安徽師范大學物理與電子信息學院　李改有　楊　姜　席光榮　張學峰　朱向冰

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一種混合動力車載鋰電池管理系統(tǒng)

安徽師范大學物理與電子信息學院李改有楊姜席光榮張學峰朱向冰

【摘要】鋰電池的管理問題一直阻礙了鋰電池動力汽車的發(fā)展。為了保證鋰電池的可靠運行，對鋰電池的工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)測是必要的過程。本文設計了一種混合動力車鋰電池管理系統(tǒng)，利用STM32處理器控制電池參數(shù)采集系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)及報警電路、人機交互界面和控制終端，并通過CAN總線完成系統(tǒng)和車載處理器的數(shù)據(jù)傳輸，再通過車聯(lián)網(wǎng)將信息傳給遠程控制終端，控制終端還可以通過網(wǎng)絡將故障信息傳給智能手機，通知管理人員。該設計可以很好地解決鋰電池的安全保護、故障分析、參數(shù)分析與顯示、電池的壽命周期管理等問題。

【關鍵詞】鋰電池管理；電池參數(shù)采集；CAN總線；遠程控制終端

0　引言

電動汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向，汽車鋰電池是電動汽車的關鍵元件，但是鋰電池在過熱、過充、過放、擠壓、振動等條件下可能導致電池壽命的縮短和損壞，還可能發(fā)生起火爆炸事故，因此其安全問題已成為純動力和混合動力汽車商業(yè)化的主要制約因素。在電動汽車的使用過程中，發(fā)現(xiàn)單個電池的壽命遠比電動汽車中電池組的使用壽命長，研究表明這是因為單體電池處在不均衡的狀態(tài)中，各個電池充放電過程不均衡，而不斷重復的充放電過程加劇了單體的不均衡現(xiàn)象，引起單體壽命的縮短，導致所在的電池組的壽命縮短，從而縮短了整個電池系統(tǒng)的壽命[2]。對于鋰電池的管理不僅影響著鋰電池的使用壽命，而且還影響汽車的性能。目前一些汽車公司做出了鋰電池管理系統(tǒng)，但是功能比較單一，人機交互程度不高。有些偏向于電池充放電、剩余電量（SOC）的估算；有些偏向于電池均衡、熱管理及性能評估，在鋰電池均衡、性能評估方面比較薄弱，而且市場上的電池管理系統(tǒng)價格昂貴，對鋰電池的管理效率不高。因此必須降低鋰電池管理系統(tǒng)的成本，并增加鋰電池管理系統(tǒng)的功能，對鋰電池進行全面、實時的監(jiān)控和管理。

針對上述問題，本文設計了一種以STM32處理器為核心的電池管理系統(tǒng)，包括電池參數(shù)采集模塊、充放電模塊、散熱模塊及報警電路、人機交互模塊和遠程控制模塊等。本系統(tǒng)可有效的防止因為過流、過壓、欠壓、高溫、不均衡充電和剩余電量難估算等引起的問題，提高了鋰電池運行的安全性，延長了鋰電池的使用壽命。

1　系統(tǒng)整體框架

車載電源管理系統(tǒng)主要是對電壓、電流、溫度等參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測，還有剩余電量（SOC）和均衡充電等問題需解決。需要對剩余電量（SOC）進行實時的檢測并進行有效的估算以及對電池充放電過程進行智能實時的監(jiān)控和管理，防止過流、過壓、高溫、低壓、單節(jié)電池過充等問題的出現(xiàn)，還需要有報警電路、散熱電路和終端顯示部分，以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定以及電池組的正常工作。

如圖1所示，電池參數(shù)采集模塊包括電壓、單體電池溫度、剩余電量（SOC）參數(shù)的采集電路；充放電模塊主要對充放電的電流和電壓進行監(jiān)控；由STM32處理器把采集的信息通過CAN總線傳到人機交互模塊，在人機交互界面上顯示各項參數(shù)，并且可以通過人機交互界面對各項參數(shù)進行保存和修改，同時對欠壓、過壓、過流、高溫、剩余電量（SOC）等狀態(tài)和參數(shù)進行顯示。通過整車控制器處理故障信息，然后控制報警模塊，對各個故障進行報警；控制散熱模塊對電池組散熱；剩余電量（SOC）估算采用的DS2788電量計，可以對多個單體進行檢測，用來判斷電池是否處在正常的工作狀態(tài)。

圖1　電池管理系統(tǒng)的整體框架

2　參數(shù)采集模塊

在電池管理系統(tǒng)中，電池參數(shù)采集系統(tǒng)擔任著電池組運行過程中的參數(shù)的采集的任務，需要及時、準確的將各個單體的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)傳回到STM32控制器。本設計中采用AD7280電源管理芯片實時的采集信息并且傳到單片機中進行處理。AD7280采用SPI總線通訊方式，其中內置了對電動汽車所用疊層鋰電池進行通用監(jiān)控所需的主要功能，AD7280具有多路復用電池電壓和輔助ADC測量通道，可以測量每個單體電池的電壓，單節(jié)電池的電壓不能超過5V，單塊AD7280最多可以測量6個單體電池，輔助ADC可以通過測熱敏電阻兩端的電壓來測單體電池的溫度?？梢酝ㄟ^菊花鏈級聯(lián)8塊AD7280，這樣最多可以測量48個單體鋰電池，ADC的分辨率為12位，可以滿足要求，實驗證明采集48個單體電池的電壓只需要7us。

