【導(dǎo)讀】針對(duì)目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動(dòng)汽車(chē)使用的主要能源動(dòng)力電池，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的各種運(yùn)行參數(shù)：電池SOC、總電壓、總電流、單體模塊電壓、電池包內(nèi)特征溫度。
可以根據(jù)電池狀態(tài)進(jìn)行故障診斷和報(bào)警,同時(shí)具有熱管理功能等；系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)PC進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)CAN總線(xiàn)與整車(chē)其他系統(tǒng)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)已經(jīng)在BK6121EV純電動(dòng)公交客車(chē)上安裝。實(shí)驗(yàn)室和實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)電池電壓測(cè)量精度為1%滿(mǎn)足要求，系統(tǒng)各個(gè)功能運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)(低)污染優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)代汽車(chē)發(fā)展的主要方向[1]。電動(dòng)汽車(chē)從為動(dòng)力系統(tǒng)提供能源的角度來(lái)分類(lèi)，主要分為：純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池汽車(chē)。純電動(dòng)汽車(chē)主要是由動(dòng)力電池提供能源,目前技術(shù)相對(duì)成熟，可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。混合動(dòng)力汽車(chē)是由燃油和動(dòng)力蓄電池等多種能源共同提供能源，通過(guò)控制策略使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源和電力動(dòng)力源協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)最佳能量分配,既能保持電動(dòng)汽車(chē)超低排放的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了純電動(dòng)行駛里程短的不足，是一種過(guò)渡車(chē)型，但是目前技術(shù)還沒(méi)有完全成熟；燃料電池汽車(chē)由燃料電池作為主要能源提供驅(qū)動(dòng)汽車(chē)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(jìn)行工作,其排放物質(zhì)是沒(méi)有污染的水,因此非常具有發(fā)展前景,但是目前技術(shù)還不成熟。
作為目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動(dòng)汽車(chē),其主要能源的動(dòng)力電池是關(guān)鍵的部分,在整車(chē)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(dòng)大客車(chē)中,動(dòng)力電池占整車(chē)成本的三分之一以上,因此為了延長(zhǎng)電池的使用壽命,降低使用成本,本文設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制。
1 電池管理系統(tǒng)分析
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在純電動(dòng)汽車(chē)中將動(dòng)力電池分組串并聯(lián)形成整車(chē)高壓電源為整車(chē)提供動(dòng)力源,如由北京理工大學(xué)和北方客車(chē)廠聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)的電動(dòng)客車(chē)BFC6110EV共使用了306塊鋰離子電池,將3塊電池并聯(lián)形成組,最后將102組電池串連,動(dòng)力電池分成8個(gè)電池包,裝在8個(gè)電池箱中。從整車(chē)角度考慮,設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和在車(chē)上的布置情況如圖1所示。系統(tǒng)中在每個(gè)電池包中布置電池測(cè)控模塊,各個(gè)電池測(cè)控模塊通過(guò)485總線(xiàn)與電池管理系統(tǒng)中央控制器連接在一起形成整個(gè)系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)中央控制器同時(shí)通過(guò)RS232總線(xiàn)將監(jiān)控信息發(fā)送到信息顯示器,通過(guò)CAN總線(xiàn)接口與整車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。
圖1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在車(chē)上布置情況示意圖
1.2 系統(tǒng)功能分析
電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能:
1)參數(shù)檢測(cè)。實(shí)時(shí)采集電池充放電狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)有電池總電壓、電池總電流、每包電池測(cè)點(diǎn)溫度以及單體模塊電池電壓等;
2)剩余電量(SOC)估計(jì)。電池剩余能量相當(dāng)于傳統(tǒng)車(chē)的油量。為了讓司機(jī)及時(shí)了解SOC,系統(tǒng)應(yīng)即時(shí)采集充放電電流、電壓等參數(shù),通過(guò)相應(yīng)的算法進(jìn)行SOC的估計(jì);
3)充放電控制。根據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對(duì)電池的充放電。若某個(gè)參數(shù)超標(biāo),如單體電池電壓過(guò)高或過(guò)低,為保證電池組的正常使用及性能的發(fā)揮,系統(tǒng)將切斷繼電器,停止電池的能量供給;
4)熱管理。實(shí)時(shí)采集每包電池測(cè)點(diǎn)溫度,通過(guò)對(duì)散熱風(fēng)扇的控制防止電池溫度過(guò)高;
5)均衡控制。由于每塊電池個(gè)體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原因,因此電池在使用過(guò)程中不一致性會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。系統(tǒng)應(yīng)能判斷并自動(dòng)進(jìn)行均衡處理;
6)故障診斷。通過(guò)對(duì)電池參數(shù)的采集,系統(tǒng)具有預(yù)測(cè)電池性能、故障診斷和提前報(bào)警等功能;
7)信息監(jiān)控。電池的主要信息在車(chē)載顯示終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;
8)參數(shù)標(biāo)定。由于不同的車(chē)型使用的電池類(lèi)型、數(shù)量、電池包大小和數(shù)量不同,因此系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)車(chē)型、車(chē)輛編號(hào)、電池類(lèi)型和電池模式等信息標(biāo)定的功能。電池管理系統(tǒng)通過(guò)RS232接口與上位機(jī)標(biāo)定軟件進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn);
9)CAN總線(xiàn)接口。根據(jù)整車(chē)CAN通信協(xié)議,與整車(chē)其他系統(tǒng)進(jìn)行信息共享。
