電動汽車動力電池管理系統

陳志楚，潘 峰

（湖北汽車工業學院電信學院，湖北 十堰 442001）

在國內外大力發展純電動汽車 (EV)、混合動力汽車(HEV)的過程中，高能量鋰電池帶來了電動汽車革命性的發展。電池管理系統(BMS)是動力和儲能電池的必需配套。鋰電池單體容量過大，容易產生高溫，誘發不安全因素，因此大容量電池必須通過串并聯的方式形成電池組。而單體電池本身的不一致性和使用環境的細微差別均會造成電池壽命的差別，大大影響整個電池組的壽命和性能。BMS作為實時監控、自動均衡、智能充放電的電子部件，具有保障安全、延長壽命、估算剩余電量等重要功能，是動力和儲能電池組中不可或缺的重要部件[1-3]。

系統設計采用模塊式分布結構，其中主要分三個單元：主控單元、強電控制單元、電壓采集單元，系統結構如圖1所示。

1 系統硬件原理與設計

1.1 主控制單元設計

主控單元主控制芯片采用當今流行的32位ARM微處理器，采用的是恩智浦公司的LPC2368微處理器。因為BMS需要大量的通信和數據處理能力，基于ARM的微處理器具有很強的串行通信能力，和DSP對比，ARM微處理器有性價比高的優勢。

圖2是485通信模塊電路示意圖，485通信芯片采用65LBC184芯片、6N137高速光耦、65LBC184差分數據線收發器，可以滿足250 kb/s的傳輸速率，允許在總線上最多掛接128個類似器件，工作溫度為－45～85℃，完全滿足電動汽車的工作溫度，并可完成超強的ESD保護。其中采用6N137高速光耦來進行隔離的作用在于，考慮到車內的工作環境，如果485通信出現故障，浪涌電壓通過485信號傳輸進入單片機，有可能損壞處理器，所以進行光電隔離。

圖3為CAN通信模塊電路示意圖，CAN通信芯片采用TAJ1040，該款芯片是NXP公司的一款高速CAN數據傳輸芯片。其中電容C20、C25的作用是控制電壓斜坡，D7、D8、D9、D10、D11、D12的作用是防止靜電與浪涌電壓，提高電路的抗電磁干擾能力。

圖4為系統模塊所采用的電源電路，采用LM2596S-5.0，該款芯片為開關電源，輸出電流高達3 A，并且具有功耗小、效率高、輸出線性度好的特點，有效地解決了電源發熱影響系統工作的問題。考慮到汽車上的低壓直流電壓有兩個標準，一般小型車為DC 12 V，中型車或者大型車為DC 24 V，此開關電源可以在輸入高達40 V的情況下，有效地穩壓到5 V。由于RAM芯片供電電壓為3.3 V，采用AMI1117-3.3穩壓芯片，從5 V穩壓到3.3 V，其中L2的作用是去耦電感，提高電源抗干擾能力。

圖4 電源電路示意圖

1.2 強電控制單元設計

強電控制單元采用ATmel公司的ATmega8-APU微控制器，考慮到價格和處理能力的因素，選擇該款芯片。該款微控制器具有8路10位ADC，兩個串行UART，三通道的PWM控制，512字節的EEPROM，8 k字節的系統內可編程Flash。

強電模塊電路主要由電源電路、高壓線絕緣監測電路、通信電路、電流檢測電路、繼電器信號輸出電路等組成。電流檢測采用開環霍爾電流傳感器，該款霍爾電流傳感器可用于測量直流、交流、脈沖電流，并且原邊被測電流與副邊輸出電壓電氣隔離。

1.3 電壓采集單元設計

電壓采集單元控制器采用ATmel公司的ATmega16微控制器，該微控制器的特性在于比上文介紹的ATmega8內部可編程Flash大，達到16 k，并且多出1路PWM端口，達到四路PWM。

多塊大容量動力電池串聯時采集這些單體電壓需要考慮到隔離問題，本設計采用的方法為光耦繼電器法，采用松下公司的AQW212。這種光耦繼電器具有開關速度快、導通電阻極小、使用壽命長的優點。用譯碼器分時導通光耦來采集對應單體的電壓。

