一種高性能的輕型電動(dòng)車蓄電池監(jiān)控管理系統(tǒng)備課講稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種高性能的輕型電動(dòng)車蓄電池監(jiān)控管理系統(tǒng)-一種高性能的輕型電動(dòng)車蓄電池監(jiān)控管理系統(tǒng)馬潤(rùn)津肖秀玲胡玉祥（北方工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所電動(dòng)車研究室，100041北京）第四屆輕型電動(dòng)車會(huì)議論文（2003年9月上海）摘要：本文介紹基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和蓄電池智能監(jiān)測(cè)專用芯片DS2438實(shí)現(xiàn)的輕型電動(dòng)車蓄電池管理系統(tǒng)。它具有低成本、高性能的優(yōu)點(diǎn)。文中介紹了適用于電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車的兩種蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和三個(gè)實(shí)驗(yàn)樣車的概況，并提出將蓄電池管理和充電控制一體化的新方案，以及開發(fā)新型電動(dòng)三輪車的設(shè)想。一、引言電動(dòng)車是

2、解決汽車大氣污染的最有前途的舉世矚目的方案。近幾年來(lái)我國(guó)輕型電動(dòng)車（電動(dòng)助力自行車、電動(dòng)輕騎摩托車）的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展受到全世界的關(guān)注。電動(dòng)車蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）是一個(gè)集監(jiān)測(cè)、控制與管理為一體的，復(fù)雜的電氣測(cè)控系統(tǒng)。由于蓄電池充放電過(guò)程的復(fù)雜性，BMS應(yīng)能全程監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓、電流、溫度和充放電安時(shí)累計(jì)值，確保蓄電池不會(huì)因過(guò)度充電和過(guò)度放電而折壽，BMS還應(yīng)給出比較準(zhǔn)確的蓄電池剩余電量(SOCState0fCharge)估計(jì)。要實(shí)現(xiàn)上述功能，一般方案比較復(fù)雜，成本太高，使得售價(jià)較低的輕型電動(dòng)車很難承受。近些年來(lái)，由于由蓄電池供電的便攜式家用電器和儀器的大量使用，對(duì)蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的需求

3、猛增。國(guó)外推出了用于監(jiān)測(cè)蓄電池的智能型專用芯片，如美國(guó)的DALLAS系列芯片，它們具有集成度高、價(jià)格低廉（只幾元人民幣一片）和功能很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。依托它能夠開發(fā)出性能價(jià)格比很高的，適用于輕型電動(dòng)車需求的新型BMS。二、專用芯片DS2438介紹這里扼要介紹我們選用的DS2438芯片的主要性能。DS2438是美國(guó)DALLAS公司近年生產(chǎn)的BatteryMonitor系列芯片的一種專門用于電池檢測(cè)的微電子芯片，該芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電流積分器等電路，具有測(cè)量電池的溫度、電壓、電流和累計(jì)電量等多項(xiàng)功能。測(cè)量功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉，是一種高性能價(jià)格比的測(cè)量芯片。圖1DS2438外觀該芯片具有

4、如下主要特點(diǎn)：獨(dú)特的單總線工作方式，只需要一根數(shù)據(jù)線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出；為每個(gè)被測(cè)電池設(shè)置唯一的64位序號(hào)標(biāo)記，通訊時(shí)通過(guò)查詢序列號(hào)實(shí)現(xiàn)一條總線上與多個(gè)DS2438芯片通訊，不會(huì)混淆；通過(guò)一種片內(nèi)集成的測(cè)溫量傳感器實(shí)現(xiàn)蓄電池殼溫的測(cè)量，測(cè)量溫度范圍為55到125，溫度分辨能力為0.03125。電池的溫升是蓄電池充放電過(guò)程的重要參數(shù)。內(nèi)置十位的A/D轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量電池的端電壓，測(cè)量范圍010V，分辨能力為10mv；內(nèi)置電流A/D轉(zhuǎn)換器，可測(cè)量電池組的電流，通過(guò)外接電阻RSENS上的電壓降或電流互感器提供的二次電壓采樣以36.41次/秒的速度至電流寄存器中，測(cè)量蓄電池充放電電流值等于寄存器中

