電動(dòng)汽車動(dòng)力電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

□武紅玉

一、引言

近年來由于環(huán)境污染和石油能源枯竭，國際對(duì)各種車輛能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度調(diào)整。一方面控制汽車污染物的排放和降低汽車用油量的消耗，世界各地的大型汽車公司都在積極地研發(fā)、推廣新技術(shù)，如三元催化器、廢氣再循環(huán)、柴油機(jī)廢氣煙霧顆粒過濾器等;另一方面提高各種汽車清潔技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，即推廣各種超低或零排放的汽車，如純電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等。電動(dòng)汽車因具有較低排放或零排放、低噪音、低能源利用等特點(diǎn)，成為全球汽車業(yè)研究、開發(fā)和應(yīng)用熱點(diǎn)，已得到各國政府、科研機(jī)構(gòu)和汽車廠商的高度重視，前景一片光明［1］。在我國，電動(dòng)汽車近年來也飛速發(fā)展，相應(yīng)的電池管理問題備受關(guān)注。目前，主流的汽車動(dòng)力電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池和鋰離子電池，其中磷酸鐵鋰電池以其安全性高、循環(huán)壽命長、資源豐富、性能優(yōu)良及環(huán)保等優(yōu)勢在電動(dòng)汽車蓄電池中占據(jù)重要位置。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車在產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化道路上亟待解決的重要問題之一［2］。電池實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測通常被視作一個(gè)電池管理系統(tǒng)最基本的功能，因?yàn)樗瞧渌黜?xiàng)功能的前提與基礎(chǔ)。電池狀態(tài)分析、電池安全管理、能量均衡控制等，都是以實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。本文主要設(shè)計(jì)和研究了磷酸鐵鋰動(dòng)力電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

二、磷酸鐵鋰動(dòng)力電池工作原理

本文采用的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體容量為5Ah，標(biāo)稱電壓是3．2V，終止充放電電壓分別為3．6V、2．0V。陽極材料為磷酸鐵鋰，陰極材料為石墨晶體。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的充放過程是理想可逆的，這是因?yàn)樵诔浞烹娺^程中晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，從而正負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)也基本不變。其充放電反應(yīng)機(jī)理如下所示:

磷酸鐵鋰電池主要靠聚合物隔膜對(duì)鋰離子的選擇透過性，充電時(shí)電池內(nèi)部正極電離出鋰離子通過電解質(zhì)擴(kuò)散到負(fù)極，在外界電勢差的作用下正極的電子通過外部導(dǎo)線由正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極;放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)外部導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到正極，而負(fù)極電離出的鋰離子則通過電解質(zhì)擴(kuò)散到正極，形成回路［3］。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(一)動(dòng)力電池實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括電壓、電流、溫度監(jiān)測模塊、顯示模塊、報(bào)警及SCI 模塊。圖1為實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

(二)主控芯片的選擇。由于系統(tǒng)串聯(lián)電池組單體電池?cái)?shù)量較大，需要采集的信息量較大，數(shù)據(jù)處理量大，運(yùn)算復(fù)雜，與其他模塊的信息交換量大，因此應(yīng)該選用集成度高，數(shù)據(jù)處理速度快，運(yùn)算精度高的處理器作為主控芯片。考慮到以上因素，本系統(tǒng)采用TI 公司的TMS320LF2407 作為主控芯片。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

(三)電壓監(jiān)測電路。目前電壓監(jiān)測的方法有很多種，常見的有:直接監(jiān)測、光耦隔離監(jiān)測、飛度電容法、電阻分壓法等。直接監(jiān)測就是單體電池經(jīng)過保護(hù)電路后直接送給AD 進(jìn)行信號(hào)測量，中間無需經(jīng)過隔離和切換，這種方法可以為每節(jié)電池配有一個(gè)監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)并行監(jiān)測，也可以通過專用芯片同時(shí)監(jiān)測。光耦隔離監(jiān)測原理簡單，但是要用到大量的光耦合器，電路比較復(fù)雜而且光耦的傳輸比誤差較大，會(huì)引起較大測量誤差。飛度電容法需要用到大量繼電器，電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜而且還涉及到電阻分壓，對(duì)電阻的精度要求較高，所以不常使用。本文采用專用串聯(lián)電池組電壓監(jiān)測芯片LTC6802 測量電池組電壓，此種方案電路簡單，測量精度較高，成本較低。TMS320LF2407 自帶SPI 串行通訊模塊，但是此模塊一次讀寫操作給出一次相應(yīng)的片選信號(hào)，此時(shí)序不符合LTC6802 -2 的時(shí)序要求，LTC6802 -2 要求每次片選有效時(shí)都要進(jìn)行多次讀寫操作。因此，不采用TMS320LF2407 自帶的SPI 通訊模塊的片選，而采用TMS320LF2407 的PB4 來給定片選信號(hào)［4］。本系統(tǒng)采用的數(shù)字隔離器件是ADUM1411，它是一種超低功耗4 通道隔離芯片，最高通信速度可達(dá)10M，既適應(yīng)LTC6802 -2 基準(zhǔn)電源驅(qū)動(dòng)能力弱，提供負(fù)載電流小的特點(diǎn)，也符合通信要求。

