動(dòng)力電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)

1、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)電動(dòng)汽車(chē)是指全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。目前主要有純電動(dòng)汽車(chē)、混合電動(dòng)車(chē)和燃料電池汽車(chē)3種類(lèi)型。電動(dòng)汽車(chē)目前常用的動(dòng)力來(lái)自于鉛酸電池、鋰電池、鐐氫電池等。鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當(dāng)前比能量最高的電池。但正是因?yàn)殇囯姵?的能量密度比較高，當(dāng)發(fā)生誤用或?yàn)E用時(shí)，將會(huì)引起安全事故。而電池管理系統(tǒng)能夠解決這一問(wèn)題。當(dāng)電 池處在充電過(guò)壓或者是放電欠壓的情況下，管理系統(tǒng)能夠自動(dòng)切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保 證單節(jié)電池的壓差維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。此外，還具有過(guò)溫、過(guò)流、剩余電量估測(cè)等功能。本文所設(shè) 計(jì)的就是一種基于單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)1。1電池

2、管理系統(tǒng)硬件構(gòu)成針對(duì)系統(tǒng)的硬件電路，可分為MCU莫塊、檢測(cè)模塊、均衡模塊。1.1 MCU模塊MCIM系統(tǒng)控制的核心。本文采用的MCI® M68HC0繇列的GZ16型號(hào)的單片機(jī)。該系列所有的MCU采用增強(qiáng)型M68HC0呻央處理器(CP08) o該單片機(jī)具有以下特性：(1)8 MHz內(nèi)部總線頻率；(2)16 KB的內(nèi)置FLASHY儲(chǔ)器;(3)2個(gè)16位定時(shí)器接口模塊；(4)支持1 MHa 8 MHz晶振的時(shí)鐘發(fā)生器；(5)增強(qiáng)型串行通信接口 (ESCI)模塊。1.2檢測(cè)模塊檢測(cè)模塊中將對(duì)電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)模塊分別進(jìn)行介紹。1.2.1電壓檢測(cè)模塊本系統(tǒng)中，單片機(jī)將對(duì)電池組的整體電

3、壓和單節(jié)電壓進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于電池組整體電壓的檢測(cè)有2種方法：(1)采用專(zhuān)用的電壓檢測(cè)模塊，如霍爾電壓 傳感器； 采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路。采用專(zhuān)用的 電壓檢測(cè)模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過(guò)程比較復(fù)雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測(cè)。10串鎰酸鋰電池組電壓變化的范圍是28 V42 V。采用3.9 M?贅和300 k?贅的電阻進(jìn)行分壓，采集出來(lái)的電壓信號(hào)的變化范圍是 2 V3 V,所對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為409和*。對(duì)于單體電池的檢測(cè)， 主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示2,為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的 開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片

4、機(jī)輸 出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制 MOS!的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用-二 T4!- - TL如圖1所示，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS!的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。以上6節(jié)電池可以用2個(gè)三通道開(kāi)關(guān)切換陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX30對(duì)1片4選1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現(xiàn)通道的選擇。開(kāi)關(guān) S5、S& S7負(fù)責(zé)將電池的正極連接至飛電容的正極。開(kāi)關(guān)S2、S3、S4負(fù)責(zé)將電池負(fù)極連接至飛電容的負(fù)極。三通道開(kāi)關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與四通道開(kāi)關(guān)切換陣列類(lèi)似，只是通道數(shù)少1路。工

5、作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出通道選址信號(hào)，讓其中1路電池的正負(fù)極與電容連接，對(duì)電容進(jìn)行充電，然后斷開(kāi)通道開(kāi)關(guān)，接通跟隨 放大器的開(kāi)關(guān)，單片機(jī)對(duì)電容的電壓進(jìn)行快速檢測(cè),由此完成了對(duì) 1節(jié)電池的電壓 檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓小于 2.8 V ,則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測(cè)線斷路， 單片機(jī)將馬上發(fā)出信號(hào)切斷主回路 MOS!。重復(fù)上述過(guò)程，單片機(jī)即完成對(duì)本模塊所管理的電池的檢測(cè)。1.2.2 電流采樣電路電流采樣時(shí)，電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過(guò)流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖 2所示。當(dāng)電池放電時(shí)，用康銅絲對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差模放大器的放大，變?yōu)?5 V的電壓