5、值/（4096RSENS）；內(nèi)置電流累加器(ICA)，測(cè)量蓄電充放電電流對(duì)時(shí)間的累計(jì)值（安時(shí)累計(jì)），可用于估計(jì)蓄電池的剩余電量；內(nèi)置40字節(jié)斷電不消失的EEPROM存貯器，用于記錄電池特征數(shù)據(jù)如電池結(jié)構(gòu)、電池能力、充電方式和裝配時(shí)間等重要參數(shù)；正常工作溫度范圍為-40+80。適用于手提電腦、移動(dòng)蜂窩電話、家用電器和由蓄電池供電的便攜式儀器的蓄電池檢測(cè)，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可構(gòu)成低成本、高性能電動(dòng)車能量管理系統(tǒng)。DS2438的管腳分配如圖2所示，其中：DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出口Vad通用的A/D輸入Vsens+電池電流計(jì)量器輸入端Vsens-電池電流計(jì)量器輸出端Vdd電源端(2.4V10.0V)GND地NC未

6、定義圖2DS2438的管腳圖三、BMS系統(tǒng)的構(gòu)成由DS2438芯片和51單片機(jī)按照現(xiàn)場(chǎng)總線方式，可以構(gòu)成滿足不同要求、不同檔次的BMS系統(tǒng)。利用DS2438芯片和單片機(jī)可以構(gòu)成適用于電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車需要的按照現(xiàn)場(chǎng)總線方式工作的BMS系統(tǒng)新方案。但是由于電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車兩者對(duì)EMS的性能和價(jià)格上的要求不同，適用于它們的EMS方案也有所區(qū)別。以下將分別予以介紹。方案1適用于電動(dòng)助力自行車的簡(jiǎn)易型BMS為電動(dòng)自行車等輕型電動(dòng)車設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易型BMS系統(tǒng)方案，它由基于DS2438芯片的數(shù)據(jù)采集板和單片機(jī)系統(tǒng)組成，有單片機(jī)最小系統(tǒng)、DS2438芯片、電壓測(cè)量電路、電源供電電路、行駛里程測(cè)量電路及

7、液晶顯示幾部分，為了簡(jiǎn)化電路以降低成本，該系統(tǒng)檢測(cè)的是整個(gè)蓄電池組（電壓一般為24伏或36伏），而不是測(cè)量串聯(lián)著的每一快蓄電池。如圖3.所示。圖3.適用于電動(dòng)自行車的簡(jiǎn)易型BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖單片機(jī)采用了便宜的8位的89C51。由于89C51芯片內(nèi)有4K的ROM，不需再擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，整個(gè)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。單片機(jī)和DS2438數(shù)據(jù)采集板電位共地，之間按照DALLAS公司提供的通訊協(xié)議，以現(xiàn)場(chǎng)總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模鼈冎g不需要直流電位的隔離，因此該方案的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，而功能大大優(yōu)于當(dāng)前電動(dòng)自行車普遍采用的由分離元件和小規(guī)模芯片組成的簡(jiǎn)易BMS裝置。以下概略介紹幾個(gè)組成部分：電壓測(cè)

8、量電路使用DS2438內(nèi)置的電壓A/D轉(zhuǎn)換器，來(lái)測(cè)量整組電池的端電壓。由于DS2438的電壓測(cè)量范圍為010V，而電動(dòng)車自行車蓄電池組的端電壓一般為24V或36V，因此必須采用分壓電路以適用于DS2438的電壓測(cè)量范圍。電流測(cè)量電路使用DS2438內(nèi)置的電流A/D轉(zhuǎn)換器，來(lái)測(cè)量電池組充、放電回路的電流。將采樣電阻接至電池組充（放）電回路中，DS2438通過(guò)測(cè)量采樣電阻壓降測(cè)量蓄電池的充電、放電電流。由內(nèi)置的電流累加器(ICA)，芯片自動(dòng)計(jì)算出蓄電充放電電流對(duì)時(shí)間的累計(jì)值，充電時(shí)安時(shí)累計(jì)值是增加的，而放電時(shí)是遞減的。經(jīng)適當(dāng)處理，可用于蓄電池的剩余電量的估計(jì)。電源供電電路由于單片機(jī)系統(tǒng)和DS243

