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純電動汽車電池管理系統的設計及應用

發布時間：2017-03-27 責任編輯：wenwei

【導讀】針對目前唯一可以產業化的純電動汽車使用的主要能源動力電池，設計開發了電池管理系統。系統以單片機為核心，采用分布式網絡控制系統結構，可以實時檢測動力電池的各種運行參數：電池SOC、總電壓、總電流、單體模塊電壓、電池包內特征溫度。

可以根據電池狀態進行故障診斷和報警,同時具有熱管理功能等；系統參數通過PC進行標定，通過CAN總線與整車其他系統進行通信實現信息共享。系統已經在BK6121EV純電動公交客車上安裝。實驗室和實車試驗結果表明：系統電池電壓測量精度為1%滿足要求，系統各個功能運行穩定、可靠。

電動汽車的無(低)污染優點，使其成為當代汽車發展的主要方向[1]。電動汽車從為動力系統提供能源的角度來分類，主要分為：純電動、混合動力和燃料電池汽車。純電動汽車主要是由動力電池提供能源,目前技術相對成熟，可以進行產業化生產和應用。混合動力汽車是由燃油和動力蓄電池等多種能源共同提供能源，通過控制策略使內燃機動力源和電力動力源協調配合，實現最佳能量分配,既能保持電動汽車超低排放的優點，又彌補了純電動行駛里程短的不足，是一種過渡車型，但是目前技術還沒有完全成熟；燃料電池汽車由燃料電池作為主要能源提供驅動汽車所需的功率，由于燃料電池是以氫氣為燃料,空氣(O2)為氧化劑進行工作,其排放物質是沒有污染的水,因此非常具有發展前景,但是目前技術還不成熟。

作為目前唯一可以產業化的純電動汽車,其主要能源的動力電池是關鍵的部分,在整車成本中占有較高的比例,如在使用金屬鋰離子電池為主要能源的純電動大客車中,動力電池占整車成本的三分之一以上,因此為了延長電池的使用壽命,降低使用成本,本文設計了動力電池管理系統,實現對動力電池的在線監測與控制。

1 電池管理系統分析

1.1 系統結構

在純電動汽車中將動力電池分組串并聯形成整車高壓電源為整車提供動力源,如由北京理工大學和北方客車廠聯合研制開發的電動客車BFC6110EV共使用了306塊鋰離子電池,將3塊電池并聯形成組,最后將102組電池串連,動力電池分成8個電池包,裝在8個電池箱中。從整車角度考慮,設計電池管理系統采用分布式網絡控制系統結構,系統結構和在車上的布置情況如圖1所示。系統中在每個電池包中布置電池測控模塊,各個電池測控模塊通過485總線與電池管理系統中央控制器連接在一起形成整個系統。電池管理系統中央控制器同時通過RS232總線將監控信息發送到信息顯示器,通過CAN總線接口與整車控制系統進行通信。

圖1 電池管理系統結構及在車上布置情況示意圖

1.2 系統功能分析

電池管理系統應具有如下功能:

1)參數檢測。實時采集電池充放電狀態。采集的數據有電池總電壓、電池總電流、每包電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等;

2)剩余電量(SOC)估計。電池剩余能量相當于傳統車的油量。為了讓司機及時了解SOC,系統應即時采集充放電電流、電壓等參數,通過相應的算法進行SOC的估計;

3)充放電控制。根據電池的荷電狀態控制對電池的充放電。若某個參數超標,如單體電池電壓過高或過低,為保證電池組的正常使用及性能的發揮,系統將切斷繼電器,停止電池的能量供給;

4)熱管理。實時采集每包電池測點溫度,通過對散熱風扇的控制防止電池溫度過高;

5)均衡控制。由于每塊電池個體的差異以及使用狀態的不同等原因,因此電池在使用過程中不一致性會越來越嚴重。系統應能判斷并自動進行均衡處理;

6)故障診斷。通過對電池參數的采集,系統具有預測電池性能、故障診斷和提前報警等功能;

7)信息監控。電池的主要信息在車載顯示終端進行實時顯示;

8)參數標定。由于不同的車型使用的電池類型、數量、電池包大小和數量不同,因此系統應具有對車型、車輛編號、電池類型和電池模式等信息標定的功能。電池管理系統通過RS232接口與上位機標定軟件進行通信來實現;

9)CAN總線接口。根據整車CAN通信協議,與整車其他系統進行信息共享。

2 電池管理系統硬件設計

根據動力電池管理系統功能和實際參與控制的對象,設計出電池管理系統中央控制器及電池測控模塊[2,3],電池管理系統中央控制器結構如圖2所示。采用功能劃分和模塊化設計思想,系統分離成不同的功能模塊。電池管理系統中央控制器是整個系統的核心,微控制器選用集成了CAN控制器模塊的DSP56F807芯片,CAN收發器選用PCA82C250。通過CAN總線與其他控制系統進行通信;通過RS485與電池測控模塊進行通信與管理;通過RS232,實現與人機接口的通信,以及系統的標定等。電池測控模塊微控制器選用集成了2路12bit精度A/D的Aduc812芯片,選用數字溫度傳感器DS18B20[2]采集電池包內測試點溫度。通過RS485與中央控制器進行通信。由于電動汽車用電環境非常復雜,驅動電機、DC/DC和充電機都會產生強的電磁干擾,從而影響信號在線檢測與控制系統的正常工作。為了減小電磁干擾,采取如下措施:

圖2 電池管理系統中央控制器結構框圖

1)在微控制器和CAN收發器之間加入高速光耦隔離器;

2)單片機工作電源與車輛電源地線分離,消除地線竄擾的可能;

3)數字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝,屏蔽地搭鐵;

4)CAN總線選用屏蔽雙絞線,RS485總線也選用雙絞線;

5)PCB制作盡量加大線間距以降低導向間的分布電容,使導向垂直以減小磁場耦合,減小電源線走線有效面積;

6)選用性價比高的器件等。

3 系統軟件設計

系統軟件均采用模塊化程序設計,中央控制器程序采用C語言編寫,根據系統具有的功能分為若干子程序,其中包括:標定子程序、SOC估計子程序、故障分析子程序、信號監控與報警子程序等;電池測控程序采用匯編語言編寫[3]。中央控制器主程序流程框圖如圖3所示。

圖3 中央控制器主程序流程圖

考慮到電動汽車的運行環境,在系統硬件采用抗干擾措施的基礎上,進行了軟件抗干擾設計。在軟件設計中使用了濾波、冗余、軟件陷阱等技術,防止程序失效,保證系統正常運行。系統標定程序采用VB6.0進行開發,采用模塊化程序設計,軟件的主要功能有:系統參數標定、數據實時采集與保存、數據和曲線顯示(包括實時動態曲線,歷史曲線)、繼電器輸出等[4]。上位機軟件的結構框圖如圖4所示。