如圖2所示，由電源管理芯片AD728作為主芯片，VIN0至VIN6引腳間每相鄰兩個之間可放一節(jié)鋰電池，同過CB1引腳控制MOS管柵極的通斷，來控制電池的均衡充電；如上所述，CB2至CB6也是同樣的控制方式，后面的電路都是在第一級的基礎上疊加相同的電路，總共六路電池接口；AUX6、AUX5、AUX4、AUX3、AUX2、AUX1六個輔助AD采集端口分別采集6塊熱敏電阻上的電壓，熱敏電阻分別放在六塊單體電池上，通過電池上的溫度變化，使熱敏電阻阻值發(fā)生變化，AD7280通過變化熱敏電阻阻值導致引腳的電壓不同計算出溫度大小，采集到單體電池溫度信息。進一步的，實際上需要用8個類似的電路進行級聯(lián)，通過ALERTHI、SDIHI、CNVSTHI、SDOHI、SCLKHI、CSHI、PDHI這幾個引腳分別與后級的ALERT、SDI、CNVST、SDO、SCLK、CS、PD引腳相連形成菊花鏈，STM32單片機通過菊花鏈，對AD7280進行寫命令和讀取數(shù)據(jù)。

圖2　STM32單片機控制單塊AD7280電路圖

以DS2788作為估算剩余電量和測量單體組的電流的主芯片，如圖3所示，整個電路通過PK+和PK-進行供電，正極和負極與電池兩端進行連接，STM32處理器通過單總線從DATA口讀取數(shù)據(jù)。首先需要通過廠家提供的DS2788上位機將充滿的一節(jié)電池進行完全放電記錄下單體電池的總電量，然后就用STM32處理器通過單總線讀取剩余電量并檢測流過的電流。

圖3　DS2788外圍電路圖

電池參數(shù)采集系統(tǒng)如圖4所示，由主控芯片STM32處理器控制8個AD7280和DS2788級聯(lián)對電池組進行監(jiān)測，并把采集到的信息傳個STM32單片機進行處理。

圖4　電池參數(shù)采集系統(tǒng)的框圖

3　充放電系統(tǒng)的設計

充放電系統(tǒng)主要采用的是以雙向DC-DC模塊為核心，通過STM32處理器的指令控制，與電流檢測模塊、繼電器切換電路進行協(xié)調工作。其系統(tǒng)框圖如圖5所示，該雙向DC-DC模塊選用開關電源常用的脈寬調制芯片作為電源管理芯片，電池充電時通過電源連接繼電器切換模塊，繼電器切換模塊通過STM32處理器器控制，切換到充電模式，再經過電流檢測模塊2把電流信息傳回STM32處理器，再通過雙向DC-DC模塊把電能通過電流檢測模塊1，輸送給電池組進行充電；電池放電時是由電池組通過電流檢測模塊1，再與繼電器切換模塊相連接，如上所述切換到放電模式，通過放電部分與電流檢測模塊2相連接，把電能輸送給負載，實現(xiàn)鋰電池充放電的管理。在雙向DC-DC模塊的反饋控制中采用的是PID算法，能夠使輸出的電壓或電流處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5　充放電模塊框圖

充放電均衡電路如圖6所示，使用AD7280芯片的內部的MOS管控制器，通過CB引腳，控制MOS管的通斷。當電池出現(xiàn)充滿的情況下，AD7280的CB引腳將控制MOS管導通，該電池則不會繼續(xù)充電。在放電過程中，當單體電池電量明顯高于其他電池時，則控制MOS管導通，該單體電池加速放電，從而保證了各單體電池在充放電時基本均衡，延長了電池組的使用壽命。

MOS管控制器集成在AD7280芯片里面，不需要額外的電路，使電路變得簡單，縮小了電路板的面積。

圖6　電池充放電均衡電路

4　遠程管理模塊

本系統(tǒng)采集和處理的數(shù)據(jù)和相應的狀態(tài)都會顯示在車載顯示屏上。若駕駛位上沒有人，當警報出現(xiàn)時，不能及時的排除故障，這樣就可能造成電源的損壞。為了解決上述問題，本系統(tǒng)還添加了遠程控制功能。

遠程控制終端原理如圖7所示，由信號接收端、網(wǎng)絡中轉站、控制終端三部分組成。汽車的整車處理器將信息傳給3G/4G通訊網(wǎng)絡，再通過英特網(wǎng)將信息傳送給控制終端，控制終端將接收的信息在人機操作界面上顯示，如有故障信息將進行報警。在管理人員按下人機交互界面上的遠程管理按鈕，控制終端就會將故障信息通過英特網(wǎng)傳給智能手機，遠程管理人員可以根據(jù)傳過來的信息來了解汽車的信息，便于汽車鋰電池后期的維護和管理。

圖7　遠程控制終端原理框圖

5　總結

在本設計中電源管理芯片選用的是ADI公司的AD7280芯片，它主要完成數(shù)據(jù)的采集和均衡充放電控制，本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實時采集、故障分析、剩余電量（SOC）估算、電池均衡充電、電池充放電管理、終端控制和遠程管理等功能，可以有效的實現(xiàn)鋰電池狀態(tài)的監(jiān)控。本設計的鋰電池管理系統(tǒng)仍然有很多的不足之處，還需要后期進一步的完善。

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李改有（1993—），男，安徽池州人，大學本科，學士，主要研究方向：硬件電路設計與仿真、開關電源。

作者簡介：

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201510370094）。