同的運(yùn)算手法，達(dá)到放電完畢（放電完全）的電壓（放電截止電壓）時，SOC值設(shè)置為0%，因為充放電過程的狀態(tài)和靜止時的狀態(tài)轉(zhuǎn)變是一個漸變過程，需對靜止時的SOC值進(jìn)行校正（本次試驗采用的是Kalman—Filtering的方法進(jìn)行修正）。

2.高壓控制模塊

高壓控制模塊是對電池包的總電壓和總電流進(jìn)行監(jiān)測、對電池組整體絕緣裝置進(jìn)行測量和控制相關(guān)的電路，其數(shù)據(jù)采集分別是：應(yīng)用運(yùn)放LTC2468將使用電壓以信號形式傳遞給高壓控制模塊處理器，并以相同的運(yùn)放處理裝置將使用電流以信號形式傳遞給高壓控制模塊處理器；采用CTM1045將CAN主線和高壓控制模塊處理器相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；將絕緣監(jiān)測裝置直接安放在高壓控制模塊上，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞工作。

3.數(shù)據(jù)采集模塊

（1）電路的設(shè)計

分布式電池管理系統(tǒng)是以對電池單體的電壓、電流、溫度等單個的電池單體進(jìn)行檢測，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一經(jīng)由CAN主線線路將數(shù)據(jù)傳遞到中央控制模塊處理器，其電路的設(shè)計同樣是以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計安放的，滿足各控制模塊之間的數(shù)據(jù)信息傳遞和整體協(xié)調(diào)工作的。

（2）均衡控制策略

要想實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的均衡控制，其均衡策略是重中之重，若拋開均衡策略，即使得到了電池各單體的運(yùn)行過程數(shù)據(jù)，仍不能保證控制的均衡性，便失去了均衡控制的真正意義。均衡控制的主要體現(xiàn)在電池組進(jìn)行充電的中后期和放電過程的前期，在充電過程的中后期，電池組整體仍在充電，個別電池單體就會出現(xiàn)充電飽滿的現(xiàn)象，此時就需要均衡控制電路對該充電飽滿單體電池的電流進(jìn)行控制，通過減小其充電電流阻止該單體電池充電過渡；電池組進(jìn)行放電過程中，個別單體電池就會出現(xiàn)放電電壓偏低的現(xiàn)象，在放電初期，對該單體電池進(jìn)行電能的補(bǔ)充，使其最終放電電壓不至過低，保證各單體電池的充電放電總時間基本一致，以保證電池組的整體使用壽命。

4.充電管理

充電線路的暢通是保證各個控制模塊之間數(shù)據(jù)傳遞的先決條件，有了其暢通的保證才能將各個控制模塊的數(shù)據(jù)有效的傳遞到中央控制模塊處理器內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)和調(diào)整工作，保證電池的整體性能。本系統(tǒng)中的充電線路接口遵從分線通信協(xié)議和CAN總線通信協(xié)議，能夠保證電池組誤充電，同時對溫度的監(jiān)控，能夠保證電池組不會因溫度過高而發(fā)生安全事故。

結(jié)語

本文提出了分布式電池管理系統(tǒng)，并簡單地介紹了其應(yīng)用的具體方法。綜合起來就是3個主控制系統(tǒng)，分別是：中央控制模塊、高壓控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，各個模塊之間以CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。對3個主控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了設(shè)計、SOC值的運(yùn)算、運(yùn)行電流電壓檢測、電池均衡管理和充電管理。實踐表明，此種電池管理系統(tǒng)具有較高的可行性，有效地保證了電池組各單體電池使用壽命，且過程中能減少過渡充放電現(xiàn)象的發(fā)生，可以積極進(jìn)行推廣應(yīng)用。

［1］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計（第3版）［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.

［3］陳清泉，等.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

U469

A