動力鋰電池管理系統的設計及SOC的估算

張丹明，周 彥

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

動力電池是影響電動汽車整車性能的關鍵因素，為確保電池性能良好，延長其使用壽命和制定良好的充放電控制策略，管理系統的研發尤為重要.［1］本文針對目前電池管理系統的應用需求設計BMS，主要實現三大功能：1）實時監測電池狀態，采集單體電池電壓、電流和溫度等；2）在正確獲取電池的狀態后進行風扇熱管理、電池均衡管理、故障報警等；3）建立有效的算法，對電池的SOC進行估計，從而對電池組采取合適的充放電控制策略.［2］

1 系統硬件設計

本系統采用5個磷酸鐵鋰電池模組，每個模組由24節單體電池串聯而成，每節單體電池的額定電壓為3.2V，電阻組的總額定電壓約為384V.整個系統采用分布式結構，實現電池管理功能.每個電池組模塊作為一個從控子模塊，主從控系統間用CAN總線進行通信.系統硬件設計框圖如圖1所示，虛線框為從控子模塊框圖.

主控模塊主要功能是采集電池組總壓信號和電流信號，經過信號電路調理濾波輸入到DSP的A／D口；通過軟件算法實現對電池SOC值的估計；實現電壓、電流、溫度、SOC值等數據的存儲和顯示，同時為電池組提供必要接口以及與其它組件建立通信.

從控模塊主要通過單片機發出指令，采集各個模組單體電池電壓、溫度等相關參數；通過采集到的電壓信號對單體電池實行均衡控制；建立SPI通信，實時將數據傳送至主機DSP.［3］

圖1 系統硬件設計框圖

1.1 CPU控制器

根據電池管理系統的設計要求，本文采用TI公司型號TMS320F2808PZA的DSP芯片，作為電池管理系統主控模塊的MCU芯片.

從控模塊MCU芯片采用MOTOROLA公司16位9S12DT128單片機，工作頻率24MHz，128K片內FLASH，4K片內RAM，3路CAN控制器，112腳封裝支持，背景調試模式和大容量存儲器擴展，集成CAN，BDLC，SCI，SPI等多種接口，功能豐富，速度高、功耗低、性價比高、系統設計簡單.

1.2 電壓采集單元

電壓采集單元采用多路通道模擬開關對單體電壓進行巡回檢測.采集原理是：通過模擬開關選通和電路濾波，差分電路將采集到的各單體電池電壓，信號傳送至單片機的A／D口，并顯示電壓值.電壓巡檢采集單元原理見圖2.

差分放大電路選擇價格低廉，具有高轉換率，低輸入偏置和偏置電流，低失調電壓溫度系數的四輸入運算放大器TL084.

多路開關選用CD4051，1片CD4051可完成1～8路模擬信號的輸入選擇與切換.通過地址控制位A、B、C和INH的二進制碼實現多路控制.

圖2 單體電壓采集電路原理框圖

1.3 均衡模塊

本系統中，利用高頻反激變壓器和MOS開關切換控制方案實現均衡控制.變壓器原邊接24V直流源，副邊側每個線圈對應一節單體電池.電池均衡控制的基本原理為：當檢測某單體電池電壓過高時，先閉合該電池端變壓器電路，再閉合24V變壓器電路，進行放電；當檢測某電池模塊電壓過低時，先閉合24V變壓器電路，再閉合電池模塊變壓器電路，進行充電.通過單片機發出指令控制單體電池與副邊繞組間的MOS管，實現對過電壓或欠電壓的均衡.利用直流電源對其充放電，兩端電壓精確可調（圖3）.

理想情況下，均衡充電電壓

其中，Vin為輸入電壓，N為原副邊線圈在匝數比，D為MOS管占空比.

圖3 多副邊繞組變壓

1.4 溫度采集單元

電池組溫度過高或過低會造成電池組不可逆轉破壞.本系統溫度單元采集用PWM溫度傳感器芯片TMP05.每個電池單體附近放置1個TMP05，采用菊花鏈狀連接工作方式，當第一片TMP05的CONV／IN引腳接收到來自MCU產生的啟動脈沖后，進行轉換并測量輸出，并為下一片提供啟動脈沖.輸出方波的高電平的持續時間（TH）是固定的，而低電平的持續時間TL卻隨著溫度而變化.

