張輝，李艷東，李建軍，趙麗娜

(1.齊齊哈爾大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

電動汽車動力鋰電池組電源管理系統(tǒng)設(shè)計

張輝1，李艷東1，李建軍2，趙麗娜1

(1.齊齊哈爾大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

電動汽車的快速發(fā)展，對于動力鋰電池進行管理是必不可少的。在電池進行充電時，對電池狀態(tài)的監(jiān)控及均衡充電可很好地保護電池的壽命和安全。在需要對大量電池進行管理時，可以通過CAN通信將需要監(jiān)控的電池進行統(tǒng)一管理。為了更好的管理電池，采用了液晶顯示器和上位機對電池進行監(jiān)控。當(dāng)電池充電發(fā)生故障或者電池充滿時，通過電壓組的均衡來保護電池組，并發(fā)出相應(yīng)的提示信號。在控制設(shè)計方面，主控制處理器采用的是DSP處理器，芯片采用的是C語言編程，通信方式運用了SCI、SPI、CAN等傳輸形式。上位機是在LabVIEW開發(fā)平臺上進行設(shè)計。

DSP；電池管理；上位機；CAN總線

為了緩解全國環(huán)境污染問題，純電動汽車得到了快速的發(fā)展。而純電動汽車發(fā)展的瓶頸之一卻又在動力蓄電池方面，這給純電動汽車在續(xù)航、動力和安全方面帶來了很多麻煩，在蓄電池技術(shù)沒有很大改進的前提下，對純電動汽車提升性能方面目前最有效的方法是對電池的管理，使其在電池壽命、安全、續(xù)航等方面得到很大的改善，所以說一個好的電池管理方案對純電動汽車是至關(guān)重要的[1]。

人們很早就對電池的管理開始進行了研究，并且取得了很大的成就。早在1997年日本青森工業(yè)研究中心就開始對BMS的實際應(yīng)用進行研究，美國Villanova大學(xué)和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對各種類型的電池SOC進行基于模糊邏輯的預(yù)測，豐田、本田及通用汽車公司等都把BMS納入技術(shù)開發(fā)重點[2-3]。

在國家“863”計劃中，分別有北京理工大學(xué)、湖南神舟公司、蘇州星恒電源有限公司也對相關(guān)課題進行研究。湖南大學(xué)研發(fā)的電動汽車采用集中式BMS結(jié)構(gòu)，該BMS系統(tǒng)最大優(yōu)點是采用電壓合理開關(guān)矩陣提高數(shù)據(jù)采集可靠性和系統(tǒng)安全性[3-4]。

1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)主要功能是用于對純電動汽車的鋰離子電池組充電進行管理，在電池進行充電時，必須對電池的電壓和溫度實時監(jiān)控，從而保護電池[5]。在電池組管理方案中，該設(shè)計選用了凌力爾特提供的電池組管理器LTC6804-1。電池監(jiān)控采用兩片凌力而特的電池管理芯片LTC6804-1進行菊鏈?zhǔn)酵ㄐ?，并與處理器通過SPI進行通信。當(dāng)需要對多個電池組的數(shù)據(jù)監(jiān)控時，可以通過不同電池組的CAN地址的不同來監(jiān)控和管理任意電池，將所有的電池信息傳送到處理器進行處理，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?寸觸控屏顯示，然后通過WiFi將數(shù)據(jù)傳送到PC電腦終端。并且可以通過觸控屏和上位機獨立的修改報警溫度和電壓上下限及CAN、WiFi的開與關(guān)，當(dāng)電池發(fā)生故障時，對電池進行均衡處理，并通過觸控屏和電腦終端發(fā)生報警信號，以使電池得到保護。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電池監(jiān)控單元

LTC6804-1是凌力爾特針對電池管理的第三代產(chǎn)品，在比較前兩代產(chǎn)品上面，在功能上面和準(zhǔn)確度方面都進行了很大的升級，在芯片內(nèi)部采用了兩個16位ADC測量，可以測量多達12節(jié)單體電池，因其采用具頻率可編程三階噪聲濾波器的16位增益累加型ADC，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的絕對值被調(diào)高或者調(diào)低以補償ADC中的增益誤差，如果采用7 kHz進行測量時，測量誤差最低可以減少到0.1mV。