溫度傳感器采用常用的溫度傳感器DS18B20，該種傳感器為一款數字芯片，可以使用單總線來訪問內部ROM。采用此種傳感器是考慮到接線簡單，采集溫度范圍大 (－55～125℃)，并且具有較高的精度可以滿足設計要求。

均衡功能采用主動均衡和被動均衡兩種方式，主動均衡采用無損耗基于飛渡電容的均衡方式，主要在電動汽車放電過程中使用。被動均衡方式使用功率器件，進行耗電試均衡，可以達到大電流均衡，其最大缺點是能量損耗及發熱，所以這種均衡方式主要在均衡充電時使用。

2 系統軟件設計

2.1 軟件設計概述

硬件電路確定以后，電池管理系統的主要功能將依賴于系統軟件的實現。系統能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設計外，與功能完善的軟件設計也是分不開的。在軟件設計時，首先要根據控制系統要求分析軟件實現的任務，進行軟件的總體設計，包括程序總體結構設計和對程序進行模塊化設計。按整體功能分成多個不同的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各個模塊組合調試，實現軟件的全部功能。考慮到系統結構和設計軟件的易用性，本系統設計采用C語言編程，因為用到了ARM和AVR的微控制器，使用了兩種開發軟件，ARM的開發軟件為IAR，AVR使用的是ICC的開發環境。

2.2 主控單元

主模塊主程序的主要功能有：初始化系統所有參數、實現任務管理、液晶通信、485通信、CAN通信、數據處理、SOC估算、EEPROM讀寫等。主模塊采用uCOS-II操作系統來進行對任務的管理，增強整個系統工作的穩定性。

(1)主機初始化。首先屏蔽所有中斷，然后進行OS初始化，創建任務，對任務進行調度，來實現系統功能。

(2)圖5所示為接受從機采集模塊數據任務流程圖，任務一是對485通信的調度，首先初始化485通信的各種參數，發送數據包到強電模塊和電壓采集模塊等待回應，如果收到回應，證明通信成功，然后對從機進行初始化，查詢從機地址，等待任務喚醒。任務喚醒后，狀態1：讀每個電壓采集模塊電池數量，進行建包；狀態2：與強電模塊通信，發送查詢數據包，強電模塊返回電流采集參數和絕緣監測結果數據包；狀態3：發送查詢數據包給電壓采集模塊，電壓采集模塊應答，返回電壓參數和溫度參數數據包。每次循環操作完成后再次等待任務喚醒。

圖5 主控單元軟件流程圖

(3)任務二如圖5中的液晶控制流程圖所示。主機初始化后，等待任務喚醒。任務喚醒后，初始化顯示參數，每次通信之前讀取液晶當前界面，識別當前液晶信息之后，確定狀態標志，然后進行數據發送供液晶顯示。

2.3 485通信子程序

如圖6所示，在進入從機通信任務后，主機發送查詢數據包，等待從機回應。如果從機不回應超時，則返回失敗函數不返回數據；從機回應，進行CRC校驗。CRC校驗正確后，進行數據解包，返回數據；若CRC校驗不成功，再次發送查詢數據包，直到CRC校驗正確為止。

圖6 485通信流程圖

2.4 電壓采集單元軟件設計

電壓采集模塊程序流程圖如圖7所示，首先進行系統初始化，控制器對譯碼器進行操作，等待進入AD中斷，進入AD中斷以后讀AD采樣值。若主機發來查詢命令，每次進入AD中斷后，讀取AD采樣值，建包發送采樣值給主機，在每次掃描完電壓值以后，發送溫度采樣值給主機，如上進行循環。

2.5 強電控制單元軟件設計

圖8 強電控制單元軟件流程圖

強電模塊程序流程如圖8所示，首先進行系統初始化，然后等待主機命令。當主機檢測到故障出現時會發送命令進入中斷程序，中斷程序為輸出繼電器信號。若沒有嚴重故障發生時，跳過中斷，等待狀態標志，進行電流采集，絕緣監測，然后建包通過485發送數據給主機。

