張?zhí)N綺

(常州工程技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

HEV動力蓄電池的管理一直是混合動力電動汽車HEV發(fā)展過程中的一個非常關(guān)鍵的問題[1]。有效的電池管理系統(tǒng)在提高蓄電池壽命的同時，可以及時準(zhǔn)確地估計蓄電池的剩余容量，當(dāng)電池出現(xiàn)不一致性時對電池進行均衡控制，保護蓄電池?，F(xiàn)有電池均衡控制方案大多以電壓均衡作為標(biāo)準(zhǔn)，低電壓電池的充電電流變大些，高電壓電池的充電電流變小些。以電壓的差異來衡量電池容量進行均衡控制，在一定范圍內(nèi)能起到均衡的效果，但實際情況中，由于單個電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，在放電過程中，各單個電池表現(xiàn)出的電壓方差值可能不同，方差大的電池電壓可能小，但剩余容量卻大，以電壓一致為均衡目標(biāo)的系統(tǒng)不但沒起到均衡作用，還造成不一致性現(xiàn)象加重。因此本論文提出基于電功率K值作為衡量電池差異的方法。

1 基于電功率的電池組均衡充放電控制策略

電池組充放點均衡控制原理示意圖如圖1所示。電池組由E1，E2……En串聯(lián)而成，電池組通過逆變器對電動機供電，發(fā)電機G電壓通過AC/DC轉(zhuǎn)換后，可向電池組充電，Kc為控制充電開關(guān)，DC/DC模塊由電池組或者發(fā)電機提供能量，其輸出電壓為單體電池電壓，對均衡器進行供電，均衡器由電池管理模塊控制，能控制對單體電池均衡的能量值。

圖1 電池組充放點均衡控制原理示意圖

電池管理模塊采集單體電池電壓，電池組電流，溫度值，計算出單體電池的電功率K值，并計算不均衡度，當(dāng)檢查到有某個電池Ei容量較低后，電池管理模塊計算出相應(yīng)的均衡力度，通過控制輸出開關(guān)量Ki的占空比，調(diào)節(jié)均衡器對電池的均衡力度。

2 電池均衡控制實驗系統(tǒng)

基于功能和成本考慮，電池單元模塊采用AT89S51系列單片機，電池組管理系統(tǒng)采用AT89S8053系列單片機。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4 KB Flash片內(nèi)程序存儲器，128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出 (I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)[2]電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。

通過寄存器WMCON可以方便設(shè)置看門狗時鐘周期(16～2 048 ms)，以及對 EEPROM進行讀寫操作。

2.1 時鐘電路及復(fù)位電路

電池管理單元的時鐘頻率采用11.059 MHz晶振，AT89S51的時鐘周期為90 ns。復(fù)位方式為上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。電路圖如圖2所示。

圖2 時鐘電路、復(fù)位電路原理圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

對電池管理系統(tǒng)來說，電壓的精確采集直接影響多電池組均衡控制的效果，因為電池端電壓下降值在幾伏左右，而且基于電功率的均衡控制策略，需要考慮電池間微小電壓的影響，因此對A/D轉(zhuǎn)換器[3]的精度要求較高。本系統(tǒng)采用8位的ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。其中74LS74對來自51 ALE引腳的時鐘脈沖進行2分頻后，作為ADC0809的時鐘信號。

采集第i路信號時，地址為iD，本系統(tǒng)采用查詢法對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換信號進行讀取。

2.3 I/O電路設(shè)計

電池管理系統(tǒng)通過開關(guān)量輸出，控制均衡器的工作狀態(tài)，當(dāng)輸出1時，均衡器的功率MOSFET接通，均衡電路工作，當(dāng)輸出0時，均衡器停止工作。

均衡器工作電流較大，因此需要增加光電隔離電路，以免對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

I/O輸出電路如圖4所示，系統(tǒng)選用8位同相芯片74LS374作為驅(qū)動芯片，采用TP521作為光耦隔離電路，通過對74LS374不同位寫1或者0，可以控制8位12V電壓開關(guān)量的輸出。

