新型電動汽車鋰電池管理系統的設計

董 超，李立偉，張洪偉

（1.青島大學自動化工程學院，山東 青島266071；2.山東電力集團公司物資部，山東 濟南250001）

電動汽車的使用有助于保護環境和解決能源短缺問題［1］。電池組作為電動汽車的能源，其正常地工作是安全行駛的重要保證，因此，對電池組工作狀態的管理顯得尤其重要。近年來，對電池管理系統的研究也越來越受到重視。電池管理系統的職能是實時監測電池組狀態，實施必要的管理和保護措施，以提高電池組的利用率，確保電池組工作的安全可靠，進而確保行車安全。

1 系統基本功能介紹

設計的鋰電池管理系統采用電池監測芯片對電動汽車電池的電壓、電流、溫度等信息進行實時監測。采集到的電壓、電流、溫度等信息經過微處理器處理后，相應的信息顯示在顯示屏上。如果電池狀態信息超出正常范圍，系統自動切斷充放電回路并報警。均衡電路的應用，延長了電池組的使用壽命。系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

圖1 電池管理系統基本結構

系統采用O2Micro公司的OZ8940芯片作為電池信息的采集芯片。OZ8940是一款低功耗芯片，工作時電流小于500μA，休眠模式下小于50μA。可支持6～12節串聯電池的信息測量，總的電壓測量范圍為9～60 V。內部包括12路的12位電壓采集ADC，分辨率2.44 mV。1路片內溫度采集ADC，精度為12位，2路片外溫度采集ADC，精度為12位，分辨率1.22 mV。OZ8940可提供兩級保護功能，第一級保護包括過電壓、過電流、過溫度等保護。第二級保護是永久性外部極高過電壓故障的保護。此外，OZ8940支持內部均衡與外部均衡兩種均衡方式。均衡技術的應用，使得電池組特性在充電時保持了良好的一致性，這有助于延長電池組的使用壽命。OZ8940通過I2C接口與MCU進行通信。

2.1 單體電池電壓監測

如圖2所示，12節單體電池串聯構成電池組，從每一節電池的正負極引出接線端子，單體電池的輸入電壓范圍為－0.5 V～8 V。接線端子經過RC低通電路后引入到OZ8940的BAT端口，作為電池電壓的輸入端。RC低通電路可以消除信號中的高頻干擾。在OZ8940中通過一個多路選擇器分別將這12路電壓信號引入到內部12位精度的ADC中進行轉換，轉換結果送至內部邏輯，經過I2C接口與MCU通信。

圖2 電壓采集

2.2 電流監測

采用霍爾電流傳感器對電池組充放電電流進行采集，如圖1中電流采集部分所示。采集到的信息送至MCU進行處理。

2.3 溫度監測

OZ8940內部集成了一個溫度傳感器。片內溫度每升高1℃，內部溫度傳感器輸出電壓增加2.0976 mV。內部溫度傳感器輸出的電壓量會有一定的偏差，這個偏差量可以通過片內EEPROM中INTREF11～INTREF0位在軟件上進行補償。

此外，通過使用OZ8940的GPIO1和GPIO2兩個端口可以采集片外溫度信息。如圖3所示，RT1和RT2是負溫度系數的熱敏電阻，即隨著溫度的升高，其阻值會降低。GPIO0端口提供3.3 V的電壓，GPIO1和GPIO2分別獲得兩路電壓值。端口GPIO1和GPIO1采樣電壓輸入大小分別如式（1）和（2）。

UT1和UT2經過片內的一個多路選擇器送至內部精度為12位的ADC進行轉換。

圖3 溫度采集

2.4 均衡電路

電池組在充電過程或者空閑狀態時，當滿足單體電池電壓高于在片內EEPROM預先設置好的門限值，且單體電池電壓互差（最高電池電壓與最低電池電壓之差）大于預先設置的門限值（精度可以設置為9.76 mV～39 mV），則三極管 T導通，均衡電路［2］開始工作。三極管T和電阻RB為單體電池提供了一個放電回路，使得電池的工作狀態保持了良好的一致性，延長了電池組的使用壽命。值得注意的是，在均衡期間，當系統發生過電壓、過溫度或者過電流等保護事件時，均衡電路停止工作，這是由OZ8940內部結構所決定的。均衡電路原理圖如圖4所示。

圖4 均衡電路原理圖

2.5 保護措施

2.5.1 過電流保護

OZ8940內部集成了一個過電流監測器，它可以監測充放電電流的大小。預先在片內EEPROM設定了過電流門限值，如果電流高于門限值，則系統在經過一定的時間延遲后自動切斷充放電回路。OZ8940在休眠模式下，OZ8940的電流保護失效。實驗中采用霍爾電流傳感器監測電流大小。

