電動(dòng)汽車電池包管理控制系統(tǒng)研究

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【摘要】本文主要對(duì)電動(dòng)汽車的電池包管理控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，在分析電池包管理控制需求的基礎(chǔ)上完成控制器的硬件系統(tǒng)及功能模塊的設(shè)計(jì)，通過(guò)將AD7280A菊花鏈型鏈接應(yīng)用到分控制器模塊的外圍電路中實(shí)現(xiàn)隔離器數(shù)量的減少，進(jìn)而使控制電路得以簡(jiǎn)化，在降低運(yùn)行成本的同時(shí)顯著提升電池組的穩(wěn)定性及安全性，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的有效管理和控制過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；鋰電池組管理系統(tǒng)；控制器；菊花鏈型連接

新能源汽車得到了迅速的發(fā)展，尤其是在節(jié)能環(huán)保的大背景下，以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車已成為國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)研究的重點(diǎn)，電動(dòng)汽車具備無(wú)污染和低耗能等優(yōu)勢(shì)，以動(dòng)力電池作為主要能源，電動(dòng)汽車整車性能受到動(dòng)力電池的直接影響，電池及電池管理系統(tǒng)（BMS）成為發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵影響因素，電池安全合理的使用基于成熟的電池管理技術(shù)。本文主要完成電動(dòng)汽車電池包管理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以期為提升電動(dòng)汽車性能提供參考。

1需求分析

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及環(huán)境與能源危機(jī)等問(wèn)題的凸顯，新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生，以電源作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車能夠兼顧使用需求及節(jié)能環(huán)保需求。電動(dòng)汽車具備較高的能量利用率、無(wú)廢氣排放等優(yōu)勢(shì)，完善電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為解決上述問(wèn)題的有效手段。電動(dòng)汽車的發(fā)展和完善需基于先進(jìn)的技術(shù)，大功率充放的鋰離子電池具備污染小、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池可有效滿足電動(dòng)汽車對(duì)能量使用、安全穩(wěn)定性、循環(huán)壽命等方面的需求，研究動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）在發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)中意義重大。電池組的安全性取決于電池管理系統(tǒng)，電動(dòng)汽車運(yùn)行或充電過(guò)程通過(guò)電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會(huì)立即向CAN總線反饋，由集成控制器采取相應(yīng)措施從而確保電池組及整車的安全[1]。

2電池包管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1電池包管理控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用分布式結(jié)構(gòu)完成了電池包管理控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖具體如圖1所示，主要由主控制器和分控制器兩部分構(gòu)成，主、從控制器結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示，主控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自分控制器的數(shù)據(jù)（包括電池組電壓、溫度、充放電電流等方面的數(shù)據(jù)）進(jìn)行采集和處理，在此基礎(chǔ)上完成故障監(jiān)測(cè)及報(bào)警等功能，并向整車控制器傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)（通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)完成），整車控制器進(jìn)一步處理接收到的數(shù)據(jù)后向主控制器反饋相關(guān)控制信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS的相對(duì)控制。該系統(tǒng)使用了3個(gè)分控制器，負(fù)責(zé)對(duì)電池組電壓進(jìn)行監(jiān)管，并負(fù)責(zé)主控制器的部分運(yùn)算，分控制器的主要功能為信息采集，能夠?qū)?44個(gè)電池組（由單體鋰電池串聯(lián)組成）進(jìn)行有效管理。各分控制器均包含8個(gè)AD7280A，科均衡48個(gè)單體鋰離子電池，負(fù)責(zé)對(duì)48個(gè)單體鋰離子電池的溫度點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。

2.2CAN通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)汽車電池包管理控制系統(tǒng)的硬件功能設(shè)計(jì)主要基于3個(gè)CAN模塊（MC9S12XEQ512自帶）。第一個(gè)模塊為CAN通信模塊（即主、分控制器間的通信），屬于內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，分控制器在接收到由主控制器傳送的執(zhí)行命令后再向主控制器反饋相關(guān)數(shù)據(jù)信息（包括基本數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果、故障信息等）。第二個(gè)模塊為CAN網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)電池包管理控制系統(tǒng)同整車控制器間的連接，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息和命令在車載控制器間同電池管理系統(tǒng)間的相互傳遞。第三個(gè)模塊為內(nèi)部局域CAN網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)完成主控制器通上位機(jī)、顯示設(shè)備間的通信過(guò)程，此外還負(fù)責(zé)記錄電池基本信息（包括剩余容量估測(cè)值、故障診斷等）。這3個(gè)功能不同的模塊采用相同的接口電路，均以PCA82C251（飛利浦公司）作為接口電路收發(fā)器[3]。

3控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1主控制器設(shè)計(jì)

