純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計

李名莉，邱兵濤

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動化學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

近年來，汽車行業(yè)飛速發(fā)展，環(huán)境惡化、能源危機(jī)等問題隨之而來。純電動汽車依靠電源，能量利用率高，且構(gòu)造簡單、無廢氣排放，日益受到許多國家的重視。純電動汽車的快速發(fā)展離不開先進(jìn)技術(shù)的支持，發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵是對動力電池的電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)進(jìn)行研究[1-3]。BMS決定了電池組的安全性。鋰離子電池則符合對電池能量使用、循環(huán)壽命以及安全性提出的要求。此外，鋰離子電池還具備無記憶效應(yīng)、大功率充放電、對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣[4-7]。

電池管理系統(tǒng)功能強(qiáng)大，在電動汽車運(yùn)行或充電過程中可以實時監(jiān)控。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將及時反饋到CAN總線。此時車輛集成控制器或充電機(jī)會采取相應(yīng)措施，以保障電池組的安全。

1 電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計

本系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為主控制器和分控制器。BMS結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 BMS結(jié)構(gòu)框圖

主控制器主要用于接收分控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)，完成對電池組電壓、溫度、充放電電流的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對故障的監(jiān)測和報警。通過CAN網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)傳送到整車控制器。主控制器接收到整車控制器反饋的控制信息，從而實現(xiàn)對BMS的相對控制。控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示[6-9]。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)圖

分控制器用于采集信息，本系統(tǒng)采用3個分控制器，可管理144個單體鋰電池相串聯(lián)的電池組。每個分控制器上有8個AD7280A，可以監(jiān)測48個單體鋰離子電池的48個溫度點(diǎn)，對48個單體鋰離子電池進(jìn)行均衡[8-11]。3個分控制器監(jiān)管電池組電壓，測量溫度點(diǎn)，負(fù)責(zé)主控制器的部分運(yùn)算。

2 CAN通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案

在硬件上，電池管理系統(tǒng)采用的是MC9S12XEQ512中的3個CAN模塊。第一個模塊是主控制器和分控制器之間的CAN通信。主控制器把執(zhí)行命令傳送給分控制器，分控制器則將基本數(shù)據(jù)、計算結(jié)果、故障信息等反饋給主控制器，屬于內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)。第二個模塊是CAN網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)連接整車控制器在電池管理系統(tǒng)、車載控制器間傳遞信息和命令。第三個模塊是內(nèi)部自建的局域CAN網(wǎng)絡(luò)。主控制器利用此網(wǎng)絡(luò)方便與上位機(jī)、手持顯示設(shè)備通信交流，記錄電池剩余容量估測值、故障診斷結(jié)果及電池基本信息。CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖3所示。

圖3 CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖

3個模塊作用不同，但是它們的接口電路是相同的。接口電路收發(fā)器選擇的是飛利浦公司的PCA82C251。

3 主控制器設(shè)計

3.1 電流采集電路

主控制器采集電流使用的是基于分流器的電流監(jiān)測方法。在動力鋰離子電池組中，單體電池數(shù)量多，且工作電流相同，全部串聯(lián)。監(jiān)測電流只需測量串聯(lián)后的總電流。在監(jiān)測電路中串聯(lián)一個小阻值的康銅電阻，作為分流器，根據(jù)其兩端的壓降值計算出電流值。

采用上述方法得到的康銅電阻的壓降值非常小，無法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要對信號進(jìn)行放大，但數(shù)值不能超過5 V，同時添加一個相應(yīng)的信號放大電路。此外，在電路中還需接入一個5 V的穩(wěn)壓二極管，對單片機(jī)起到保護(hù)作用，以防電路故障。