2.5.2 過電壓和低電壓保護

OZ8940片內集成了一個過電壓和低電壓監測器。采集到的電池電壓信息與EEPROM中設置的電壓門限值相比較，在充電過程中如果超出了高電壓門限值，則系統在經過一定的時間延遲后，自動切斷充電回路。在放電過程中如果超出了低電壓門限值，則系統經過一定的時間延遲，自動切斷放電回路。這兩個時間延遲均可在EEPROM中預先設置。OZ8940在休眠模式下，過電壓和低電壓保護不工作。此外，當過電壓保護失效時，OZ8940會啟動第二級過電壓保護功能。即當過電壓超過門限值并且存在8個ADC掃描周期時，OZ8940通過OVPF引腳發出一個PF信號給MCU，由MCU來控制切斷充電回路。

2.5.3 高、低溫保護

溫度保護功能是暫時切斷充電或者放電回路，當溫度恢復正常后，則閉合充電或者放電回路。溫度保護的工作原理同樣是將內部溫度傳感器，或者是將由外部溫度采集電路得到的溫度信息，與OZ8940內部的高、低溫門限值相比較，當超過門限值時則啟動保護功能。在電池充放電狀態或者閑置狀態下，觸發了高溫保護功能，系統會同時切斷充電回路和放電回路。低溫保護功能的觸發發生在放電狀態或者閑置狀態下，此時系統僅切斷放電回路。同樣，OZ8940在休眠模式下，高、低溫保護失效。

2.6 電池組信息的處理與顯示

如圖5所示，OZ8940通過I2C接口與STC單片機（MCU）進行通信，它們之間通過光耦隔離有效地將OZ8940的高壓側與STC單片機的低壓側進行了隔離。采集到的電壓信息送至STC單片機進行處理，通過CAN［3］總線送至顯示器顯示。在汽車運行這樣一個高溫、震動及電磁輻射強度高的惡劣環境下，CAN總線因其良好的檢錯能力和高可靠性被廣泛應用。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線。通過單片機P1.0端口和一個MOSFET管，可以使充電回路中的一個熔斷器熔斷，起到了切斷充電回路的作用。即單片機收到OVPF端口產生的一個PF信號后，可由P1.0端口控制一個MOSFET管導通，使得回路熔斷器斷路，進而與OZ8940的第二級過電壓保護功能相配合，起到了保護系統的作用。

圖5 系統通信與顯示

3 軟件設計

STC單片機上電后配置各個寄存器，以及對OZ8940發送控制字命令，完成初始化。系統每隔500 ms定時啟動一次轉換，讀取電池組電壓、電流、溫度等信息，計算電池剩余容量，然后送至顯示器進行顯示。當這些信息超出用戶設定的門限值時，啟動報警。當系統啟動第二級過電壓保護功能時，OZ8940發送一個PF信號給STC單片機，單片機收到這個信號后產生一個中斷，在中斷服務程序里［4］，通過P1.0口控制外部MOSFET管導通，熔斷回路熔斷器，并啟動報警告知用戶。OZ8940將采集到的單體電壓值進行處理，與預先設定的門限值進行比較，當滿足均衡條件時，均衡電路開始工作。系統軟件流程圖如圖6所示。

4 實驗結果及結論

實驗時采用12節40 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯構成電池組。列舉一組實驗數據如下：

設計的電動汽車鋰電池管理系統實現了對電池組電壓、電流、溫度、剩余電量等信息的監測（見表1，表2，表3），單體電壓誤差小于10 mV。過電壓、過電流和溫度保護的應用使得電動汽車在實際運行中更加安全可靠。I2C通信和CAN總線通信簡單可靠。均衡電路的應用有助于延長電池組的使用壽命。系統具有簡明可靠、抗干擾能力強等特點，實驗證明系統的設計是可行的。

圖6 電池管理系統軟件流程

表1 單體電池電壓采集

表2 電流及溫度采集

［1］ 朱正禮，齊洪元，肖太清，等.一種用于新能源整車控制器環境試驗的性能監測系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2011，（8）：94.

［2］ 汪 洋.一種新型鋰電池管理系統的設計與實現［J］.制造業自動化，2010，32（12）：198.

［3］ ISO 11898－1993 Controller Area Network（CAN）for high－speed communication［Z］.

［4］ 喬思潔.鋰電池管理系統的研究和設計［D］.山東：中國海洋大學，2009.