ADC測量共有6種模式(27 kHz、14 kHz、3 kHz、2 kHz、26 Hz)針對不同的要求可以選擇不同的測量模式，本次測量采用的是標(biāo)準(zhǔn)的7 kHz進行測量。在進行數(shù)據(jù)傳輸方面，提供了兩種傳輸協(xié)議(I2C和SPI)，因為SPI在進行通信的過程中有四種時鐘模式，本次采用的是SPI的第四種時鐘模式。在進行大量電池采集時，每個LTC6804-1都提供了一個isoSPI接口，該接口可以實現(xiàn)高速、抗FR干擾的局域通信。多個LTC6804-1器件連接時采用菊鏈?zhǔn)竭B接以減少了數(shù)據(jù)在傳輸過程中受外界干擾而引起的誤差。

2.2 電池組管理功能設(shè)計

2.2.1 單體電池采集電路

每節(jié)電池的電壓準(zhǔn)確采集是很重要的，采集電路如圖2示。

為了盡量減少測量誤差，在設(shè)計采用的是差分電容器濾波電路，基本的ADC準(zhǔn)確度與R和C的選擇有關(guān)，在采集電路上面采用了通過RC來對輸入的信號進行最優(yōu)采集，具體RC選擇對輸入誤差的影響如圖3所示，根據(jù)圖3可知，當(dāng)R選擇100W和C選擇10 nF時可以實現(xiàn)誤差的最小化，所以如圖3在電路設(shè)計上面選擇了R164為100W和C101為10 nF/25 V對電路輸入進行濾波。在圖2中，CELL2_9和CELL2_8分別接到每節(jié)單體電池的正負極，通過R164和C101構(gòu)成的RC電路輸入到LTC6804-1的CS2_18引腳對電池電壓進行采集。

圖2 單體電池采集電路

圖3 測量誤差RC關(guān)系曲線

2.2.2 電池均衡電路

在電池進行充電過程中，當(dāng)電池電壓大于該電池的標(biāo)準(zhǔn)最大電壓，為了保證電池的安全和可靠性，當(dāng)電池電壓超過了設(shè)置的最大安全電壓，必須對電池進行均衡放電，使電池通過均衡回到一個安全范圍。LTC6804-1自帶了兩種均衡方案，均衡方案分為內(nèi)部均衡和外部均衡，由于考慮到電池電流大以免對芯片產(chǎn)生大電流沖擊等因素，均衡選用了外部均衡方案，均衡電路如圖2所示，在CS2_18和CS2_17之間并入一個英飛凌的BSS308PE的OPTIMOS管和一個功率電阻，當(dāng)電池電壓過高時，通過控制LTC6804-1的CS2_17引腳進行控制，通過控制MOS管的柵極使源極和漏極導(dǎo)通，通過電阻R169的33W功率電阻對電池進行放電使電池電壓達到平衡，LED33為均衡指示燈，可以直觀的觀察是否發(fā)生了均衡。BSS308PE工作溫度范圍在－55～150℃，功率為0.5W，可以很好地滿足均衡要求。

2.2.3 電池組溫度采樣設(shè)計

為了更好地監(jiān)視電池的狀態(tài)，在設(shè)計中添加了對電池組的溫度測量，因為LTC6804-1有5路模擬通道I/O，對于溫度采集選用的是熱敏電阻采樣，通過精密電阻與熱敏電阻分壓，因為芯片提供了VREF2輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓3.0 V，熱敏電阻的分壓采用的是第二基準(zhǔn)電壓供電，在數(shù)據(jù)處理上面，通過ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，通過LTC6804-1與處理器進行SPI通信時將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器經(jīng)過相應(yīng)的運算后把溫度信息通過CAN、串口發(fā)送給相應(yīng)的終端[6]。

2.3 通信及通信隔離設(shè)計

LTC6804-1自帶有isoSPI接口(端口B)和標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口(端口A)。多個LTC6804_1之間通信通過isoSPI菊鏈?zhǔn)竭B接。isoSPI采用了雙線的差分信號來進行數(shù)據(jù)傳輸。兩片LTC6804-1通過一個變壓器來回地發(fā)送和接收差分脈沖以實現(xiàn)通信，數(shù)據(jù)輸出的邏輯電平分為三種電平:+VA、0V和-VA[7]。在通信的脈沖長度方面，isoSPI采用了四種不同的脈沖(長+1脈沖、長-1脈沖、短+1脈沖、短-1脈沖)。如上所述，isoSPI采用四種脈沖方式進行通信，主控制器不必要生產(chǎn)isoSPI脈沖，主控制器與第一個LTC6804-1通過端口A進行標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI通信，而第一個LTC6804-1的端口B通過其兩線的isoSPI端口功能與下一個LTC6804-1的端口A連接，從而進行菊鏈?zhǔn)竭B接。

