陳志楚,潘 峰
(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院電信學(xué)院,湖北 十堰 442001)
在國(guó)內(nèi)外大力發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē) (EV)、混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)的過(guò)程中,高能量鋰電池帶來(lái)了電動(dòng)汽車(chē)革命性的發(fā)展。電池管理系統(tǒng)(BMS)是動(dòng)力和儲(chǔ)能電池的必需配套。鋰電池單體容量過(guò)大,容易產(chǎn)生高溫,誘發(fā)不安全因素,因此大容量電池必須通過(guò)串并聯(lián)的方式形成電池組。而單體電池本身的不一致性和使用環(huán)境的細(xì)微差別均會(huì)造成電池壽命的差別,大大影響整個(gè)電池組的壽命和性能。BMS作為實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)均衡、智能充放電的電子部件,具有保障安全、延長(zhǎng)壽命、估算剩余電量等重要功能,是動(dòng)力和儲(chǔ)能電池組中不可或缺的重要部件[1-3]。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊式分布結(jié)構(gòu),其中主要分三個(gè)單元:主控單元、強(qiáng)電控制單元、電壓采集單元,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
主控單元主控制芯片采用當(dāng)今流行的32位ARM微處理器,采用的是恩智浦公司的LPC2368微處理器。因?yàn)锽MS需要大量的通信和數(shù)據(jù)處理能力,基于ARM的微處理器具有很強(qiáng)的串行通信能力,和DSP對(duì)比,ARM微處理器有性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。
圖2是485通信模塊電路示意圖,485通信芯片采用65LBC184芯片、6N137高速光耦、65LBC184差分?jǐn)?shù)據(jù)線收發(fā)器,可以滿足250 kb/s的傳輸速率,允許在總線上最多掛接128個(gè)類似器件,工作溫度為-45~85℃,完全滿足電動(dòng)汽車(chē)的工作溫度,并可完成超強(qiáng)的ESD保護(hù)。其中采用6N137高速光耦來(lái)進(jìn)行隔離的作用在于,考慮到車(chē)內(nèi)的工作環(huán)境,如果485通信出現(xiàn)故障,浪涌電壓通過(guò)485信號(hào)傳輸進(jìn)入單片機(jī),有可能損壞處理器,所以進(jìn)行光電隔離。
圖3為CAN通信模塊電路示意圖,CAN通信芯片采用TAJ1040,該款芯片是NXP公司的一款高速CAN數(shù)據(jù)傳輸芯片。其中電容C20、C25的作用是控制電壓斜坡,D7、D8、D9、D10、D11、D12的作用是防止靜電與浪涌電壓,提高電路的抗電磁干擾能力。
圖4為系統(tǒng)模塊所采用的電源電路,采用LM2596S-5.0,該款芯片為開(kāi)關(guān)電源,輸出電流高達(dá)3 A,并且具有功耗小、效率高、輸出線性度好的特點(diǎn),有效地解決了電源發(fā)熱影響系統(tǒng)工作的問(wèn)題??紤]到汽車(chē)上的低壓直流電壓有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),一般小型車(chē)為DC 12 V,中型車(chē)或者大型車(chē)為DC 24 V,此開(kāi)關(guān)電源可以在輸入高達(dá)40 V的情況下,有效地穩(wěn)壓到5 V。由于RAM芯片供電電壓為3.3 V,采用AMI1117-3.3穩(wěn)壓芯片,從5 V穩(wěn)壓到3.3 V,其中L2的作用是去耦電感,提高電源抗干擾能力。
圖4 電源電路示意圖
強(qiáng)電控制單元采用ATmel公司的ATmega8-APU微控制器,考慮到價(jià)格和處理能力的因素,選擇該款芯片。該款微控制器具有8路10位ADC,兩個(gè)串行UART,三通道的PWM控制,512字節(jié)的EEPROM,8 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash。
強(qiáng)電模塊電路主要由電源電路、高壓線絕緣監(jiān)測(cè)電路、通信電路、電流檢測(cè)電路、繼電器信號(hào)輸出電路等組成。電流檢測(cè)采用開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器,該款霍爾電流傳感器可用于測(cè)量直流、交流、脈沖電流,并且原邊被測(cè)電流與副邊輸出電壓電氣隔離。
電壓采集單元控制器采用ATmel公司的ATmega16微控制器,該微控制器的特性在于比上文介紹的ATmega8內(nèi)部可編程Flash大,達(dá)到16 k,并且多出1路PWM端口,達(dá)到四路PWM。
多塊大容量動(dòng)力電池串聯(lián)時(shí)采集這些單體電壓需要考慮到隔離問(wèn)題,本設(shè)計(jì)采用的方法為光耦繼電器法,采用松下公司的AQW212。這種光耦繼電器具有開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻極小、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。用譯碼器分時(shí)導(dǎo)通光耦來(lái)采集對(duì)應(yīng)單體的電壓。
溫度傳感器采用常用的溫度傳感器DS18B20,該種傳感器為一款數(shù)字芯片,可以使用單總線來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部ROM。采用此種傳感器是考慮到接線簡(jiǎn)單,采集溫度范圍大 (-55~125℃),并且具有較高的精度可以滿足設(shè)計(jì)要求。
均衡功能采用主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種方式,主動(dòng)均衡采用無(wú)損耗基于飛渡電容的均衡方式,主要在電動(dòng)汽車(chē)放電過(guò)程中使用。被動(dòng)均衡方式使用功率器件,進(jìn)行耗電試均衡,可以達(dá)到大電流均衡,其最大缺點(diǎn)是能量損耗及發(fā)熱,所以這種均衡方式主要在均衡充電時(shí)使用。