圖3 A/D電路原理圖

圖4 I/O電路原理圖

2.4 CAN通信電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用CAN總線系統(tǒng)[4]智能節(jié)點方式，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN總線驅(qū)動器采用82C250，光耦隔離電路采用高速光電耦合器6N137。以80C51單片機作為CAN總線網(wǎng)路通信的節(jié)點的微處理器，采用SJA1000作為CAN控制器，PCA82C250作為CAN收發(fā)器和物理總線的接口，通過6N137高速光耦實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。另外在兩根CAN總線輸入端和地之間分別接了一個防雷擊管，防止在兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，放電起到一定的保護作用。82C250的Rs腳上接有一個斜率電阻，電阻的大小可以根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140 kΩ之間。系統(tǒng)選用47 kΩ斜率電阻，如圖5所示。

2.5 RS232串口通信電路設(shè)計

工業(yè)設(shè)備通信通常希望執(zhí)行簡單的串行命令，并希望這些命令同個人計算機或者附加的串行端口板上的標(biāo)準(zhǔn)串行端口兼容。RS-232是目前PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。電路圖如圖6所示。

圖5 CAN通信電路原理圖

圖6 串口通信電路原理圖

2.6 電壓信號調(diào)理電路設(shè)計

輸入通道的結(jié)構(gòu)框圖如圖7。

圖7 采集通道原理框圖

對于電池單元模塊，需要采集6個電池的電壓信號，因為電池電壓值大于10伏，而ADC0809的輸入電壓范圍為0到5伏，因此需要對輸入電壓進行變換，本系統(tǒng)采用差動輸入的方式，選用的運放為LM324。如圖8所示。

3 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計基于51單片機匯編語言的控制算法程序。程序利用Keil uvision2平臺進行調(diào)試。

電池管理系統(tǒng)的整體流程如圖9所示。在上電后，首先進行看門狗時鐘設(shè)置，這樣能大大提高整個單片機系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖8 電壓采集信號調(diào)理電路圖 圖9 控制算法程序結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)初始化后，讀取存放在數(shù)據(jù)存儲器中電池組信息。該段信息包括上一次斷電后電池組剩余容量狀態(tài)，電池組不均衡信息等，通過8253的非易失性EEPROM保存。

電池管理系統(tǒng)的主程序包括5個子程序：

(1)電池狀態(tài)采集子程序

負責(zé)對電池組中單個電池的電壓，電流溫度等狀態(tài)量進行采集，并進行中值濾波，剔除采集通道受干擾得到的奇異值。

(2)電池剩余容量計算子程序

電池剩余容量計算子程序負責(zé)計算每個電池的剩余容量，并且為均衡控制策略進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

(3)電池不均衡度計算子程序

通過判斷電池組中各電池輸出的電功率，判斷電池組的不均衡性，如果電池組出現(xiàn)預(yù)定的不均衡狀態(tài)，程序返回不均衡電池的標(biāo)號值，不均衡度值，由之后的控制輸出程序控制均衡器工作。

(4)通信子程序

包括CAN總線收發(fā)和RS232通信兩部分。CAN總線收發(fā)程序負責(zé)電池管理系統(tǒng)與多能源控制器間的信息交換，RS232負責(zé)電池管理系統(tǒng)與PC機的信息交換。

(5)顯示子程序

通過數(shù)碼管顯示電池剩余容量和均衡控制器工作狀態(tài)。

論文設(shè)計了基于電功率的均衡充放電控制模塊，確定了單片機算法的實現(xiàn)方法；研制了有一定的準(zhǔn)確性和可靠性又比較簡單的動力電池均衡控制實驗系統(tǒng)。對動力電池管理系統(tǒng)電池剩余容量判斷模型的理論研究具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]陳清泉，孫立清.電動汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科技導(dǎo)報，2005(4).

[2]彭芬.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中的看門狗技術(shù)探究[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(綜合版)，2006(5).

[3]房慧龍.A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)及其發(fā)展[J].中國西部科技，2007(7).

[4]韓曉東，車京春，吳波，等.基于 32位單片機電池管理系統(tǒng)的 CAN通信設(shè)計[J].電氣應(yīng)用，2006(9).