2.4 CAN網(wǎng)絡(luò)通信

CAN總線是由兩線組成的通信方式，最初設(shè)計是用于汽車上面的，在數(shù)據(jù)傳輸中具有效率高、數(shù)據(jù)不易出錯、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，在汽車行業(yè)得到了很快的發(fā)展。CAN協(xié)議在通信層次中運用了兩個層，分別是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，在數(shù)據(jù)傳輸可靠性上面，在校驗方面采用的是CRC校驗并且具有錯誤校驗工，這樣可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定準(zhǔn)確[8－9]。在設(shè)計中，通過CAN總線將擴展電池組的數(shù)據(jù)一一采集到數(shù)據(jù)終端進行分析和處理，這樣就可以很好地對所有的電池進行管理和監(jiān)控。

本設(shè)計使用了Philips公司的TJA1040，可以很好的實現(xiàn)CAN通信的數(shù)據(jù)傳輸，TJA1040電路如圖4所示，當(dāng)外部CAN網(wǎng)絡(luò)有CAN數(shù)據(jù)時，CANH和CANL上產(chǎn)生的差分信號符合CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

圖4 CAN轉(zhuǎn)換電路

2.5 觸控屏基本介紹

本設(shè)計主要是用于電池充電進行管理，所有在顯示部分選擇了屏幕較大的7英寸1024*600圖形點陣的65 k色串口屏。該屏工作電壓范圍6.0～42.0 V之間，具有大儲存還支持SD卡等特點，在操作上面，可以設(shè)置為單純的顯示功能，也可以設(shè)置為具有觸控功能的顯示和手勢感應(yīng)功能，在性能上面完全能夠完成系統(tǒng)要求。

觸控屏與控制器之間通信選擇了常用的115 200 bps。在對觸控屏操作上面，有著嚴格的操作方式，包括數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)指令等數(shù)據(jù)。

在控制指令方面，觸控屏具有很大的優(yōu)勢，其簡化了開發(fā)的難度和開發(fā)的成本。

2.6 PC上位機監(jiān)控介紹

為了更加方便和實時觀測電池狀態(tài)，本設(shè)計添加了PC上位機功能。常用的上位機可以通過VB、C、C++、labw indows/cvi、LabVIEW等軟件開發(fā)。而VB、C、C++等是通過相應(yīng)的程序代碼編寫，在編寫和開發(fā)過程中難度較大，而且對于初學(xué)者上手周期長，但是LabVIEW的開發(fā)是通過圖形化G語言編寫的，表現(xiàn)出來的是程序的邏輯框圖，LabVIEW是一種很常用的上位機軟件，編程采用的是G語言，方便且簡單[10]。

3 軟件設(shè)計

3.1 主控系統(tǒng)程序設(shè)計

主控制器采用TI的TMS320F28055做為主控芯片，對電池電壓和電池組溫度進行測量監(jiān)控，并且通過觸控屏和上位機對其進行監(jiān)控且對溫度報警上限和均衡電壓進行設(shè)置，上位機還具有對電壓數(shù)據(jù)趨勢曲線進行顯示和存儲的功能，方便對數(shù)據(jù)進行分析。主框架如圖5所示。

3.2 電池數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

為了對電池更好地管理，對電池的數(shù)據(jù)采集是最為重要的一部分。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

電池監(jiān)控芯片通過自帶的SPI功能與CPU之間進行數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸速率上面，LTC6804-1支持的最大波特率為1MHz。當(dāng)系統(tǒng)上電后，電池管理芯片處于開始的休眠狀態(tài)，必須通過控制器給管理芯片發(fā)送芯片喚醒指令，通過指令喚醒管理芯片到工作狀態(tài)，當(dāng)芯片喚醒后，對管理芯片進行相應(yīng)設(shè)置，包括ADC采用頻率、均衡電壓等配置信息。為了確保檢驗通信成功，采用了讀取配置寄存器的方法來驗證是否通信成功，通過相應(yīng)的程序來讀取單體電池的電壓并進行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換。