6、信號(hào)送至單片機(jī)。如果放電的電流過(guò)大，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓信號(hào)比較大，就會(huì)驅(qū)動(dòng)三極管動(dòng)作,改變MO漕柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對(duì)于 36 V的鎰酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設(shè)定其保護(hù)電流是60 Ao康銅絲的電阻是5 m Q左右。當(dāng)電流達(dá)到 60 A時(shí)，康銅絲的電壓達(dá) 300 mV左右。為提高精度，將電壓通 過(guò)放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測(cè)。國(guó)飛電吃M電K1.2.3溫度檢測(cè)電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)，這部分熱量不及時(shí)排除會(huì)引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鐐氫電池溫度超過(guò)55C,電池特性就會(huì)變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì)被打破，繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對(duì)電池組

7、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行散熱處理。采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器,其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來(lái)表示：A中.m分削&不x *海陞曲5 M定r：ril度/-1 KI卜的電阻值：為溫度,單位KlZ；Hl-273J5 + /；rt：)HH為XT( 敏電明ft定的材” »數(shù) fi實(shí)際應(yīng)用中.可以采用比StMN的汽-7曲線.表 n . I .1, T定電陽(yáng)/溫度笑希，田*1.3均衡模塊電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中，需要較 多的I/O 口驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而單片機(jī)的I/O

8、口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開(kāi)關(guān)，Q2、Q3 Q5是控制單節(jié)電池充電的開(kāi)關(guān)。以10節(jié)鎰酸鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為42 V,副線圈電壓為電池的額定電壓4.2 V。剛開(kāi)始Q4導(dǎo)通，Q2、Q& Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當(dāng)檢測(cè)到某一節(jié)電池的電壓達(dá)到額定電壓4.2 V以后，電壓檢測(cè)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉Q4,打開(kāi)Q2、Q3 Q5,整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達(dá)到額定電壓的電 池保持額定電壓不變。經(jīng)測(cè)試，電壓差值不會(huì)超過(guò)50 mV。3HDTil2 SOC電量檢測(cè)在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的SOC十算方法

9、有開(kāi)路電壓法、庫(kù)倫計(jì)算法、阻抗測(cè)量法、綜合查表法3。(1) 開(kāi)路電壓法是最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，主要根據(jù)電池開(kāi)路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開(kāi)路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。(2) 庫(kù)侖計(jì)算法是通過(guò)測(cè)量電池的充電和放電電流，將電流值與時(shí)間值的乘積進(jìn)行積分后計(jì)算得到電池充進(jìn)的電量和放出的電量，并以此來(lái)估計(jì)SOC的值。(3) 阻抗測(cè)量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC間一定的線性關(guān)系， 通過(guò)測(cè)出電池的電壓、 電流參數(shù)計(jì)算出電池的內(nèi)阻，從而得到 SOC的估計(jì)值。(4) 綜合查表法中電池的剩余容量 SO3電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過(guò)設(shè)置一個(gè)相關(guān)表，輸

10、入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。在本設(shè)計(jì)中，從電路的集成度、成本、所選MCU勺性能方面考慮，采用了軟件編程的方法。綜合幾種方法，采用庫(kù)倫計(jì)算法比較合適。 用C表示鋰電池組從42 V降到32 V時(shí)放出的總的電量。 用7表示電流i經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，放出的電量與 C的比值rp仁=idrq表示時(shí)間f內(nèi)放出的#的電|3|電油的= * UJKJgdi其中CRM的剩余電量。令 Ci=i x t,表示？駐t時(shí)間內(nèi)電池組以i放電的放電量；或者是以i充電 的充電量，剩余電量實(shí)際上是對(duì) Ci的計(jì)算以及累加。設(shè)定合適的采樣時(shí)間 t ,測(cè)定當(dāng)前的電流值，然后計(jì)算乘積，得到 t時(shí)間內(nèi)剩余容量CRMM勺

11、變化量，從而不斷更新CRMM勺值，即可實(shí)現(xiàn)SOCfe量的檢測(cè)。3試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)鎰酸鋰電池組進(jìn)行充放電測(cè)試。圖 4(a)為鋰電池組放電測(cè)試圖，放電電流為8 A,當(dāng)電池組電壓降至32 V時(shí)，放電MO帶關(guān)斷。圖4(b)為充電的測(cè)試圖。充電結(jié)束 4小時(shí)后，均衡完成。49.m>6,<DC 3Taci>< Ik-W申doII.CEI -49-I MM1 Ml,-5 UD-T WO (I IO O 3>.il 111 聆 I】II MJ I 70 獨(dú) HFJ fJ3 pim iijnn ajO (MIU-r B Offlln彳m尋4幗'j mio心 111 1 I '11 4iUJ *