（1）電流采集電路。電動(dòng)汽車需使用到較多的單體電池，將這些工作電流相同的單體電池全部串聯(lián)構(gòu)成動(dòng)力鋰離子電池組后，僅需對(duì)串聯(lián)后的總電流進(jìn)行測(cè)量即可完成電流監(jiān)測(cè)過(guò)程，在對(duì)電流進(jìn)行采集時(shí)主控制器所采用的電流監(jiān)測(cè)功能基于分流器實(shí)現(xiàn)，將一個(gè)康銅電阻（阻值較小）串聯(lián)到監(jiān)測(cè)電路中實(shí)現(xiàn)分流器功能，電流值以其兩端的壓降值為依據(jù)計(jì)算獲取?？紤]到該方法所獲取的較小的康銅電阻的壓降值無(wú)法完成A/D轉(zhuǎn)換，需通過(guò)添加一個(gè)信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大處理（數(shù)值不能超過(guò)5V）。為保護(hù)單片機(jī)還需將一個(gè)5V的穩(wěn)壓二極管接入到電路中，從而使電路故障得以有效避免。（2）顯示器電路。選用NH12864S實(shí)現(xiàn)設(shè)備顯示模塊功能，通過(guò)通信接口電路（能夠?qū)﹄姵亟M的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)）的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的調(diào)試檢修功能，主控制器采用便攜式的外接設(shè)備使檢修及維護(hù)工作效率得到顯著提高，接口電路對(duì)接便攜式顯示設(shè)備，在此基礎(chǔ)上即可完成電池包檢修工作。此外，報(bào)警系統(tǒng)在電池包管理控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出以聲、光提示為主的報(bào)警信息，提示駕駛員采取措施。（3）串行通信接口電路。為防止通信設(shè)備出現(xiàn)意外，在車載通信系統(tǒng)采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)串行通信接口電路，其收發(fā)器選用了MAX487（具備功耗低、通信穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，工作電流120μA），以備緊急情況下使用，確保行車安全。（4）開(kāi)關(guān)量控制電路。主要負(fù)責(zé)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)控制過(guò)程采用MOS管（管型號(hào)為IRLR120）實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)加入二極管對(duì)線圈續(xù)流，進(jìn)一步確保了鋰電池組的安全和穩(wěn)定。MOS的源、極間的電壓差可達(dá)100V，可有效滿足對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)量控制需求。（5）絕緣電阻檢測(cè)電路。定期檢測(cè)高壓電路與底盤的絕緣性以確保整車安全，該電路以PIC12F675作為主芯片，主要對(duì)電池組對(duì)底盤的絕緣電阻值進(jìn)行檢測(cè)。

3.2分控制器設(shè)計(jì)

（1）AD7280A外圍電路?？紤]到構(gòu)成電池組的各單體可能具有不同特點(diǎn)，因此通過(guò)均衡控制管理方法的使用實(shí)現(xiàn)電池容量及使用壽命的有效提升，對(duì)電池單體的均衡過(guò)程采用AD7280A（亞德諾公司）實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)菊花鏈型單片完成各AD7280A間的鏈接，各單片可串聯(lián)8片AD7280A，能夠?qū)?節(jié)串聯(lián)的電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)。（2）菊花鏈型電路與CPU隔離電路。動(dòng)力電池組的電壓可達(dá)上百伏，而采用直流電的鋰電池包管理控制系統(tǒng)的電壓為12或24V，分控制器受到較大電壓差極的影響極易被損壞，通過(guò)在隔離器中添加菊花鏈型測(cè)量電路可有效解決此問(wèn)題。選用四通道高速隔離器（ADI公司）作為隔離器，具體通過(guò)ADuM5401配合使用ADuM1402實(shí)現(xiàn)CPU隔離電路功能。

3.3控制算法設(shè)計(jì)

充滿電后的電池需及時(shí)停止充電。不及時(shí)停止充電易影響電池的使用壽命，造成不必要的電能浪費(fèi)，因此電動(dòng)汽車電池包管理控制系統(tǒng)需具備智能充電管理能力，在充滿電后電池包管理控制系統(tǒng)及時(shí)做出停止充電的指令，確保完成對(duì)充電機(jī)的合理控制過(guò)程，在判斷充電是否停止時(shí)具體采用電壓電流曲線斜率法完成，即在電壓曲線率達(dá)到具體值時(shí)確認(rèn)為終止，智能充電具體控制流程為：系統(tǒng)先對(duì)電池組電壓和Uol進(jìn)行檢測(cè)，并分別同充電電壓級(jí)電流曲線上的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，此時(shí)為t1時(shí)刻，智能充電系統(tǒng)對(duì)蓄電池按t1后的充電曲線進(jìn)行充電，充電正常結(jié)束時(shí)刻為t2，記錄整個(gè)充電時(shí)間（t1與t2的差值）。充電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)完成對(duì)充電蓄電池是的異常及極化現(xiàn)象的判斷，實(shí)時(shí)保護(hù)充電電路，據(jù)此采取及時(shí)的修正措施。考慮到充電工程中的相關(guān)參數(shù)（包括電流、電壓和溫度）受到運(yùn)行狀態(tài)的影響而變動(dòng)，增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度，在結(jié)合了多段恒流及脈沖充電方式的充電過(guò)程需對(duì)比采樣和設(shè)定參數(shù)，并據(jù)此控制移相角輸出，因此本文采用了不完全微分型PID控制方法，可有效滿足對(duì)充電算法的控制需求。

4結(jié)束語(yǔ)

汽車已經(jīng)成為日常出行必不可少的交通工具，汽車總保有量持續(xù)增長(zhǎng)，受到不斷減少的化石能源的影響，新能源汽車得到了迅速的發(fā)展，電動(dòng)汽車以電池作為動(dòng)力源，鋰電池組的應(yīng)用及管理技術(shù)成為影響電動(dòng)汽車發(fā)展的直接因素。本文以電動(dòng)汽車的鋰電池包管理系統(tǒng)作為主要研究對(duì)象，完成了電池包管理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了主、分控制器電路的模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程，基于AD7280A菊花鏈型的分控制器使系統(tǒng)整體的電路模塊得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化，通過(guò)鋰電池包管理控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能及對(duì)執(zhí)行動(dòng)作的有效控制功能，從而使電池組的安全性及使用壽命得到顯著提高。

參考文獻(xiàn)

[1]魏民祥,趙萬(wàn)忠,張鳳嬌,等.基于遞推最小二乘法與模糊自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波相結(jié)合的車輛狀態(tài)估計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2017(6):750-755.

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作者：郭輝 單位：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院