在對電池電壓采集的基礎(chǔ)上，配置完成寄存器和通信成功后，如圖6所示，通過SPI發(fā)送相應(yīng)的讀取溫度指令，讀取溫度電壓值將其轉(zhuǎn)換為實際溫度。電路采用的是熱敏電阻與一個10 k W精密電阻形成的串聯(lián)電路來對溫度進行采集，電源由管理芯片的第二基準(zhǔn)電壓提供。通過熱敏電阻手冊得出了電阻與溫度的函數(shù)，具體處理如下所示。

圖6 觸控屏功能主界面

其中：V2為讀取輔助寄存器中熱敏電阻的分壓值，R1為分壓電阻的阻值，V0為讀取第二基準(zhǔn)電壓的電壓值，R2為熱敏阻值，temperature1計算溫度。通過上述算法，可以計算出電池組溫度。

3.3 電池監(jiān)控界面

控制器與觸控屏之間是通過串口B進行數(shù)據(jù)通信。通過觸控屏顯示每一節(jié)單體電池的電壓和電池組的溫度，對電池進行監(jiān)控，還可以通過觸控屏對電池組的參數(shù)進行設(shè)置，包括溫度上限、電壓上限、電壓下限、W iFi開關(guān)、CAN開關(guān)。顯示如圖6所示。

如圖6所示，顯示部分包括12節(jié)單體電池的電壓、電池總電壓、電池最高最低電壓及其壓差、電池組溫度、WiFi連接狀態(tài)、CAN連接狀態(tài)、均衡狀態(tài)。狀態(tài)指示燈紅色燈表示工作狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，綠色工作狀態(tài)為正在工作中。根據(jù)不同的電池組有不同的設(shè)置參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖7所示。

圖7 觸控屏參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置部分分為兩部分，如圖7所示，通過右側(cè)的設(shè)置顯示部分可以顯示數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被控制器接收，從而驗證數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。在傳輸設(shè)置部分對數(shù)據(jù)的長度也進行了限制，如溫度范圍根據(jù)實際情況被設(shè)定在10～99℃之間的數(shù)值，而電壓上限為1～5 V，電壓下限為0～2 V之間，如果超出范圍數(shù)據(jù)輸入就無效，在數(shù)據(jù)設(shè)置方面，采用了兩種設(shè)置方法，一種為+/-對數(shù)據(jù)進行設(shè)置，另一種為鍵盤設(shè)置參數(shù)。如果數(shù)據(jù)輸入值不在限制范圍內(nèi)，則數(shù)據(jù)無法輸入。

在設(shè)置界面如圖7所示，關(guān)于控制按鍵介紹。

(1)如果取消設(shè)置的參數(shù)，通過“取消設(shè)置”可以取消輸入的設(shè)置，設(shè)置為初始化的數(shù)據(jù)；

(2)WiFi和CAN開、關(guān)，用以設(shè)置W iFi和CAN的開關(guān)狀態(tài)；

(3)參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)置完成，通過“確定設(shè)置”可以將設(shè)置的參數(shù)下發(fā)至控制器。

3.4 上位機程序設(shè)計

上位機是基于LabVIEW環(huán)境而設(shè)計，電池管理主控板通過WiFi與PC之間進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用Lab-VIEW的UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，電腦可以通過360的W iFi共享功能建立W iFi熱點。

W iFi模塊在第一次上電RX(串口數(shù)據(jù)接收端)必須懸空或者低電平，所以在程序設(shè)計開始就對其拉低，通過延時25后，進行正常通信，在程序起初處理器同時對上位機的參數(shù)設(shè)置進行初始化。因為觸控屏與上位機都同時起著數(shù)據(jù)監(jiān)控的作用，所以兩者是可以相互進行設(shè)置參數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)是通過WiFi信號來進行。

圖8 上位機電池監(jiān)控主界面

上位機在基本顯示部分和觸控屏類似，如圖8所示。在界面上，“本機IP地址”為電腦的網(wǎng)絡(luò)IP地址，而“WIFI—IP”則為無線接入點WiFi模塊的IP地址，數(shù)據(jù)傳輸通過相應(yīng)的IP地址準(zhǔn)確地傳輸?shù)较鄳?yīng)的部分，而“圖形”、“設(shè)置”為數(shù)據(jù)觀察和參數(shù)設(shè)置功能窗口。在功能上面通過點擊“圖形”功能按鍵進入圖形功能區(qū)。