2 電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)功能和實(shí)際參與控制的對(duì)象,設(shè)計(jì)出電池管理系統(tǒng)中央控制器及電池測(cè)控模塊[2,3],電池管理系統(tǒng)中央控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用功能劃分和模塊化設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)分離成不同的功能模塊。電池管理系統(tǒng)中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)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(fā)器選用PCA82C250。通過(guò)CAN總線(xiàn)與其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通信;通過(guò)RS485與電池測(cè)控模塊進(jìn)行通信與管理;通過(guò)RS232,實(shí)現(xiàn)與人機(jī)接口的通信,以及系統(tǒng)的標(biāo)定等。電池測(cè)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(shù)字溫度傳感器DS18B20[2]采集電池包內(nèi)測(cè)試點(diǎn)溫度。通過(guò)RS485與中央控制器進(jìn)行通信。由于電動(dòng)汽車(chē)用電環(huán)境非常復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC和充電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾,從而影響信號(hào)在線(xiàn)檢測(cè)與控制系統(tǒng)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(tǒng)中央控制器結(jié)構(gòu)框圖
1)在微控制器和CAN收發(fā)器之間加入高速光耦隔離器;
2)單片機(jī)工作電源與車(chē)輛電源地線(xiàn)分離,消除地線(xiàn)竄擾的可能;
3)數(shù)字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝,屏蔽地搭鐵;
4)CAN總線(xiàn)選用屏蔽雙絞線(xiàn),RS485總線(xiàn)也選用雙絞線(xiàn);
5)PCB制作盡量加大線(xiàn)間距以降低導(dǎo)向間的分布電容,使導(dǎo)向垂直以減小磁場(chǎng)耦合,減小電源線(xiàn)走線(xiàn)有效面積;
6)選用性?xún)r(jià)比高的器件等。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件均采用模塊化程序設(shè)計(jì),中央控制器程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě),根據(jù)系統(tǒng)具有的功能分為若干子程序,其中包括:標(biāo)定子程序、SOC估計(jì)子程序、故障分析子程序、信號(hào)監(jiān)控與報(bào)警子程序等;電池測(cè)控程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)[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(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行環(huán)境,在系統(tǒng)硬件采用抗干擾措施的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了軟件抗干擾設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中使用了濾波、冗余、軟件陷阱等技術(shù),防止程序失效,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)標(biāo)定程序采用VB6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用模塊化程序設(shè)計(jì),軟件的主要功能有:系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與保存、數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)顯示(包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn),歷史曲線(xiàn))、繼電器輸出等[4]。上位機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)標(biāo)定軟件結(jié)構(gòu)
4 系統(tǒng)裝車(chē)試驗(yàn)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室考核及算法驗(yàn)證,已安裝在BFC6110EV和HFF6110GK50電動(dòng)大客車(chē)上,這2種車(chē)型分別使用了3.6V/200A?h金屬鋰離子電池和12V/85A?h的鉛酸電池。結(jié)合這2種車(chē)型的場(chǎng)地試驗(yàn)[5]
進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。圖5是對(duì)世紀(jì)千網(wǎng)公司鉛酸電池在充電過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的對(duì)比。試驗(yàn)表明:動(dòng)力電池電壓測(cè)量誤差為1%,電流測(cè)量精度為1%,溫度測(cè)量誤差為±0.5%,SOC誤差在8%以?xún)?nèi),能實(shí)時(shí)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行監(jiān)控、故障分析和報(bào)警,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
圖5 鉛酸電池停車(chē)充電過(guò)程中電壓采集數(shù)據(jù)曲線(xiàn)
5 結(jié)論
該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了純電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng),通過(guò)裝車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證具有:實(shí)時(shí)檢測(cè)各種運(yùn)行參數(shù)、故障診斷報(bào)警和熱管理等功能,而且系統(tǒng)精度、可靠性也滿(mǎn)足使用要求,為純電動(dòng)汽車(chē)的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]孫逢春,張承寧,祝家光.電動(dòng)汽車(chē)——21世紀(jì)的重要交通工具[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.
[2]金偉正,單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器的原理及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2000,6:66-68.
[3]張振榮,晉明武,王毅平.MCS-51單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2000.
[4]王建群,傅立鼎,南金瑞.分布式溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,22(10):323-324,326.
[5]廖權(quán)來(lái),羅玉濤.電動(dòng)汽車(chē)的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1997,33(5):71-76.
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