9、8都需要5V供電，而有源濾波電路中的運(yùn)算放大器則需要10V左右的電源供電，因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配電。為了保證電池組中的各快蓄電池的負(fù)載均衡，采用DC/DC電源模塊HZD03-24S05DC-DC由整個(gè)蓄電池組對(duì)BMS系統(tǒng)。該模塊輸入為1836V，輸出為5V，為單片機(jī)系統(tǒng)和DS2438進(jìn)行供電。另外，使用一片Max202，將該5V電源變換為10V的電源，給有源濾波電路中的運(yùn)算放大器供電。行駛里程測(cè)量電路該電路主要采用了一個(gè)3020霍爾傳感器，通過(guò)無(wú)觸電的位移信號(hào)發(fā)生器，在車輪每轉(zhuǎn)一周發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，由3020芯片將信號(hào)傳送單片機(jī)。由單片機(jī)累計(jì)計(jì)算行駛里程。溫度測(cè)DS2438芯片緊貼蓄電池，從而

10、能測(cè)量蓄電池的殼溫，并顯示與液晶顯示。安時(shí)累計(jì)為了估計(jì)剩余電量，充放電的安時(shí)累計(jì)非常重要。安時(shí)累計(jì)不是由單片機(jī)而是由檢測(cè)芯片完成的，DS2438有內(nèi)置的電流累加器(ICA)，測(cè)量蓄電充放電電流對(duì)時(shí)間的累計(jì)值，充電是累加，放電時(shí)遞減。累計(jì)值通過(guò)單片機(jī)，在液晶顯示上示出。通過(guò)清零按鈕，必要時(shí)可對(duì)安時(shí)累積值清零。液晶顯示液晶顯示器選用的是TM164A系列16字符4行字符點(diǎn)陣LCD模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)的接口特性，單一5V供電，低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性。顯示器用于顯示電池組電壓、電流、安時(shí)累計(jì)、剩余電量估計(jì)、蓄電池溫度以及電動(dòng)車的行駛里程。電磁兼容性和干擾屏蔽BMS系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)非常重要。DS2438芯

11、片是為筆記本電腦等弱電負(fù)載設(shè)計(jì)的，在芯片的使用電路中有一般的RC低通濾波電路作為抗干擾措施也就夠了。而電動(dòng)車是大電流負(fù)載，在使用中特別是啟動(dòng)和電池快速充電過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電干擾。為此，除保留RC濾波電路，還增設(shè)了由線性運(yùn)算放大器組成的有源濾波電路和由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的低通數(shù)字濾波，以消除尖鋒電流的強(qiáng)干擾，使芯片的測(cè)量精確而穩(wěn)定。有源濾波電路如圖4.所示。圖43.有源濾波電路該方案所用的主要元件芯片和零售價(jià)格比較便宜，估算如批量生產(chǎn)，成本是中、高檔的電動(dòng)自行車可以接受的。方案2適用于電動(dòng)摩托車的BMS適用于電動(dòng)摩托車的BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖如圖5.所示，該方案與前者的區(qū)別是系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組串