圖形功能窗口用于觀察曲線、柱狀圖形、數(shù)據(jù)表格三種形式來查取電池的電壓和電池溫度信息，數(shù)據(jù)還可以通過Excel表格將數(shù)據(jù)存儲起來，這對電池的狀態(tài)和壽命的研究提供了很大的方便。如圖9所示，圖形下方顯示的為電池的電壓走勢曲線，電池組溫度曲線采集的熱敏電阻通過計算轉(zhuǎn)換為的溫度走勢曲線，上方顯示相應(yīng)的柱狀圖。顯示的電池電壓走勢、溫度走勢都可以通過數(shù)據(jù)表格顯示和存儲。

圖9 上位機數(shù)據(jù)顯示圖形界面

前面板中的“參數(shù)設(shè)置”功能是為了實現(xiàn)同步上位機和觸控屏之間的設(shè)置，通過上位機可以修改觸控屏中參數(shù)，也可以通過觸控屏修改上位機的參數(shù)。設(shè)置面板如圖10所示。

參數(shù)面板用于顯示設(shè)置的參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，可以為系統(tǒng)初始化參數(shù)也可以為觸控屏設(shè)置參數(shù)，也可以為上位機修改的參數(shù)。在設(shè)置參數(shù)面板，當(dāng)設(shè)置的參數(shù)完成了修改，則相應(yīng)的狀態(tài)指示燈會亮2 s時間表示設(shè)置成功。圖10中參數(shù)面板數(shù)據(jù)為系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

系統(tǒng)功能主要通過TMS320F28055與LTC6804-1電池管理芯片進行數(shù)據(jù)的傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C和下位機進行監(jiān)控和管理，并對電池進行保護，本設(shè)計主要包括如下功能：(1)每塊檢測板最多可以堅持24節(jié)單體電池，電池測量最高電壓可以達到5 V，測量的精度為0.1mV；(2)該系統(tǒng)可以通過CAN總線同時測量多組電池的電壓和溫度，通過不同的CAN地址可以準(zhǔn)確地知道任意一塊單體電池的狀態(tài)；(3)通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X終端，對電池進行在線監(jiān)控；(4)控制器通過RS-232與配載的7寸觸控液晶屏通信，可以將電池的信息和數(shù)據(jù)顯示到液晶屏，可以直觀地了解所有電池的狀態(tài)；(5)當(dāng)電池在進行充電時，如果出現(xiàn)電池充電過電壓或者電池欠電壓，可以通過板上的外部均衡電路將電池恢復(fù)到正常狀態(tài)。

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Powermanagementsystem design of lithium battery for electric vehicle

ZHANG Hui1，LIYan-dong1，LIJian-jun2，ZHAO Li-na1
(1.College ofComputerand Control Engineering，QiqiharUniversity，QiqiharHeilongjiang 161006，China;2.College ofScience，Qiqihar University，QiqiharHeilongjiang 161006，China)

For the rapid developmentofelectric vehicles，powermanagement for lithium battery is essential.When the battery is charging，the battery status monitoring and equalization charging can well protect battery life and safety. When needing to manage a large number of cells，the battery for unified management was monitored by communicating via CAN.In order to bettermanage the battery，the battery wasmonitored w ith a liquid crystaldisplay and PC.When the battery was faulty or the battery was fully charged，the battery pack was protected by the voltage equalizer，and the appropriate cues were issued.In the controldesign，a DSP processorwas used as themaster control processor;a C language programm ing was used as the chip;the SCI，SPI,CAN and other forms of transm ission were used as the communication system.PC was designed at the LabVIEW developmentplatform.

DSP;batterymanagement;positionmachine;CAN bus

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1407-05

2015-12-05

黑龍江省自然科學(xué)基金項目(F2015025)；黑龍江省教育廳科研項目(12531770)；齊齊哈爾大學(xué)青年教師科研啟動項目(2012k-M 16)

張輝(1982—)，男，黑龍江省人，講師，碩士，主要研究方向為電機與電氣控制，檢測技術(shù)與機器人技術(shù)。