基于單片機(jī)控制的電池管理系統(tǒng)

馬宗正，王 璞，孫志強(qiáng)

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)和全球變暖問題的加劇，電動(dòng)汽車越來(lái)越受到人們的歡迎，電池及其配套管理系統(tǒng)備受關(guān)注[1-3]。電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池各項(xiàng)參數(shù)的采集和均衡優(yōu)化，提高電池的工作效率，延長(zhǎng)其使用壽命，為電池整個(gè)工作過程的安全提供了強(qiáng)有力的保障[4]。目前，關(guān)于電池管理系統(tǒng)的諸多研究是為了解決電池在實(shí)際應(yīng)用中的某些問題，如王燦華等[5]采用XS128型芯片為主控芯片設(shè)計(jì)的BMS旨在改善電池在充放電過程中的能量均衡控制問題；曲行行等[6]基于MC9S12XEQ512MAL型微控制器設(shè)計(jì)BMS的目的是延長(zhǎng)電池組的使用時(shí)間，改善其整體性能。

對(duì)于開設(shè)電池及其配套系統(tǒng)相關(guān)課程的學(xué)校來(lái)說(shuō)，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)并不足以引起學(xué)生的興趣和加深學(xué)生對(duì)BMS功能的理解，若將實(shí)物引入教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，不僅能夠讓學(xué)生直觀了解BMS各個(gè)模塊，還能讓他們以親身實(shí)踐的方式了解電池性能參數(shù)獲取的動(dòng)態(tài)過程，加深對(duì)BMS相關(guān)知識(shí)的印象，故本研究基于STC89C52型單片機(jī)開發(fā)了一套適應(yīng)日常實(shí)踐教學(xué)的電池管理系統(tǒng)。

1 電池管理系統(tǒng)的基本功能

電池管理系統(tǒng)的重要性在電動(dòng)汽車上體現(xiàn)得越來(lái)越明顯，典型的BMS應(yīng)包含數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)、熱管理、能量管理控制、安全管理和數(shù)據(jù)通信六大功能[7-8]。

本系統(tǒng)是為滿足日常實(shí)踐教學(xué)需求而設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)，僅僅包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)和數(shù)據(jù)顯示，不包括數(shù)據(jù)傳輸、能量管理控制(對(duì)加熱和冷卻系統(tǒng)的控制)等。其中，硬件設(shè)計(jì)包含對(duì)不同模塊元件的選取及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)，軟件方面是通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓、溫度和電流性能參數(shù)的檢測(cè)與采樣，同時(shí)提供對(duì)電池非正常工作狀態(tài)的保護(hù)及對(duì)電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的估算，并在下位機(jī)的控制下將電池的4個(gè)參數(shù)顯示出來(lái)。

本電池管理系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：采集電路、ECU控制電路、顯示電路(圖1)。上述提到的電池的3個(gè)參數(shù)由采集電路采集，不能被單片機(jī)直接讀取，而是轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由主控電路通過單片機(jī)進(jìn)行SOC的計(jì)算及能量管理，最后由LCD1602顯示屏顯示出來(lái)。系統(tǒng)中還增設(shè)安全報(bào)警電路，用來(lái)檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的溫度、SOC值等是否處于正常工作范圍。

圖1 電池管理系統(tǒng)框架

2 BMS硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)選擇

在滿足工作要求的情況下，本系統(tǒng)所選用的最小單片機(jī)系統(tǒng)為STC89C52(圖2)，它具有8位CPU和可編程的閃存系統(tǒng)，性價(jià)比相對(duì)較高，包含復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、程序下載電路等多個(gè)電路，能夠保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[9]。

圖2 最小單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求用5 V直流電壓供電，電源電路如圖3所示。為了避免電流過大損壞電路，需要串聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻保護(hù)LED指示燈，按下自鎖開關(guān)SW1，信號(hào)燈亮，為系統(tǒng)提供5 V的直流電壓。

圖3 電源電路原理圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器采用PCF891型芯片，該芯片的特點(diǎn)在于低功耗和8字節(jié)CMOS等[10]，其作用是將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，工作原理如圖4所示。圖4的電路中增加了2個(gè)10 kΩ的上拉電阻，目的是保證讀取信號(hào)的過程更加穩(wěn)定。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊接口電路原理圖

2.4 信號(hào)處理

2.4.1電流信號(hào)

測(cè)量電流的方法有電阻法和傳感器法，本系統(tǒng)采用的是傳感器法。利用ACS712型傳感器直接對(duì)連接的直流電路進(jìn)行測(cè)試，工作電路產(chǎn)生的電流在流經(jīng)芯片內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)被事先設(shè)置在傳感器內(nèi)部的霍爾元件感應(yīng)到，然后會(huì)因霍爾效應(yīng)產(chǎn)生與之匹配的電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)被傳送至A/D模塊進(jìn)行模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化后，由ECU控制模塊獲取并處理。

2.4.2電壓信號(hào)

鋰電池的額定電壓是12 V，但系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓不能超過6 V，故需要對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行分壓。只有電壓降到0～6 V，A/D轉(zhuǎn)換器才能正常工作，否則A/D轉(zhuǎn)換模塊可能被燒壞，為此對(duì)鋰電池進(jìn)行了分壓處理。

2.4.3溫度信號(hào)

常用的溫度采集方式有熱敏電阻、溫度傳感器和熱電偶3種。由于系統(tǒng)需要測(cè)試電池組內(nèi)部溫度，選用溫度傳感器方式可減少內(nèi)部電路連接，簡(jiǎn)單可靠。DS18B20型溫度傳感器能夠檢測(cè)-55～125 ℃的溫度，而電池工作的最佳溫度為-20～55 ℃，完全符合要求；內(nèi)含上拉電阻，便于連接，測(cè)量結(jié)果也滿足要求。

