新能源汽車基于高壓電池組分段應急供電系統設計

陳子郵，江鵬，李蒙恩，2

(1.東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005;2.廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州 545006)

0 引言

傳統的燃油車汽車會有因啟動蓄電池饋電而無法啟動的場面，然而本身用電的新能源電動汽車也會存在因低壓蓄電池饋電而無法啟動的尷尬場面，歸其原因是新能源電動汽車的電有高壓電和低壓電之分，高壓電來自高壓電池包，低壓電來自低壓電池組，新能源汽車的低壓電池組主要給汽車的低壓負載提供電源，高壓系統主要用于高壓部件的供電[1]。低壓電池組的電主要是通過DCDC把高壓電池包轉化成低壓充電，如果低壓電池組的低壓過低或沒電，則DCDC和高壓電池包都不工作，因而造成整個車都沒電，因此新能源電動汽車就無法啟動。其中導致低壓電池組饋電的原因有多種：長時間不使用車輛，造成低壓電池組由于自放電而得不到補充而饋電；由于車上的用電元件忘記關，而造成快速電流流失，譬如車內燈忘關，汽車大燈或小燈忘關；加載的低壓負載較多，如防盜報警系統、監控器、GPS定位、智能網聯等，容易導致低壓蓄電池停放時間過長得不到補充而饋電，等等。雖然低壓電池組饋電是低頻事件，但是一旦發生對用戶來說，使用體驗就不好，特別是本來就是電動車，還會因饋電啟動不了。因此解決此問題不但有實際意義，也能更好地提高用戶的使用體驗。本文作者設計了一種基于高壓電池組通過分段管理系統[2-5]，其中硬件系統包括供電模塊、主控模塊、均衡模塊和CAN通信模塊。

1 基于高壓電池組分段應急供電系統整體設計

基于高壓電池組分段應急供電系統主要包括高壓電池組、低壓電池組、熱管理、電池均衡管理控制器、DC/DC、低壓蓄電池、低壓用電設備、開關S1、S2、S3等。系統硬件結構如圖1所示[6]。

圖1 基于高壓電池組分段應急供電系統硬件結構

控制第一開關和第二開關斷開、第三開關閉合，為DC/DC轉換器和整車低壓用電設備供電，以進行低壓上電。在低壓上電完成后，控制所述第一開關和所述第二開關閉合、所述第三開關斷開，為整車高壓負載供電，以進行高壓上電；同時，通過所述DC/DC轉換器為所述整車低壓負載供電。為實現以上功能需要電池管理均衡控制器進行控制和安全保護。系統管理均衡控制器主要由SOC估計、熱管理、均衡控制管理、數據通信、故障診斷與報警等幾部分組成[7]。

2 基于高壓電池組分段應急供電系統管理均衡控制器設計

圖2為均衡控制器原理圖。

圖2 均衡控制器原理

2.1 系統管理均衡控制器供電模塊

系統正常工作需要15、5、3.3 V電壓，這3種電平是由車載24 V低壓電源通過電源模塊來提供。其中±15 V主要為系統中傳感器、運放器等模擬器件供電，5 V為電路中其他的數字器件和采集板供電;3.3 V為主控制器及其外圍電路供電。分別采用LM2596-ADJ、LM2596-5、LM2596-3.3進行降壓變換，經隔離器ADUM1100進行供電。

2.2 系統管理均衡控制器的SOC估計

電池的SOC通過計算輸入和輸出的電流電壓之積對時間的積分，再通過電壓法進行累計誤差的補償，進而確定各部分的SOC，特別是當第三開關S3閉合以后給低壓用電設備供電，造成該部分電池的消耗比整車的高壓電池包的其他部分電池消耗多，致使整個電池包的容量不均，從而降低對外的實際輸出功率和輸出容量以及整車的續航里程，時間久了也降低整個電池包的使用壽命以及電池包的性能，因此必須估計出被用于應急供電部分電池的SOC與整個電池包的SOC的差異，進而通過均衡電路實現電池包各部分的均衡，特別是在充電時進行主動均衡，能保障整個電池包的使用性能，以及保護電池包的使用壽命。SOC估計時需要檢測輸入和輸出的電流電壓，所設計的電壓電流檢測的電路如圖3所示[8]。

圖3 單體電池電壓采集結構

圖3是電壓檢測電路通過控制各個開關來選擇相應的要檢測的單體電池電壓，電池總電壓通過和分段電壓通過分壓電路降壓后輸入單片機的AD輸入口，在輸入之前還需要濾波和穩壓之后接入AD口，電壓的采集采用輪流檢測[9]。

圖4是電流的采樣電路，SOC估計主要是通過采樣電流和電壓之積對時間的積分，因此SOC估計準確性與其采樣的精度，傳感器抗干擾能力，零漂、溫漂和線性度誤差有關，采用霍爾閉環雙側電流傳感器ACS756，經過濾波進入放大器LM358放大，通過雙極性12位AD轉換器AD574進行轉換測量。

圖4 電流采集電路圖

2.3 系統管理均衡控制器均衡控制管理

第三開關S3閉合以后給低壓用電設備供電，由于低壓電是高壓電池組的一部分，因此造成該部分的單體電池的消耗比整個高壓電池組的其他部分的單體電池消耗多，使整個高壓電池組的容量不均。進而在使用過程中就會使有內部的單體電池出現過充或過放現象，不僅影響電池的壽命，而且過充或過放會使電池產生大量的熱影響電池的安全性和穩定性，所以均衡控制管理是必需的。實現電池均衡的均衡電路如圖5所示。

圖5 均衡電路圖

采用雙向無損均衡的方式，如圖5所示。B1、B2、B3、…、Bn為串聯單體電池，R1、R2、R3、R4、…、Rn+1為阻值相等的純電阻，S1、S2、…、Sn+3為單刀雙擲開關，S0為轉換開關，C為轉移電容，L為緩沖電感，D為二極管，圖中所有開關均為可控開關基本原理是將能量從電壓高的電池轉移到相鄰電壓較低的電池上，譬如，單刀雙擲開關S2、S3、S4撥向左端，S1撥向右端。此時，電池B1與轉移電容并聯，電池B1給轉移電容充電。電池B1的電壓下降，轉移電容電壓上升。當電池B1電壓等于轉移電容電壓時，單刀雙擲開關S5、S6撥向左端，S3由左端撥向右端。此時，電池B3與轉移電容并聯，由于轉移電容電壓高于電池B3電壓，轉移電容給電池B3充電。在這過程中，電池B3的電壓上升，轉移電容電壓下降。循環往復這兩個過程，即可實現各電池間的平衡。

2.4 系統管理均衡控制器數據通信

文中設計的系統管理均衡控制器在進行監測和控制的同時還要對整車控制單元等其他控制單元提供數據和信息，主要通過CAN通信實現的。通信模塊主要是CAN通信模塊，通過CAN通信向整車控制器提供故障報警，工作狀態，并接收整車控制器的指示。此系統采用的是飛思卡爾的單片機MCU有兩路CAN通信，一路CAN通信用于充電和均衡管理，處理之后發出相應指令;一路CAN通信與整車CAN總線相連。驅動芯片選擇82C250，如圖6所示[10]。

圖6 CAN通信接口電路圖

3 結束語

文中基于高壓電池組分段應急供電系統，主要從硬件方面設計的高壓電池組的分段管理和均衡控制。并對分段使用的電池組進行了充放電實驗測試，在容量不一致時通過均衡電路和控制對低容量電池組進行均衡充電，使電壓高的電池轉移電能給電池低的電池，盡量多地充電給電池組。