纯电动汽车电池管理系统的设计及应用

针对目前唯一可以产业化的纯电动汽车使用的主要能源动力电池，设计开发了电池管理系统。系统以单片机为核心，采用分布式网络控制系统结构，可以实时检测动力电池的各种运行参数：电池SOC、总电压、总电流、单体模块电压、电池包内特征温度。

可以根据电池状态进行故障诊断和报警,同时具有热管理功能等；系统参数通过PC进行标定，通过CAN总线与整车其他系统进行通信实现信息共享。系统已经在BK6121EV纯电动公交客车上安装。实验室和实车试验结果表明：系统电池电压测量精度为1%满足要求，系统各个功能运行稳定、可靠。

电动汽车的无(低)污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向[1]。电动汽车从为动力系统提供能源的角度来分类，主要分为：纯电动、混合动力和燃料电池汽车。纯电动汽车主要是由动力电池提供能源,目前技术相对成熟，可以进行产业化生产和应用。混合动力汽车是由燃油和动力蓄电池等多种能源共同提供能源，通过控制策略使内燃机动力源和电力动力源协调配合，实现最佳能量分配,既能保持电动汽车超低排放的优点，又弥补了纯电动行驶里程短的不足，是一种过渡车型，但是目前技术还没有完全成熟；燃料电池汽车由燃料电池作为主要能源提供驱动汽车所需的功率，由于燃料电池是以氢气为燃料,空气(O2)为氧化剂进行工作,其排放物质是没有污染的水,因此非常具有发展前景,但是目前技术还不成熟。

作为目前唯一可以产业化的纯电动汽车,其主要能源的动力电池是关键的部分,在整车成本中占有较高的比例,如在使用金属锂离子电池为主要能源的纯电动大客车中,动力电池占整车成本的三分之一以上,因此为了延长电池的使用寿命,降低使用成本,本文设计了动力电池管理系统,实现对动力电池的在线监测与控制。

1 电池管理系统分析

1.1 系统结构

在纯电动汽车中将动力电池分组串并联形成整车高压电源为整车提供动力源,如由北京理工大学和北方客车厂联合研制开发的电动客车BFC6110EV共使用了306块锂离子电池,将3块电池并联形成组,最后将102组电池串连,动力电池分成8个电池包,装在8个电池箱中。从整车角度考虑,设计电池管理系统采用分布式网络控制系统结构,系统结构和在车上的布置情况如图1所示。系统中在每个电池包中布置电池测控模块,各个电池测控模块通过485总线与电池管理系统中央控制器连接在一起形成整个系统。电池管理系统中央控制器同时通过RS232总线将监控信息发送到信息显示器,通过CAN总线接口与整车控制系统进行通信。

图1 电池管理系统结构及在车上布置情况示意图

1.2 系统功能分析

电池管理系统应具有如下功能:

1)参数检测。实时采集电池充放电状态。采集的数据有电池总电压、电池总电流、每包电池测点温度以及单体模块电池电压等;

2)剩余电量(SOC)估计。电池剩余能量相当于传统车的油量。为了让司机及时了解SOC,系统应即时采集充放电电流、电压等参数,通过相应的算法进行SOC的估计;

3)充放电控制。根据电池的荷电状态控制对电池的充放电。若某个参数超标,如单体电池电压过高或过低,为保证电池组的正常使用及性能的发挥,系统将切断继电器,停止电池的能量供给;

4)热管理。实时采集每包电池测点温度,通过对散热风扇的控制防止电池温度过高;

5)均衡控制。由于每块电池个体的差异以及使用状态的不同等原因,因此电池在使用过程中不一致性会越来越严重。系统应能判断并自动进行均衡处理;

6)故障诊断。通过对电池参数的采集,系统具有预测电池性能、故障诊断和提前报警等功能;

7)信息监控。电池的主要信息在车载显示终端进行实时显示;

8)参数标定。由于不同的车型使用的电池类型、数量、电池包大小和数量不同,因此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池模式等信息标定的功能。电池管理系统通过RS232接口与上位机标定软件进行通信来实现;