硬件電路確定以后,電池管理系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可靠地工作,除了硬件的合理設(shè)計(jì)外,與功能完善的軟件設(shè)計(jì)也是分不開(kāi)的。在軟件設(shè)計(jì)時(shí),首先要根據(jù)控制系統(tǒng)要求分析軟件實(shí)現(xiàn)的任務(wù),進(jìn)行軟件的總體設(shè)計(jì),包括程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。按整體功能分成多個(gè)不同的模塊,單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試,然后將各個(gè)模塊組合調(diào)試,實(shí)現(xiàn)軟件的全部功能。考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)軟件的易用性,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程,因?yàn)橛玫搅薃RM和AVR的微控制器,使用了兩種開(kāi)發(fā)軟件,ARM的開(kāi)發(fā)軟件為IAR,AVR使用的是ICC的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
主模塊主程序的主要功能有:初始化系統(tǒng)所有參數(shù)、實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、液晶通信、485通信、CAN通信、數(shù)據(jù)處理、SOC估算、EEPROM讀寫(xiě)等。主模塊采用uCOS-II操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行對(duì)任務(wù)的管理,增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
(1)主機(jī)初始化。首先屏蔽所有中斷,然后進(jìn)行OS初始化,創(chuàng)建任務(wù),對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
(2)圖5所示為接受從機(jī)采集模塊數(shù)據(jù)任務(wù)流程圖,任務(wù)一是對(duì)485通信的調(diào)度,首先初始化485通信的各種參數(shù),發(fā)送數(shù)據(jù)包到強(qiáng)電模塊和電壓采集模塊等待回應(yīng),如果收到回應(yīng),證明通信成功,然后對(duì)從機(jī)進(jìn)行初始化,查詢從機(jī)地址,等待任務(wù)喚醒。任務(wù)喚醒后,狀態(tài)1:讀每個(gè)電壓采集模塊電池?cái)?shù)量,進(jìn)行建包;狀態(tài)2:與強(qiáng)電模塊通信,發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包,強(qiáng)電模塊返回電流采集參數(shù)和絕緣監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)包;狀態(tài)3:發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包給電壓采集模塊,電壓采集模塊應(yīng)答,返回電壓參數(shù)和溫度參數(shù)數(shù)據(jù)包。每次循環(huán)操作完成后再次等待任務(wù)喚醒。
圖5 主控單元軟件流程圖
(3)任務(wù)二如圖5中的液晶控制流程圖所示。主機(jī)初始化后,等待任務(wù)喚醒。任務(wù)喚醒后,初始化顯示參數(shù),每次通信之前讀取液晶當(dāng)前界面,識(shí)別當(dāng)前液晶信息之后,確定狀態(tài)標(biāo)志,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送供液晶顯示。
如圖6所示,在進(jìn)入從機(jī)通信任務(wù)后,主機(jī)發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包,等待從機(jī)回應(yīng)。如果從機(jī)不回應(yīng)超時(shí),則返回失敗函數(shù)不返回?cái)?shù)據(jù);從機(jī)回應(yīng),進(jìn)行CRC校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)正確后,進(jìn)行數(shù)據(jù)解包,返回?cái)?shù)據(jù);若CRC校驗(yàn)不成功,再次發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包,直到CRC校驗(yàn)正確為止。
圖6 485通信流程圖
電壓采集模塊程序流程圖如圖7所示,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,控制器對(duì)譯碼器進(jìn)行操作,等待進(jìn)入AD中斷,進(jìn)入AD中斷以后讀AD采樣值。若主機(jī)發(fā)來(lái)查詢命令,每次進(jìn)入AD中斷后,讀取AD采樣值,建包發(fā)送采樣值給主機(jī),在每次掃描完電壓值以后,發(fā)送溫度采樣值給主機(jī),如上進(jìn)行循環(huán)。
圖8 強(qiáng)電控制單元軟件流程圖
強(qiáng)電模塊程序流程如圖8所示,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,然后等待主機(jī)命令。當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到故障出現(xiàn)時(shí)會(huì)發(fā)送命令進(jìn)入中斷程序,中斷程序?yàn)檩敵隼^電器信號(hào)。若沒(méi)有嚴(yán)重故障發(fā)生時(shí),跳過(guò)中斷,等待狀態(tài)標(biāo)志,進(jìn)行電流采集,絕緣監(jiān)測(cè),然后建包通過(guò)485發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)。
