純電動(dòng)汽車電池電量顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

宮喚春

（燕京理工學(xué)院）

國家十三五規(guī)劃和中國汽車中長期產(chǎn)業(yè)規(guī)劃均明確要求大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車。純電動(dòng)汽車（BEV）主要是利用電能驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行[1]，是真正意義上的零排放汽車，所以BEV必定是未來汽車的主要發(fā)展方向。但是由于BEV中使用的電池組數(shù)量過多，如何合理分配能量使之既能夠保證電池組的安全又能夠保證BEV續(xù)駛里程的增加是目前研究的熱點(diǎn)問題[2]。因此，合理地設(shè)計(jì)BEV的電池電量顯示系統(tǒng)，準(zhǔn)確地監(jiān)測電池組狀態(tài)對分析提高BEV續(xù)駛里程有著至關(guān)重要的作用。文章以C8051F040單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了1套BEV電池電量顯示系統(tǒng)用于監(jiān)測電池使用狀態(tài)，為提高BEV的綜合性能奠定了基礎(chǔ)。

1　基于單片機(jī)的電池能量顯示系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1　總體設(shè)計(jì)方案

文章設(shè)計(jì)的BEV電池電量顯示系統(tǒng)主要包括鋰電池模塊、模擬量參數(shù)采集模塊、電量檢測模塊、中央處理控制模塊及LED顯示模塊。電池電量顯示系統(tǒng)流程，如圖1所示。圖1中的鋰電池模塊和模擬量參數(shù)采集模塊主要是將BEV車載鋰電池電量的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸入到單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算及處理。鋰電池相關(guān)性能參數(shù)[3]眾多，但影響比較大的主要是電流、電壓及溫度3個(gè)參數(shù)，主要用于監(jiān)測電池組中每個(gè)電池電流的一致性，保證電池組的綜合壽命，電壓大小直接影響B(tài)EV的動(dòng)力性能指標(biāo)，溫度用于確保電池組使用過程中的安全性。電量檢測模塊主要用于檢測車載電池組的電量信號并將該信號傳輸?shù)诫娏匡@示模塊中，以提示駕駛者及時(shí)發(fā)現(xiàn)BEV電池組狀態(tài)并進(jìn)行及時(shí)檢測。

圖1　純電動(dòng)汽車電池電量顯示系統(tǒng)流程圖

1.2　單片機(jī)模塊選取

BEV電池電量顯示系統(tǒng)所選用的單片機(jī)為C8051F040，該型號單片機(jī)具備CAN數(shù)據(jù)通訊功能[4]，是一種高效集成性的單片機(jī)，主要采用高速流水線結(jié)構(gòu)，具有防破解的保護(hù)功能，處理速度可以達(dá)到100 kB/s，具有豐富的內(nèi)存和I/O接口部件，具體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　C8051F040單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

C8051F040單片機(jī)主要由高速微控制器內(nèi)核、數(shù)字輸入輸出接口（I/O）及模擬外設(shè)模塊3個(gè)部分組成。單片機(jī)中的電源電壓監(jiān)控裝置用于顯示電池組電量，溫度傳感器用于監(jiān)測電池使用過程中的溫度，便于監(jiān)控電池組的使用安全性。還有一部分是安全保護(hù)電路，用于保證單片機(jī)高效運(yùn)行，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2　系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)過程

2.1　電量檢測模塊設(shè)計(jì)

電量檢測模塊是電池電量顯示系統(tǒng)的重要部件，主要負(fù)責(zé)完成BEV運(yùn)行時(shí)電量輸出的穩(wěn)定性及對整車電量使用情況進(jìn)行監(jiān)測，因此，電量檢測模塊工作時(shí)需要單片機(jī)提供12 V的穩(wěn)定電壓，該電壓由BEV車載鋰電池提供。圖3示出電量檢測模塊電路。該電路主要是通過DC/DC轉(zhuǎn)換獲取供電電源，并能起到抗噪聲及信號干擾的作用。

圖3　電量檢測模塊電路圖

2.2　電壓檢測電路設(shè)計(jì)

電壓檢測電路，如圖4所示。由圖4可以看出，該電路主要通過電容、電阻及場效應(yīng)管（NMOS）共同組成集成電路，起到自動(dòng)平衡的作用。電路分成兩部分：一部分是單體電壓的測取電路，另一部分是所有電池組電路自我平衡的均衡電路。圖4中的BATn+1和BATn[5]是電路輸入端口，反饋電阻的作用是防止系統(tǒng)電流過載，同時(shí)檢測單體電池電流大小，用于分析電量的一致性。當(dāng)電池組充電結(jié)束或者單體電池電壓過高時(shí)，NMOS閉合，并將過高的電流分流，防止電池過充電，確保電池電量的一致性。

圖4　電壓檢測電路圖

2.3　電流檢測電路設(shè)計(jì)

電流是反映電池工作狀態(tài)及容量的重要參數(shù)，用于顯示目前車載電源的剩余電量及還能夠驅(qū)動(dòng)BEV續(xù)駛的里程數(shù)量。因此，對電流檢測模塊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很高的要求，必須既能夠屏蔽干擾信號又能夠準(zhǔn)確地顯示電量剩余情況信息，能夠完成這個(gè)功能的部件是電流傳感器。目前應(yīng)用的電流傳感器種類較多，在選用電流傳感器時(shí)遵循經(jīng)濟(jì)成本適中、信號精度高及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)先選用原則。選用的電流檢測傳感器是FL-2型電流傳感器，測量電流范圍是75 mA～100 A，該傳感器上還裝有溫度感應(yīng)器，能夠完成環(huán)境溫度的檢測，電流傳感器電路，如圖5所示。

圖5　FL-2型電流傳感器電路圖

3　仿真試驗(yàn)分析

文章設(shè)計(jì)的電池電量顯示系統(tǒng)主要用于顯示電池組電量及電源狀態(tài)參數(shù)，需要將可視化界面與顯示系統(tǒng)進(jìn)行融合設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)的電池組電量顯示系統(tǒng)采用MATLAB語言編寫單片機(jī)程序，MATLAB軟件編程過程簡單、語法要求不高且數(shù)據(jù)庫眾多，特別是可以進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，因此與文章的系統(tǒng)非常吻合。以某型號BEV為例，利用文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測了電池電量。某型號BEV的10個(gè)電池組電量顯示仿真試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6　某型號BEV的10個(gè)電池組電池狀態(tài)仿真試驗(yàn)顯示界面

從圖6可以看出1～10組各單體電池的電量狀況是否一致，以確保電池使用的一致性。同時(shí)還顯示出電池組的剩余電量，用于顯示該車的電池組電量還能驅(qū)動(dòng)BEV續(xù)駛里程數(shù)，保證BEV的安全可靠使用。圖6還顯示出機(jī)組溫度和單片機(jī)溫度，用于顯示系統(tǒng)在工作時(shí)的狀態(tài)，確保系統(tǒng)高效工作。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì)及時(shí)報(bào)警以便進(jìn)行檢修。

4　結(jié)論

BEV的電池組電量對汽車綜合性能有著非常重要的影響，文章設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)系統(tǒng)的電池組電量顯示系統(tǒng)，用于顯示BEV行駛過程中電量使用情況，確保BEV安全行駛。并對電量、電壓及電流檢測系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，最后以某BEV為例對電池組電量進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果表明文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地顯示電池組狀態(tài)，檢測精度較高，穩(wěn)定性較好。