(四)電流監(jiān)測電路。電流采集模塊采用北京世特美公司的霍爾電流傳感器SO1T_C2．5V1，該傳感器為閉環(huán)式，有三種量程6/15/25A，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所采用電池的容量為5Ah，測試電流按照1C 大約為5A，所以選用量程為6A。輸出電壓為2．5V 左右。本模塊采用ADI 公司的AD 轉(zhuǎn)換芯片AD7988。

(五)溫度監(jiān)測電路。溫度監(jiān)測模塊采用常用傳感器DS18B20，此傳感器體積小，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，直接監(jiān)測溫度不需要外圍電路的特點(diǎn)。DS18B20 可以控制同時(shí)進(jìn)行溫度測量轉(zhuǎn)換，然后將溫度測量結(jié)果分別存放在各自的數(shù)據(jù)暫存單元，讀取溫度時(shí)系統(tǒng)需先發(fā)送要讀取的傳感器序列號(hào)，然后讀取相應(yīng)溫度。

(六)SCI 通信電路。TMS320LF2407 自帶SCI 接口模塊，能與其他外設(shè)進(jìn)行異步通信，可以設(shè)置波特率。SCI 的接收和發(fā)送器都是雙緩沖，有各自的中斷控制和使能工作端，可全雙工工作。本系統(tǒng)采用DSP 的SCI 模塊和PC 機(jī)的RS232串口進(jìn)行異步通信。RS232 標(biāo)準(zhǔn)為25 線，但是可以采用三線制(地、發(fā)送、接收三線)。

(七)液晶顯示電路。1602 是一款支持8 位并行通信的LCD 背光顯示器，內(nèi)部有160 個(gè)點(diǎn)陣字符。供電電壓為4．5到5．5V，本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)主要用于剩余電量的估算和均衡控制，所以測量每節(jié)單體電池電壓電流數(shù)據(jù)用于液晶顯示的實(shí)際意義并不大，因此本系統(tǒng)不顯示電壓電流數(shù)值;液晶顯示電路可以用來顯示電池組單體電池的平均溫度。至于系統(tǒng)所測單體電池的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)可以通過CAN 通信發(fā)送給均衡系統(tǒng)，也可以通過SCI 通信發(fā)送給上位機(jī)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控流程是一個(gè)不斷循環(huán)的程序，用于對(duì)電池組電壓、電流溫度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并進(jìn)行過電流、高溫報(bào)警。將實(shí)時(shí)監(jiān)測信息存儲(chǔ)，以便于上位機(jī)采集。流程圖如圖2示。

圖2 主控流程圖

系統(tǒng)通電后，首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊初始化，并監(jiān)測各模塊是否正常。之后進(jìn)入主循環(huán)，第一步，進(jìn)行主電路電流監(jiān)測，如果過電流，則報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，如果過電流嚴(yán)重則會(huì)斷開系統(tǒng)主電路。第二步，進(jìn)行單體電池溫度監(jiān)測，同樣溫度過高也會(huì)報(bào)警或者斷開系統(tǒng)主電路。第三步，進(jìn)行單體電池電壓監(jiān)測，如果過電壓結(jié)果同上。第四步，將測量結(jié)果存儲(chǔ)，并顯示溫度報(bào)警信息。通過上述流程完成對(duì)電池組電壓、電流和溫度的監(jiān)測，系統(tǒng)在初始化時(shí)候開啟了看門狗定時(shí)器，防止系統(tǒng)陷入死循環(huán)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

五、結(jié)語

本文主要設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池組實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，主要完成了以下幾個(gè)任務(wù):一是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了各模塊的設(shè)計(jì)思路和硬件實(shí)現(xiàn)，得出了適合本系統(tǒng)的監(jiān)測方法。二是本文進(jìn)行了動(dòng)力電池組實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)重要的一部分，是管理系統(tǒng)進(jìn)行剩余電量估算和均衡控制的基礎(chǔ)，具有十分重要實(shí)用價(jià)值。

［1］ 芮秀鳳．純電動(dòng)汽車蓄電池充電系統(tǒng)的研究［D］．安徽理工大學(xué)，2012

［2］ 江學(xué)煥，張金亮，簡煒．電動(dòng)汽車動(dòng)力電池實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．湖北工業(yè)汽車學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，2:24～28

［3］ 馬貴龍，孫延先，喬峰華．磷酸鐵鋰電池的新發(fā)展［J］．中國自行車，2008，11:54～56

［4］ 譚曉軍．電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．廣州:中山大學(xué)出版社，2011