9)CAN总线接口。根据整车CAN通信协议,与整车其他系统进行信息共享。

2 电池管理系统硬件设计

根据动力电池管理系统功能和实际参与控制的对象,设计出电池管理系统中央控制器及电池测控模块[2,3],电池管理系统中央控制器结构如图2所示。采用功能划分和模块化设计思想,系统分离成不同的功能模块。电池管理系统中央控制器是整个系统的核心,微控制器选用集成了CAN控制器模块的DSP56F807芯片,CAN收发器选用PCA82C250。通过CAN总线与其他控制系统进行通信;通过RS485与电池测控模块进行通信与管理;通过RS232,实现与人机接口的通信,以及系统的标定等。电池测控模块微控制器选用集成了2路12bit精度A/D的Aduc812芯片,选用数字温度传感器DS18B20[2]采集电池包内测试点温度。通过RS485与中央控制器进行通信。由于电动汽车用电环境非常复杂,驱动电机、DC/DC和充电机都会产生强的电磁干扰,从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作。为了减小电磁干扰,采取如下措施:

图2 电池管理系统中央控制器结构框图

1)在微控制器和CAN收发器之间加入高速光耦隔离器;

2)单片机工作电源与车辆电源地线分离,消除地线窜扰的可能;

3)数字温度传感器使用屏蔽电缆封装,屏蔽地搭铁;

4)CAN总线选用屏蔽双绞线,RS485总线也选用双绞线;

5)PCB制作尽量加大线间距以降低导向间的分布电容,使导向垂直以减小磁场耦合,减小电源线走线有效面积;

6)选用性价比高的器件等。

3 系统软件设计

系统软件均采用模块化程序设计,中央控制器程序采用C语言编写,根据系统具有的功能分为若干子程序,其中包括:标定子程序、SOC估计子程序、故障分析子程序、信号监控与报警子程序等;电池测控程序采用汇编语言编写[3]。中央控制器主程序流程框图如图3所示。

图3 中央控制器主程序流程图

考虑到电动汽车的运行环境,在系统硬件采用抗干扰措施的基础上,进行了软件抗干扰设计。在软件设计中使用了滤波、冗余、软件陷阱等技术,防止程序失效,保证系统正常运行。系统标定程序采用VB6.0进行开发,采用模块化程序设计,软件的主要功能有:系统参数标定、数据实时采集与保存、数据和曲线显示(包括实时动态曲线,历史曲线)、继电器输出等[4]。上位机软件的结构框图如图4所示。

图4 系统标定软件结构

4 系统装车试验

系统设计完成后,经过实验室考核及算法验证,已安装在BFC6110EV和HFF6110GK50电动大客车上,这2种车型分别使用了3.6V/200A?h金属锂离子电池和12V/85A?h的铅酸电池。结合这2种车型的场地试验[5]

进行了系统的联合调试。图5是对世纪千网公司铅酸电池在充电过程中实测数据和利用设计系统采集数据的对比。试验表明:动力电池电压测量误差为1%,电流测量精度为1%,温度测量误差为±0.5%,SOC误差在8%以内,能实时对动力电池进行监控、故障分析和报警,达到了设计要求。

图5 铅酸电池停车充电过程中电压采集数据曲线

5 结论

该文设计开发了纯电动汽车电池管理系统,通过装车试验验证具有:实时检测各种运行参数、故障诊断报警和热管理等功能,而且系统精度、可靠性也满足使用要求,为纯电动汽车的推广使用奠定了基础。

参考文献：

[1]孙逢春,张承宁,祝家光.电动汽车——21世纪的重要交通工具[M].北京:北京理工大学出版社,1997.

[2]金伟正,单线数字温度传感器的原理及应用[J].电子技术应用,2000,6:66-68.

[3]张振荣,晋明武,王毅平.MCS-51单片机原理及实用技术[M].北京:人民邮电出版社,2000.

[4]王建群,傅立鼎,南金瑞.分布式温度测控系统的设计与实现[J].计算机应用,2002,22(10):323-324,326.

[5]廖权来,罗玉涛.电动汽车的试验研究[J].机械工程学报,1997,33(5):71-76.