2.5 顯示與報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要顯示溫度、電壓、電流和SOC值等多個(gè)參數(shù)，故而選用屏幕較大的LCD1602型液晶顯示器，其耗能較少，連接比較簡(jiǎn)單，同時(shí)也不需要外接驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)的溫度、電壓、電流和SOC值超過正常工作范圍時(shí)要發(fā)出警報(bào)，故采用S8550型三極管驅(qū)動(dòng)，低電平進(jìn)行觸發(fā)，工作電壓為3.3～5.0 V。

3 BMS軟件設(shè)計(jì)

BMS軟件是基于Keil軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的，采用C語(yǔ)言編寫程序，主程序流程可分為4個(gè)部分(圖5)。

圖5 主程序流程

(1)系統(tǒng)初始化。將選擇的所有芯片的定時(shí)器及寄存器中的內(nèi)容初始化，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊。

(2)數(shù)據(jù)采集。通過設(shè)置芯片各個(gè)引腳的配置、系統(tǒng)時(shí)鐘、可用中斷方式及EEPROM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式，準(zhǔn)確采集電池的電壓、電流和溫度3個(gè)參數(shù)。由于A/D轉(zhuǎn)換器只能在0～6 V的電壓下將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，故電壓采集的關(guān)鍵在于電源的分壓。采集電流信號(hào)是利用外部電路介入阻值產(chǎn)生的電流，經(jīng)傳感器利用霍爾原理將電流轉(zhuǎn)換為電壓后被A/D轉(zhuǎn)化器采集。

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。利用控制器的輸入/輸出端口將電壓采集模塊和電流采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳送至A/D轉(zhuǎn)換口，把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，結(jié)合溫度信號(hào)對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出電池的SOC值。

(4)電池狀態(tài)判斷與數(shù)據(jù)顯示。若計(jì)算出的SOC值大于95%，蜂鳴器報(bào)警提示，停止對(duì)電池充電；若SOC值小于10%，蜂鳴器同樣報(bào)警提示，并終止電池工作，同時(shí)初始化系統(tǒng)；若SOC值處于10%～95%，說(shuō)明電池可繼續(xù)正常工作。同時(shí)，由A/D模塊采集的電池的電流、電壓、溫度及計(jì)算出的SOC值都通過LCD1602型顯示器顯示。

SOC值估算是本系統(tǒng)最重要的部分，常用的方法有開路電壓法、放電測(cè)試法、安時(shí)積分法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法、卡爾曼濾波法[11]。本系統(tǒng)電源額定電壓較小，對(duì)軟、硬件的要求較低，所以采用較為簡(jiǎn)單開路電壓法和安時(shí)積分法，分別對(duì)初始時(shí)的電池容量和使用過程中的電池容量進(jìn)行估算[12]。

開路電壓法(OVC)[13]是最簡(jiǎn)便的估算SOC值的方法，主要通過測(cè)量靜態(tài)下電池的端電壓，對(duì)充滿電的電池以相同功率進(jìn)行放電，記錄放電過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到SOC值的曲線，然后來(lái)進(jìn)行SOC值估算。安時(shí)積分法[14]是現(xiàn)在普遍使用的一種方法，其原理為在電池初始狀態(tài)已知的情況下，對(duì)電池充電和放電時(shí)的電流進(jìn)行檢測(cè)。由于電流的大小不同，所以采用安時(shí)積分法對(duì)電流和工作時(shí)間進(jìn)行估算：

(1)

式中：SOC0為未充放電的荷電狀態(tài)值；QN為電池總?cè)萘浚籌為電流(放電狀態(tài)為正，充電狀態(tài)為負(fù))；η為充放電效率。

4 實(shí)物檢查及實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)實(shí)物見圖6。系統(tǒng)最終能否正常運(yùn)行可從硬件和軟件兩方面進(jìn)行檢查和實(shí)驗(yàn)。

圖6 實(shí)物

對(duì)于硬件系統(tǒng)，首先檢查線路焊接過程是否存在斷口，利用萬(wàn)用表檢測(cè)電源和傳感器，判斷連接過程中是否存在錯(cuò)誤接線。軟件部分的檢測(cè)是將程序燒錄到系統(tǒng)中運(yùn)行，觀察顯示屏上的數(shù)值是否按照預(yù)期顯示。

利用本系統(tǒng)對(duì)鋰電池實(shí)際電壓和電流進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果與萬(wàn)用表測(cè)試結(jié)果的對(duì)比見圖7和圖8。對(duì)比可知，本系統(tǒng)測(cè)得的電壓值略高于萬(wàn)用表測(cè)試數(shù)據(jù)，電流值與萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)據(jù)基本一致，表明本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 電池電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 電池電流數(shù)據(jù)對(duì)比

同時(shí)，對(duì)本系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)與萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了電壓與電流的誤差分析，誤差計(jì)算公式為|(萬(wàn)用表數(shù)據(jù)-系統(tǒng)數(shù)據(jù))|/系統(tǒng)數(shù)據(jù)×100%，結(jié)果見圖9。由圖9可知，電壓誤差最大為4.7%，電流誤差最大為3.2%，均小于5.0%，認(rèn)為本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 電壓與電流誤差對(duì)比

同時(shí)也看到，本系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與萬(wàn)用表得到的數(shù)據(jù)存在偏差，分析認(rèn)為本系統(tǒng)所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片(PCF891型)為8位，ACS712型傳感器精度為2%，從而使測(cè)試精度存在誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究采用低成本的STC89C52型單片機(jī)開發(fā)了BMS，分別從硬件設(shè)計(jì)、相關(guān)元器件選取、軟件設(shè)計(jì)等方面展開敘述，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)值和實(shí)際值進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其基本符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示的需求。