2.6 軟件抗干擾設計

因為主模塊控制采用了uCOS-II操作系統，其本身具有很高穩定性，但是在調試過程中，偶有出現通信不穩定的情況，后來發現是從機模塊出現問題，導致主機一直通信不上。在把從機都加上看門狗以后，通信成功率得到了提高。

在處理電流顯示時，往往出現電流突然變化、瞬間變化上百安的情況。經過分析應該是采集電流時，電流傳感器離電機比較接近，偶爾會出現干擾，導致電流突然變化，在加入了數字濾波器以后，有效解決了這個問題，電流出現的瞬間變化情況消失。

3 系統調試

3.1 電路板制作

本次設計嚴格按照汽車工業標準來印制電路板，在畫板時充分考慮到電磁兼容的問題。接插件方面選擇工業用航空接插頭，通信線纜選用工業標準的屏蔽雙絞線RVSP進行485通信和CAN通信。下面對本次電路板設計執行的標準進行簡要的介紹。

對地的處理，數字地和模擬地采用電源單點接地，在IC的電源方面大量使用電感和電容，增強電源的去耦性能，去耦電容必須接近IC電源端口。地線的布線嚴格按照電流的流動方向布線。

在元器件的布局方面，采用低速、中速、高速分開布局的方法來減小模塊之間的互擾。安排電路時盡可能使布線最短，保證不適用長距離平行線。

在布線方面，走線采用45°走線，盡量不采用直角走線。減少過孔數量，盡量少用或者不用樹形信號線。采用大面積鋪地來增強系統的抗干擾能力。

3.2 系統裝車調試

為了裝車實際測量，本次調試安裝在一輛東風小康K17改裝的純電動汽車上。該車使用的是45串100 Ah的磷酸鐵鋰電池，其標準工作電壓為2.8～4.0 V。

因為本次設計的電池管理系統電壓采集模塊可以采集16塊鋰電池，該車串聯電池組為45塊，所以本次采用3個電壓采集模塊，每個電壓模塊管理15塊鋰電池、4個溫度采樣點。表1為電池組1電壓采集測試結果。

本次測量的電池為剛采購的電池，所以電池組的單體一致性很好，測量結果達到預期效果（精度±5 mV）。

溫度采樣值如表2所示，當用手握緊溫度傳感器時，液晶顯示數值有明顯上升趨勢，當上升到31℃左右時停止上升，達到預期效果。

電流傳感器安裝在高壓總線上以后，啟動電動車，踩下加速踏板以后，可以檢測到電流值，電流從0線性變化到58 A，因為多方面原因，沒有上路測試，所以在沒有負荷的情況下，不方便測量大的放電電流。在液晶報警設置界面中設置放電切斷電流為50 A時，當踩下加速踏板時，電流值50 A以后，強電模塊馬上輸出開關信號閉合連接上的DC 12 V繼電器，達到預期測試效果。

表1 電池組1電壓采集測試結果

表2 電池組1溫度采樣結果

絕緣檢測時，當用一根銅線連接高壓總負，使其搭鐵時，液晶馬上顯示出報警圖標，驗證成功，達到預期效果。

4 結語

隨著我國電動汽車產業的快速發展，電動汽車動力管理系統作為電動汽車的核心電子產品，正在受到越來越多的重視。本設計使用ATmega16和LPC2368為核心的控制平臺，完成電池的電壓、電流、電量及溫度等多個參數的檢測，而且測量數據和報警參數可在LCD上顯示。系統還通過軟件對傳感器的非線性、溫度等影響進行修正和補償，并具有聲光報警功能，具有較高的實用價值。在后期的研發工作中，還需要對系統進行長時間的大量測試，來獲得實際運行參數，以提高其可靠性和穩定性。另外，在產品的包裝方面還有待升級完善，外殼尺寸需要減小，以便于在小型車內進行安裝。

[1]孟良榮，王金良.電動車電池現狀與發展趨勢[J].電池工業，2006，11(3)：202-206.

[2]盧漢輝.串聯電池組電壓巡檢模塊的設計[J].現代電子技術，2007，16：53-60.

[3]文明，方凱.電動車輛電池電量檢測儀的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2007，3：21-22.