12、聯(lián)著的每一塊蓄電池，從而能夠掌握各快蓄電池的性能差異。由于電動(dòng)摩托車的售價(jià)遠(yuǎn)高于電動(dòng)自行車，成本控制上容許采用比電動(dòng)自行車更復(fù)雜，性能更高的EBS方案。圖5.適用于電動(dòng)摩托車的能監(jiān)測(cè)多快蓄電池的BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖具體到我們的實(shí)驗(yàn)樣車的動(dòng)力蓄電池組電壓是48伏,由四快蓄電池組成。EBS的方案采用了4個(gè)DS2438芯片組成的數(shù)據(jù)采集板。由于各個(gè)蓄電池塊的性能存在差異，而蓄電池組的整體性能將取決于串聯(lián)著的各個(gè)蓄電池塊中性能最差的那個(gè)。因此，一個(gè)高性能的BMS對(duì)蓄電池組的監(jiān)測(cè)要落實(shí)到對(duì)每個(gè)蓄電池塊的（電壓、電流和溫度）的監(jiān)測(cè)。由于串聯(lián)的各個(gè)蓄電池的直流電位不共地，不能直接掛在單一總線上傳輸數(shù)據(jù)，所

13、以每個(gè)DS2438數(shù)據(jù)采集板要采取光耦隔離措施，并將單線制改為收、發(fā)兩線制，分別掛在收、發(fā)兩根線上。通過(guò)液晶顯示蓄電池組的工作電流、剩余電量，還可以查詢每塊蓄電池的電壓和溫升，當(dāng)剩余電量不足和有哪塊電池出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)。單片機(jī)選用了16位高性能的80C196KC。帶光耦隔離的采集板電路原理圖如圖6.所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該直流電位隔離線路是有效的，不可或缺的。圖6.帶光耦隔離的采集板電路原理圖四、實(shí)驗(yàn)樣車簡(jiǎn)介這里介紹我們的三種不同實(shí)驗(yàn)樣車的基本情況。實(shí)驗(yàn)樣車1智能型電動(dòng)助力自行車試驗(yàn)樣車本樣車是在原“松鶴”牌電動(dòng)助力型自行車24寸（輕蹬輕踩型）的基礎(chǔ)上加裝我們研制的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)餓簡(jiǎn)

14、易型EMS組成（圖7.）。蓄電池采用7安時(shí)、24伏的鎳氫蓄電池。充滿電可行駛40公里左右。EMS的液晶顯示屏幕上顯示出蓄電池組電壓、放電電流、電量（累計(jì)安時(shí)數(shù)）、剩余電量估計(jì)（用百分?jǐn)?shù)顯示）和行駛里程（圖8.）。如需要，還可顯示蓄電池的溫度。圖7.帶EMS智能型電動(dòng)助力自行車試驗(yàn)樣車圖8.智能型電動(dòng)助力自行車樣車EMS的液晶顯示屏試驗(yàn)行駛結(jié)果，該車的剩余電量估計(jì)誤差在5%左右。圖9.為該樣車試驗(yàn)運(yùn)行全程的記錄結(jié)果。圖9.樣車1的試驗(yàn)運(yùn)行記錄，里程剩余電量估計(jì)（%）實(shí)驗(yàn)樣車2電動(dòng)自行車（純電動(dòng)型）樣車本樣車是在市場(chǎng)占有率較大的原“小羚羊”牌24寸電動(dòng)自行車的基礎(chǔ)上加裝我們的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的簡(jiǎn)易

15、型EMS組成（圖10.）。蓄電池采用12安時(shí)、36伏，原車為密封鉛酸蓄電池，我們改裝為額定容量和電壓相同鎳氫蓄電池。充滿電可行駛40多公里左右。圖11.為該樣車試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程的記錄，剩余電量估計(jì)誤差在5%以內(nèi)。圖10.電動(dòng)自行車（純電動(dòng)型）樣車圖11.樣車2的試驗(yàn)運(yùn)行記錄，里程剩余電量估計(jì)（%）曲線實(shí)驗(yàn)樣車3電動(dòng)摩托車樣車我國(guó)的電動(dòng)摩托車剛剛步入市場(chǎng)，目前產(chǎn)量和品種尚少，但是由于摩托車的污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，而摩托車又是南方地區(qū)老百姓樂(lè)于采用的代步工具，完全禁止益不太可能。因此可能電動(dòng)摩托車在我國(guó)南方的中小城市仍然會(huì)有相當(dāng)市場(chǎng)，而解決大氣污染問(wèn)題的途徑是用電動(dòng)自行車取代燃油摩托車。廣東的汕頭市正在進(jìn)

