電動汽車主從分布式電池管理系統(tǒng)設(shè)計＊

張傳偉 李林陽

（西安科技大學(xué)，西安 710054）

電動汽車主從分布式電池管理系統(tǒng)設(shè)計＊

張傳偉 李林陽

（西安科技大學(xué)，西安 710054）

為解決電動汽車動力電池充放電不均衡、性能易受溫度影響的問題，設(shè)計了一款電池管理系統(tǒng)。整體結(jié)構(gòu)方面，采用了主從分布式方案。硬件方面，設(shè)計了電池電壓采集電路、溫度采集電路、通信電路以及保護均衡電路；軟件方面，設(shè)計了均衡策略、溫度控制策略和電池SOC估計策略，建立了LABVIEW的人機交互界面，實時顯示電池信息。最后，以磁粉制動器作為負(fù)載，進行了模擬工況實驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量誤差小，均衡響應(yīng)快，SOC估計誤差小于4.8%。

1 前言

動力電池是電動汽車的能量來源，同時也是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)重要組成部分，其性能的好壞將決定電動汽車性能的優(yōu)劣[1～3]。由于單體電池生產(chǎn)工藝的差異，產(chǎn)品一致性很難得到保障；另外，電池工作溫度過高或過低也會影響電池的整體性能[4]，因此電池管理系統(tǒng)的開發(fā)一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[5]。如，陶銀鵬[6]開發(fā)了一款分布式的電池管理系統(tǒng)，可以采集電池的基本信息并進行電池SOC估計及修正等；清華大學(xué)李哲等人[7]針對電池?zé)峁芾恚芯苛藙恿﹄姵卦诓煌瑴囟认碌碾姵厝萘俊?nèi)阻和開路電壓的關(guān)系；Stuart T A等人[8]設(shè)計了一款電池均衡管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)單體電池的均衡和控制。這些研究表明，在實際情況下，充分考慮電壓均衡、溫度調(diào)節(jié)、SOC估計以及安全保護等問題是提高管理系統(tǒng)綜合性能的關(guān)鍵。基于此，本文開發(fā)了一款主從分布式電池管理系統(tǒng)，并通過試驗驗證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精確性和穩(wěn)定性。

2 電池管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案

所開發(fā)的電池管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用了主從分布式的設(shè)計方案，其中主控板的主控芯片采用TI公司的TMS320LF2407A芯片；從控板的主控芯片采用飛思卡爾8位芯片MC90S08DZ60[9]。芯片之間的通信采用CAN總線，上位機采用PC建立的LABVIEW界面，實時接收下位機反饋的電池信息，調(diào)節(jié)相應(yīng)的電壓和溫度參數(shù)。主從分布式電池管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 主從分布式電池管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案

由圖1可看出，每個從控板主要完成12個單體電池的電壓和溫度信息的采集、單體電量均衡控制以及溫度調(diào)節(jié)信號反饋等任務(wù)；主控板主要完成數(shù)據(jù)接收、SOC估計、控制相應(yīng)的外圍驅(qū)動模塊和實現(xiàn)人機交互等任務(wù)。

3 電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

電池管理系統(tǒng)的硬件主要包括電壓采集電路、溫度采集電路、單體電壓均衡電路、供電電路、高壓保護電路和通信電路等。其中，電壓、溫度的采集電路、均衡電路、供電模塊和通信電路是設(shè)計的核心。

3.1 單體電池電壓采集和均衡電路模塊

采用凌力爾特科技公司生產(chǎn)的電池管理專用芯片LTC6804采集單體電池的電壓信息，該芯片支持最多12節(jié)電池的電壓監(jiān)控和均衡，其對應(yīng)的電壓采集均衡電路如圖2所示。12個單體電池工作時，電壓采集線接通每個單體電池的正極，然后經(jīng)過RC濾波回路傳入LTC6804芯片的端口（C1，C2……C12）；LTC6804芯片通過SPI通信和隔離模塊將信息反饋到MC90S08DZ60；MC90S08DZ60根據(jù)采集到的電壓信息判斷是否需要采取均衡，若需要均衡則控制LTC6804芯片的端口（S1，S2……S12）導(dǎo)通，從而控制MOS管開啟，啟動均衡電路，將電量過高的單體電池的多余電量通過電阻消耗掉，同時均衡電路LED燈點亮，指示該路均衡正在進行。均衡完成后，控制MOS管關(guān)閉，斷開相應(yīng)均衡電路。

3.2 溫度采集電路的設(shè)計

采用DS18B20溫度傳感器采集單體電池的溫度，這種傳感器最多支持8個DS18B20串聯(lián)在一起使用[10]。將DS18B20溫度傳感器以6個為一組，分兩組分別附著在每個單體電池的表面，以精確采集每個電池的溫度信息。為解決溫度傳感器組兩路5 V供電的問題，采用了PRTR5VOU2X轉(zhuǎn)換器為其提供電壓輸入，溫度采集電路如圖3所示。