因?yàn)橹髂K控制采用了uCOS-II操作系統(tǒng),其本身具有很高穩(wěn)定性,但是在調(diào)試過(guò)程中,偶有出現(xiàn)通信不穩(wěn)定的情況,后來(lái)發(fā)現(xiàn)是從機(jī)模塊出現(xiàn)問(wèn)題,導(dǎo)致主機(jī)一直通信不上。在把從機(jī)都加上看門(mén)狗以后,通信成功率得到了提高。
在處理電流顯示時(shí),往往出現(xiàn)電流突然變化、瞬間變化上百安的情況。經(jīng)過(guò)分析應(yīng)該是采集電流時(shí),電流傳感器離電機(jī)比較接近,偶爾會(huì)出現(xiàn)干擾,導(dǎo)致電流突然變化,在加入了數(shù)字濾波器以后,有效解決了這個(gè)問(wèn)題,電流出現(xiàn)的瞬間變化情況消失。
本次設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)印制電路板,在畫(huà)板時(shí)充分考慮到電磁兼容的問(wèn)題。接插件方面選擇工業(yè)用航空接插頭,通信線纜選用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線RVSP進(jìn)行485通信和CAN通信。下面對(duì)本次電路板設(shè)計(jì)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
對(duì)地的處理,數(shù)字地和模擬地采用電源單點(diǎn)接地,在IC的電源方面大量使用電感和電容,增強(qiáng)電源的去耦性能,去耦電容必須接近IC電源端口。地線的布線嚴(yán)格按照電流的流動(dòng)方向布線。
在元器件的布局方面,采用低速、中速、高速分開(kāi)布局的方法來(lái)減小模塊之間的互擾。安排電路時(shí)盡可能使布線最短,保證不適用長(zhǎng)距離平行線。
在布線方面,走線采用45°走線,盡量不采用直角走線。減少過(guò)孔數(shù)量,盡量少用或者不用樹(shù)形信號(hào)線。采用大面積鋪地來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
為了裝車(chē)實(shí)際測(cè)量,本次調(diào)試安裝在一輛東風(fēng)小康K17改裝的純電動(dòng)汽車(chē)上。該車(chē)使用的是45串100 Ah的磷酸鐵鋰電池,其標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為2.8~4.0 V。
因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)電壓采集模塊可以采集16塊鋰電池,該車(chē)串聯(lián)電池組為45塊,所以本次采用3個(gè)電壓采集模塊,每個(gè)電壓模塊管理15塊鋰電池、4個(gè)溫度采樣點(diǎn)。表1為電池組1電壓采集測(cè)試結(jié)果。
本次測(cè)量的電池為剛采購(gòu)的電池,所以電池組的單體一致性很好,測(cè)量結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果(精度±5 mV)。
溫度采樣值如表2所示,當(dāng)用手握緊溫度傳感器時(shí),液晶顯示數(shù)值有明顯上升趨勢(shì),當(dāng)上升到31℃左右時(shí)停止上升,達(dá)到預(yù)期效果。
電流傳感器安裝在高壓總線上以后,啟動(dòng)電動(dòng)車(chē),踩下加速踏板以后,可以檢測(cè)到電流值,電流從0線性變化到58 A,因?yàn)槎喾矫嬖?,沒(méi)有上路測(cè)試,所以在沒(méi)有負(fù)荷的情況下,不方便測(cè)量大的放電電流。在液晶報(bào)警設(shè)置界面中設(shè)置放電切斷電流為50 A時(shí),當(dāng)踩下加速踏板時(shí),電流值50 A以后,強(qiáng)電模塊馬上輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)閉合連接上的DC 12 V繼電器,達(dá)到預(yù)期測(cè)試效果。
表1 電池組1電壓采集測(cè)試結(jié)果
表2 電池組1溫度采樣結(jié)果
絕緣檢測(cè)時(shí),當(dāng)用一根銅線連接高壓總負(fù),使其搭鐵時(shí),液晶馬上顯示出報(bào)警圖標(biāo),驗(yàn)證成功,達(dá)到預(yù)期效果。
隨著我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)的核心電子產(chǎn)品,正在受到越來(lái)越多的重視。本設(shè)計(jì)使用ATmega16和LPC2368為核心的控制平臺(tái),完成電池的電壓、電流、電量及溫度等多個(gè)參數(shù)的檢測(cè),而且測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警參數(shù)可在LCD上顯示。系統(tǒng)還通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度等影響進(jìn)行修正和補(bǔ)償,并具有聲光報(bào)警功能,具有較高的實(shí)用價(jià)值。在后期的研發(fā)工作中,還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的大量測(cè)試,來(lái)獲得實(shí)際運(yùn)行參數(shù),以提高其可靠性和穩(wěn)定性。另外,在產(chǎn)品的包裝方面還有待升級(jí)完善,外殼尺寸需要減小,以便于在小型車(chē)內(nèi)進(jìn)行安裝。
[1]孟良榮,王金良.電動(dòng)車(chē)電池現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電池工業(yè),2006,11(3):202-206.
[2]盧漢輝.串聯(lián)電池組電壓巡檢模塊的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,16:53-60.
[3]文明,方凱.電動(dòng)車(chē)輛電池電量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2007,3:21-22.