當CONV／IN引腳設置為低或者浮置時，T／℃＝421－751×（TH／TL）若設置為高電平，則T／℃＝421－93.875×（TH／TL）.其中，TH和TL的值可以通過微處理器的定時／計數口很容易地讀取，然后編程即可實現上述算法，從而得到所測溫度值.這種菊花鏈式接法可以減少I／O口使用，其連接方式見圖4.

圖4 溫度傳感器電路

2 系統軟件設計

硬件電路確定后，電池管理系統的主要功能將依賴于系統軟件功能的實現.

2.1 系統軟件流程

電池管理系統的主要功能是檢測電池組的電流、電壓、過電流、漏電流、溫度等數據，同時在運行過程中估計電池的剩余容量，同時控制風扇和熱管的啟動，并做出各種錯誤報警；將重要數據信息通過CAN總線報送液晶顯示器顯示，建立主從控模塊間的 SPI通信［4］.

本電池管理系統的軟件設計主流程見圖5，首先對系統初始化，對相關參數進行賦值，進入主循環，采集蓄電池組總壓及充放電電流信號；單片機控制子模塊采集單體電壓、溫度；進入SOC估算子程序，完成蓄電池SOC的估算；建立系統SPI通信和CAN 通信；數據存儲與顯示.［4－5］

2.2 SOC算法驗證

SOC描述動力電池的剩余電量，其值的大小直接反映出動力電池的狀態，是保證電池正常工作的重要參考依據.將Ah積分方法和等效電路模型的動態空間形式相結合來建立濾波體系，從而實現Ah計量法、開路電壓法與非線性濾波法三者有機結合的復合估算方法.本實驗采用脈沖放電方式對電池進行放電，放電曲線見圖6.

卡爾曼濾波器用于估計離散時間過程的狀態變量，其系統狀態方程為

定義系統測量變量yk∈Rn，得到測量方程

改進后的Ah法用到卡爾曼濾波器中.ωk、υk分別為過程激勵噪聲和觀測噪聲，為正態分布的白色噪聲［6］.將Ah積分方程作為系統狀態方程，SOC通常作為系統的狀態量xk，uk包括動力電池電流、溫度及放電倍率等變量參數的影響因素.開路電壓uoc作為觀測變量，其值為系統的輸出量.

利用電流積分計算動態過程中SOC的變化量計算公式：

其中，SOC（t0）為電池初始狀態下的SOC值，Qe為電池額定電量，η分別為溫度、放電倍率和循環次數等修正系數［7］.

采用開路電壓法，建立蓄電池模型，其關系式為

其中，R為電池內阻（非定值），K1為極化效應的等效內阻，K2、K3和K4是模型匹配參數.

根據以上分析，復合法以電池端電壓的估計值與測量值之間的誤差，與卡爾曼濾波器的增益值，作為誤差修正值，從而更新下一時刻的SOC估算值.同時基于卡爾曼濾波原理，為保證最佳估計，需保證誤差協方差估算值最小.利用matlab／simulink工具，對鋰電池放電系統建立數學模型.卡爾曼濾波法估計動力蓄電池SOC值仿真結果見圖7.

圖7 蓄電池SOC仿真曲線

3 結束語

本文通過實驗仿真，電池管理系統硬件設計保證了系統的穩定性和精確度，可以實現在線監測和標定.改進的復合SOC算法實現最佳估計，能使該電池管理系統具有較高的SOC估算精度，保證整個電池的工作性能和壽命，具有良好的應用價值.

［1］成 濤，王軍平，陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應用［J］.電池，2004，34（5）：34－45.

［2］李 娜.微型純電動汽車電池管理系統的設計［D］.南京：南京航天航空大學圖書館，2010.

［3］Wei Xuezhe，Sun Zechang，Zou Guangnan.A modularized li－ion battery management System for HEVs［J］.Automotive Engineering，2004.26（6）：629－631.

［4］Lim D，Anbuky A.A distributed industrial battery management network［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（6）：1 181－1 193.

［5］夏超英.電動汽車電池管理系統設計與均衡充電方案研究［D］.天津：天津大學，2006.

［6］鮑齊克 M S.數字濾波與卡爾曼濾波［M］.凌云旦譯.北京：科學出版社.1984.

［7］Gregory L.Plett.Extended Kalman filtering for bat－tery management systems of LiPB－based HEV battery packs Part 2［J］.Modeling and identification，Power Sources，2004，134（2）：262－276.