圖2 單體電池電壓采集均衡電路

圖3 溫度采集電路

圖3中，采集的溫度信號經(jīng)兩路輸出線分別與MC90S08DZ60的PTD2、PTD3口連接，MC90S08DZ60分時接收溫度傳感器采集的溫度信號。

3.3 電源模塊設(shè)計

電池管理系統(tǒng)需要供電的電壓類型分別為：主控芯片TMS320LF2407A的供電電壓3.3 V，溫度傳感器組、MC90S08DZ60、CAN通信芯片TJA1040的供電電壓5 V，人機交互觸摸屏供電電壓24 V，霍爾電流傳感器供電電壓±15 V，電壓采集芯片LTC6804的供電電壓40 V。

為了解決多種穩(wěn)定輸出電壓問題，同時為了消除LTC6804芯片本身的電量消耗造成的電池組容量失衡問題，采用了外部供電的方案，如圖4所示。

由圖4可看出，車載輔助電源提供12 V直流穩(wěn)定電壓輸入，經(jīng)由5個電源轉(zhuǎn)換電路模塊為電池管理系統(tǒng)的7個核心部件供電。

由于LTC6804芯片需要的供電電壓為11～75 V，當(dāng)監(jiān)控單體電池數(shù)量較多時，需要為其提供40 V左右的電壓才可滿足采集要求，因此，選取了LT3495-1升壓芯片為LTC6804芯片提供40 V的輸入電壓。LT3495-1升壓芯片的外圍電路[11]如圖5所示。

圖4 外部供電方案

圖5 LT3495-1升壓芯片外圍電路

3.4 通信模塊的設(shè)計

3.4.1 CAN總線通信

電池管理系統(tǒng)的主、從控板之間搭載了CAN通信模塊，采用TJA1040系列的CAN總線收發(fā)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時收發(fā)。另外，還添加了兩路光電隔離模塊ADuM1201，以保障數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。CAN總線與隔離模塊的連線圖如圖6所示。

圖6 CAN總線與隔離模塊連線圖

3.4.2 串口通信

電池管理系統(tǒng)的主控板與上位機之間采用了串行通信的方式，主控板上搭載了串口通信專用的MAX232芯片，可將下位機反饋的信息轉(zhuǎn)換為計算機能接收的RS232信號，從而實現(xiàn)上、下位機的通信，其電路如圖7所示。對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)硬件實物如圖8所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括電池的基本信息采集和SOC估計、CAN總線通信、串口通信、均衡控制、溫度均衡調(diào)節(jié)控制、故障診斷和處理6個部分。

圖7 串口通信電路

圖8 電池管理系統(tǒng)硬件實物

4.1 從控板的程序設(shè)計

從控板主要實現(xiàn)電壓信息的采集和均衡以及溫度信息的采集，其功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 從控板功能結(jié)構(gòu)示意

從控板程序執(zhí)行過程為：系統(tǒng)上電并初始化，檢測系統(tǒng)是否存在故障；初始化完畢后主程序開始運行；依次采集電池的電壓信息和溫度信息；從控制板芯片MC90S08DZ60依次對采集的信息進行分析檢測，如果出現(xiàn)異常則采取相應(yīng)的控制策略。從控板主程序如圖10所示。

當(dāng)電壓異常時，MC90S08DZ60根據(jù)計算出的異常電池信息控制LTC6804的端口導(dǎo)通或關(guān)閉，從而控制MOS管開閉，最后實現(xiàn)均衡電路的控制。均衡控制策略流程如圖11所示。圖11中，△U0為系統(tǒng)設(shè)定的均衡臨界值，當(dāng)檢測到的△U＞△U0時就會觸發(fā)均衡。

從控板的溫度調(diào)節(jié)程序如圖12所示，當(dāng)溫度大于溫度上限（50℃）時，MC90S08DZ60將溫度過高信號發(fā)送到主控MCU中，主控MCU將這些信息反饋到整車控制器，并通過溫度調(diào)節(jié)和控制模塊控制空調(diào)的冷通管道與單體電池的通風(fēng)管路連接，從而降低電池溫度，當(dāng)溫度達到合理溫度范圍的中值時斷開管路連接。當(dāng)溫度小于溫度下限（0℃）時，同理，MC90S08DZ60將溫度過低信號發(fā)送到主控MCU中，主控MCU將信息反饋到整車控制器，控制車載空調(diào)的熱通管道與單體電池的通風(fēng)管路連接，從而升高電池溫度，當(dāng)溫度達到合理溫度范圍的中值時斷開管路連接。最終，溫度信息通過MC90S08DZ60反饋到CAN總線，主控板上的數(shù)據(jù)采集模塊再從CAN總線上獲取對應(yīng)信息。

圖10 從控板主程序

圖11 電壓均衡控制策略流程

4.2 主控板程序設(shè)計

電池管理系統(tǒng)主控板程序如圖13所示，其執(zhí)行過程為：系統(tǒng)上電并進行初始化，檢測系統(tǒng)是否存在故障；初始化完畢后主程序開始運行；通過IO口接收電流信號，通過CAN總線接收從控板采集的電壓、溫度信號；根據(jù)采集的信號進行信息匹配，開啟SOC估計子程序估算此時的SOC值并寫入寄存器中；最后通過RS232接口程序或無線模塊通信程序?qū)崿F(xiàn)上、下位機間的數(shù)據(jù)傳輸與通信。