電流采集電路如圖4所示。

圖4 電流采集電路

3.2 絕緣電阻檢測電路

在電氣系統(tǒng)中，高壓電路與底盤間的絕緣保護(hù)一旦被破壞，會發(fā)生熱積累效應(yīng)，造成火災(zāi)，影響電氣設(shè)備安全和車輛運(yùn)行。因此，需要對高壓電路與底盤的絕緣性進(jìn)行不定期檢測[9-11]。設(shè)計的主控制器絕緣電阻檢測電路如圖5所示。主芯片采用PIC12F675，主要檢測電池組的正極、負(fù)極對底盤的絕緣電阻值。

圖5 絕緣電阻檢測電路

3.3 串行通信接口電路

在車載通信系統(tǒng)中，使用CAN通信網(wǎng)絡(luò)。為確保行車安全，防止通信設(shè)備出現(xiàn)意外，需增加一個串行通信接口電路，以備不時之需。在串行通信接口電路設(shè)計中，收發(fā)器選用的是工作電流120 μA、功耗低、通信穩(wěn)定的MAX487。

3.4 開關(guān)量控制電路

對主控制器進(jìn)行控制，實際是對繼電器的開關(guān)進(jìn)行控制。本設(shè)計采用MOS管對繼電器的開關(guān)進(jìn)行控制，進(jìn)而對鋰電池組的安全性進(jìn)行保護(hù)。加入二極管是對線圈續(xù)流，MOS管型號選擇IRLR120，其源極、漏極之間電壓差最大達(dá)100 V。100 V的電壓差足以對繼電器開關(guān)量控制起到絕對保護(hù)作用。

3.5 顯示器電路

調(diào)試檢修電池組，需要設(shè)計一個可隨時監(jiān)測電池組的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、故障信息的通信接口電路。為了便于維修人員快速、高效工作，主控制器外接設(shè)備選擇便攜式，只需將便攜式顯示設(shè)備的插座與接口電路對接，即可方便、快捷地完成檢修工作。設(shè)備顯示模塊選擇的是NH12864S。顯示器電路如圖6所示。

圖6 顯示器電路

3.6 故障報警電路

報警設(shè)備一般安裝在駕駛室。當(dāng)電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(如電壓、電流、溫度等)出現(xiàn)異常，報警系統(tǒng)需立刻報警，提示駕駛員采取措施。報警方式主要為聲、光提示。

4 分控制器設(shè)計

4.1 AD7280A外圍電路

鋰離子電池組的每個單體均不相同，針對其特點(diǎn)采用均衡控制管理，增加電池容量，延長使用壽命。采用亞德諾公司的AD7280A，對電池單體進(jìn)行均衡。AD7280A相互間采用菊花鏈型的鏈接，單片可監(jiān)測6節(jié)串聯(lián)的電池組，最多可使8片AD7280A串聯(lián)，以測得更多信息。

4.2 AD7280A溫度監(jiān)測電路

鋰離子電池組工作時的溫度區(qū)間為-40～85 ℃。溫度監(jiān)測電路如圖7所示。熱敏電阻值為10 kΩ，精度為1%。

圖7 溫度監(jiān)測電路

4.3 菊花鏈型電路與CPU隔離電路

鋰離子電池管理系統(tǒng)采用12 V或24 V的直流電，而純電動汽車的動力電池組的電壓高達(dá)上百伏。如此大的電壓差極可能損壞分控制器。因此需在菊花鏈型測量電路中加入隔離器。隔離器使用的是ADI公司生產(chǎn)的四通道高速隔離器ADuM5401和ADuM1402，兩者互相配合使用。

5 結(jié)束語

本文對純電動汽車的鋰電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對鋰電池管理系統(tǒng)的主控制器和分控制器的電路作了模塊化設(shè)計，并完成了硬件管理系統(tǒng)。在分控制器電路設(shè)計中，對外圍電路使用多片AD7280A菊花鏈型連接，減少了隔離器的數(shù)量，簡化了電路。鋰電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對鋰電池組狀態(tài)的實時監(jiān)測、主控制器和分控制器間數(shù)據(jù)信息的通信傳送、對執(zhí)行動作的有效控制等功能，提高了電池組的安全性，延長了其使用壽命。