16、行這方面的試點(diǎn)，因此我們的樣車選擇汕頭東威摩托車廠生產(chǎn)的東威電動(dòng)摩托車（圖12.）。圖12.帶基于現(xiàn)場(chǎng)總線BMS的電動(dòng)摩托車實(shí)驗(yàn)樣車圖13.電動(dòng)摩托車實(shí)驗(yàn)樣車BMS的顯示該樣車實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一快蓄電池充放電過(guò)程的全程監(jiān)控，在預(yù)防蓄電池過(guò)充、過(guò)放，提高蓄電池的使用壽命和剩余電量估計(jì)精度等諸多性能上有較大的改進(jìn)。由于該BMS系統(tǒng)由于采用了性能價(jià)格比極高的DS2438專用芯片，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。圖13.為該實(shí)驗(yàn)樣車BMS的顯示。五、關(guān)于BMS與蓄電池充電控制器的一體化蓄電池充電控制器的性能和質(zhì)量不佳是導(dǎo)致蓄電池因過(guò)度充電而折壽或充電太慢的重要原因。為保證蓄電池組充電過(guò)程良好的要求，充電控制器也需要

17、全程監(jiān)測(cè)充電過(guò)程的蓄電池端電壓、充電電流、安時(shí)累計(jì)值和溫生，并利用單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)按照要求的充電規(guī)律充電和充電過(guò)程的智能化以及對(duì)蓄電池的充分保護(hù)。而本文介紹的我們的BMS系統(tǒng)的。DS2438專用芯片和單片機(jī)完全可以兼顧上述功能，實(shí)現(xiàn)蓄電池管理和充電控制的一體化，甚至可能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類蓄電池的充電控制器的通用化用不同的軟件實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同類型的蓄電池的充電控制。我們研究工作在此方面已取得了一定的成果，有關(guān)內(nèi)容將另文發(fā)表。六、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的BMS系統(tǒng)的新型電動(dòng)三輪車的開發(fā)據(jù)外電報(bào)道布魯塞爾街頭流行輕型電動(dòng)助力三輪出租車（圖14.），圖14.布魯塞爾街頭的輕型電動(dòng)助力三輪出租車2001年赴德參加EVS-

18、18會(huì)議期間也見到柏林街頭也有不少同類車型在載客穿梭與市中心（圖15.）不過(guò)是人力的，沒(méi)有電動(dòng)助力裝置。HYPERLINK/bbs/usr/2/2_81.jpgt_blank圖15.柏林街頭的洋三輪出租車為此，我們建議組織合作開發(fā)適合于我國(guó)國(guó)情的新型（智能型）電動(dòng)助力三輪車，以適合發(fā)展城市旅游和家居市郊不能開汽車的老年人出行的需要。車型可仿國(guó)外，要漂亮、大方，可以用我們的BMS提高它的性能和技術(shù)含量。七、結(jié)論基于DS2438芯片的輕型電動(dòng)車BMS系統(tǒng)，其特點(diǎn)是功能強(qiáng)大而成本低廉，工作穩(wěn)定、可靠且實(shí)用，在我們?cè)囼?yàn)研究中顯示了良好的性能。我們?cè)概c生產(chǎn)廠家精誠(chéng)合作，共同將該技術(shù)應(yīng)用于已經(jīng)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化的批量電動(dòng)車產(chǎn)品中，以提升我國(guó)輕型電動(dòng)車的技術(shù)水平。注：本項(xiàng)研究受北京市科委資助，特此致謝！參考文獻(xiàn)：【1】陳清泉院士,環(huán)境保護(hù)和電動(dòng)車的開發(fā)，1999.6【2】馬潤(rùn)津,孫力,田紅芳,“Th