圖12 溫度調(diào)節(jié)子程序

圖13 主控板主程序

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[12]估計SOC值，SOC估計程序如圖14所示。

5 試驗及分析

本文所研究對象為電動汽車用磷酸鐵鋰電池，單體電池額定電壓為3.2 V，容量為20 A·h，成組方式是24串4并。為了驗證所設(shè)計電池管理系統(tǒng)對電池信息的檢測和SOC估計的準(zhǔn)確性，以接入電池管理系統(tǒng)的鋰離子電池組作為供電電源，采用磁粉制動器作為負(fù)載來模擬電動汽車平穩(wěn)運行的工況，采用LABVIEW建立的人機交互界面來監(jiān)控電池狀態(tài)信息。

圖14SOC估計子程序

為了檢測電池管理系統(tǒng)電壓采集的精度，以電池組SOC在75%時為例，將上位機反饋的第一模組的12個電池電壓信息與標(biāo)準(zhǔn)表測得的電壓信息進行對比，結(jié)果如圖15和表1所示。由圖15和表1可知，系統(tǒng)反饋的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)表測試的電壓值基本一致，誤差范圍為± 10 mV。

圖15 單體電池電壓對比曲線

為了檢測電池管理系統(tǒng)的溫度測量精度，采用溫度可調(diào)的恒溫箱進行對比測試，測試溫度為-20～70℃，將恒溫箱的測量結(jié)果與電池管理系統(tǒng)監(jiān)測的溫度進行對比，其中1個單體電池溫度對比結(jié)果如圖16和表2所示。

由圖16和表2可知，在0～70℃溫度下，采樣誤差控制在±3℃內(nèi)，溫度為-20～0℃時出現(xiàn)較大偏差。此偏差對電動汽車電池管理系統(tǒng)影響不大，因為電池管理系統(tǒng)實際運行過程中，其內(nèi)置的熱管理程序可以與電動汽車調(diào)溫裝置配合使用，使電池溫度保持在合理范圍內(nèi)（10～25℃），因而該管理系統(tǒng)溫度采集滿足要求。

表1 單體電池電壓偏差對比

圖16 單體電池溫度檢測結(jié)果對比曲線

表2 單體電池溫度檢測結(jié)果對比 ℃

為了檢驗電池管理系統(tǒng)SOC估計誤差，利用電池組驅(qū)動電機帶動磁粉制動器旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩，使電池以1/4C的電流進行放電；電池管理系統(tǒng)采集電池從滿電狀態(tài)放電到無電狀態(tài)過程中的電壓、電流、溫度信息，估算出相應(yīng)的SOC值。從這些信息中按時間節(jié)點抽取150個樣本，在相同的電壓、電流、溫度條件下，比較電池的理論SOC值與電池管理系統(tǒng)估計SOC值，結(jié)果如圖17所示。

由圖17可看出，該電池管理系統(tǒng)的SOC估計誤差小于4.8%，滿足我國對于電池管理系統(tǒng)SOC估計誤差絕對值小于5%的要求。

圖17 理論SOC值與估計SOC值對比曲線

6 結(jié)束語

為解決電動汽車動力電池充放電不均衡、性能易受溫度影響的問題，設(shè)計了電動汽車主從分布式電池管理系統(tǒng) 。該系統(tǒng)搭載了TMS320LF2407A 與MC90S08DZ60的主從分布式框架，擴展性更強，靈活性高；并充分考慮了均衡、熱管理、SOC估計等關(guān)鍵問題，配套了相應(yīng)的均衡控制策略、溫度控制策略和SOC估算策略。試驗結(jié)果表明，管理系統(tǒng)軟硬件平臺兼容性好，電壓采集偏差控制在10 mV以下，溫度采集偏差控制在±3℃以內(nèi)，SOC估算精度控制在4.8%以內(nèi)，滿足了我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2017年1月5日。

Design of Master-Slave Distributed Battery Management System for Electric Vehicle

Zhang Chuanwei,Li Linyang
（Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054）

In order to solve the problem of unbalanced charging and discharging of electric vehicle battery,and the performance that is easily affected by the temperature,a new battery management system is developed.In term of system structure,the master-slave distributed scheme is adopted.In term of hardware,battery voltage acquisition circuit, temperature acquisition circuit,communication circuit and protection equalizer circuit are designed.In the aspect of software,the balanced control strategy,the temperature control strategy and the SOC estimation strategy are developed.Meanwhile,the human-machine interaction interface of LABVIEW is established,and the battery information can be displayed in real time.Finally the magnetic particle brake is served as the load to simulate the working conditions.The results show that the voltage measurement error of the system is small,the balance response is fast,and the error of SOC estimation is less than 4.8%.

Battery management,Battery monitor,CAN bus,SOC estimation

電池管理 電量監(jiān)控 CAN總線 SOC估計

U469.72

A

1000-3703（2017）05-0045-06

陜西省教育廳科學(xué)研究項目（11JK0869）、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項基金項目（20126121120005）。