電動汽車電池包管理控制系統(tǒng)研究

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【摘要】本文主要對電動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，通過將AD7280A菊花鏈型鏈接應(yīng)用到分控制器模塊的外圍電路中實現(xiàn)隔離器數(shù)量的減少，進(jìn)而使控制電路得以簡化，在降低運行成本的同時顯著提升電池組的穩(wěn)定性及安全性，最終實現(xiàn)對電池包的有效管理和控制過程。

【關(guān)鍵詞】電動汽車；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，以電動汽車為代表的新能源汽車已成為國內(nèi)外汽車企業(yè)研究的重點，電動汽車具備無污染和低耗能等優(yōu)勢，以動力電池作為主要能源，電動汽車整車性能受到動力電池的直接影響，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)。本文主要完成電動汽車電池包管理控制系統(tǒng)的設(shè)計，以期為提升電動汽車性能提供參考。

1需求分析

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及環(huán)境與能源危機等問題的凸顯，新能源汽車應(yīng)運而生，以電源作為動力源的電動汽車能夠兼顧使用需求及節(jié)能環(huán)保需求。電動汽車具備較高的能量利用率、無廢氣排放等優(yōu)勢，完善電動汽車相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為解決上述問題的有效手段。電動汽車的發(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、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，鋰離子電池可有效滿足電動汽車對能量使用、安全穩(wěn)定性、循環(huán)壽命等方面的需求，研究動力電池管理系統(tǒng)（BMS）在發(fā)展電動汽車產(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)，電動汽車運行或充電過程通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控功能，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會立即向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

2.1電池包管理控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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，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)對來自分控制器的數(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)測及報警等功能，并向整車控制器傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)（通過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，從而實現(xiàn)對BMS的相對控制。該系統(tǒng)使用了3個分控制器，負(fù)責(zé)對電池組電壓進(jìn)行監(jiān)管，并負(fù)責(zé)主控制器的部分運算，分控制器的主要功能為信息采集，能夠?qū)?44個電池組（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AD7280A，科均衡48個單體鋰離子電池，負(fù)責(zé)對48個單體鋰離子電池的溫度點進(jìn)行監(jiān)測[2]。

2.2CAN通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案

電動汽車電池包管理控制系統(tǒng)的硬件功能設(shè)計主要基于3個CAN模塊（MC9S12XEQ512自帶）。第一個模塊為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)、計算結(jié)果、故障信息等）。第二個模塊為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、顯示設(shè)備間的通信過程，此外還負(fù)責(zé)記錄電池基本信息（包括剩余容量估測值、故障診斷等）。這3個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)計與實現(xiàn)

3.1主控制器設(shè)計

（1）電流采集電路。電動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)成動力鋰離子電池組后，僅需對串聯(lián)后的總電流進(jìn)行測量即可完成電流監(jiān)測過程，在對電流進(jìn)行采集時主控制器所采用的電流監(jiān)測功能基于分流器實現(xiàn)，將一個康銅電阻（阻值較小）串聯(lián)到監(jiān)測電路中實現(xiàn)分流器功能，電流值以其兩端的壓降值為依據(jù)計算獲取?？紤]到該方法所獲取的較小的康銅電阻的壓降值無法完成A/D轉(zhuǎn)換，需通過添加一個信號放大電路實現(xiàn)對信號的放大處理（數(shù)值不能超過5V）。為保護(hù)單片機還需將一個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實現(xiàn)設(shè)備顯示模塊功能，通過通信接口電路（能夠?qū)﹄姵亟M的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、故障信息進(jìn)行實時監(jiān)測）的設(shè)計實現(xiàn)對電池組的調(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，報警系統(tǒng)在電池包管理控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常時能夠及時發(fā)出以聲、光提示為主的報警信息，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，工作電流120μA），以備緊急情況下使用，確保行車安全。（4）開關(guān)量控制電路。主要負(fù)責(zé)控制繼電器的開關(guān)，開關(guān)控制過程采用MOS管（管型號為IRLR120）實現(xiàn)，并通過加入二極管對線圈續(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，可有效滿足對繼電器開關(guān)量控制需求。（5）絕緣電阻檢測電路。定期檢測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，主要對電池組對底盤的絕緣電阻值進(jìn)行檢測。

3.2分控制器設(shè)計

（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，因此通過均衡控制管理方法的使用實現(xiàn)電池容量及使用壽命的有效提升，對電池單體的均衡過程采用AD7280A（亞德諾公司）實現(xiàn)，并通過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。（2）菊花鏈型電路與CPU隔離電路。動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，通過在隔離器中添加菊花鏈型測量電路可有效解決此問題。選用四通道高速隔離器（ADI公司）作為隔離器，具體通過ADuM5401配合使用ADuM1402實現(xiàn)CPU隔離電路功能。

3.3控制算法設(shè)計

充滿電后的電池需及時停止充電。不及時停止充電易影響電池的使用壽命，造成不必要的電能浪費，因此電動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)及時做出停止充電的指令，確保完成對充電機的合理控制過程，在判斷充電是否停止時具體采用電壓電流曲線斜率法完成，即在電壓曲線率達(dá)到具體值時確認(rèn)為終止，智能充電具體控制流程為：系統(tǒng)先對電池組電壓和Uol進(jìn)行檢測，并分別同充電電壓級電流曲線上的點相對應(yīng)，此時為t1時刻，智能充電系統(tǒng)對蓄電池按t1后的充電曲線進(jìn)行充電，充電正常結(jié)束時刻為t2，記錄整個充電時間（t1與t2的差值）。充電系統(tǒng)通過對蓄電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測完成對充電蓄電池是的異常及極化現(xiàn)象的判斷，實時保護(hù)充電電路，據(jù)此采取及時的修正措施。考慮到充電工程中的相關(guān)參數(shù)（包括電流、電壓和溫度）受到運行狀態(tài)的影響而變動，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程需對比采樣和設(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，可有效滿足對充電算法的控制需求。

4結(jié)束語

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，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，電動汽車以電池作為動力源，鋰電池組的應(yīng)用及管理技術(shù)成為影響電動汽車發(fā)展的直接因素。本文以電動汽車的鋰電池包管理系統(tǒng)作為主要研究對象，完成了電池包管理控制系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)介紹了主、分控制器電路的模塊化設(shè)計過程，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)一步簡化，通過鋰電池包管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對電池組的實時監(jiān)測功能及對執(zhí)行動作的有效控制功能，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,趙萬忠,張鳳嬌,等.基于遞推最小二乘法與模糊自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波相結(jié)合的車輛狀態(tài)估計[J].中國機械工程,2017(6):750-755.

[2]謝立潔,杜森,徐梓薦,等.基于AURIX的電動汽車電池管理系統(tǒng)電源模塊設(shè)計[J].汽車工程師,2018(6):25-29.

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