杜振新，高飛飛（.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 7006；.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 33003）

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基于主動均衡的純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究

杜振新1，高飛飛2
（1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710061；2.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

摘要：采用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種基于主動均衡的純電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)，實(shí)時檢測動力電池的各種運(yùn)行參數(shù):總電壓、總電流、電池SOC、單體電壓、電池包溫度。硬件方面設(shè)計(jì)了可調(diào)恒流源和高效的主動均衡拓?fù)潆娐?，提高了均衡電流和均衡效率?/p>

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；主動均衡；均衡拓?fù)潆娐?/p>

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-134-03

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為企業(yè)發(fā)展帶來了有利的一面，但同時網(wǎng)絡(luò)安全也引起了人們的關(guān)注。企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)作為媒介進(jìn)行財務(wù)管理，就存在了相當(dāng)大的安全風(fēng)險。如果財務(wù)管理的機(jī)制有漏洞，可能會導(dǎo)致企業(yè)受到嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此要健全風(fēng)險管理機(jī)制，及時的規(guī)避因互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全問題造成的損失。

1、研究背景

能源枯竭，環(huán)境污染，已經(jīng)成為當(dāng)前社會急需解決的問題，世界各企業(yè)和汽車生產(chǎn)大國都在開發(fā)電動汽車[1]。這就需要電池管理系統(tǒng)。目前電池管理系統(tǒng)具有以下基本功能：（1）數(shù)據(jù)采集：采集電池總電流、監(jiān)測點(diǎn)溫度以及單體電壓等；（2）剩余電量（SOC）估計(jì)：估計(jì)方法有安時計(jì)量法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、模糊預(yù)測法等；（3）充電控制：單體之間的不一致性會導(dǎo)致充電的不均衡，影響電池的壽命和安全，所以提高單體一致性尤為重要[2-4]；（4）安全管理：包含熱管理和故障診斷；（5）數(shù)據(jù)通信：實(shí)現(xiàn)模塊間和整車之間的數(shù)據(jù)通信。目前均衡管理存在的顯著問題有均衡拓?fù)潆娐沸实?，均衡電流小?/p>

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了全新的電池管理系統(tǒng)，由主控板和均衡采集板構(gòu)成。每塊均衡采集板主要負(fù)責(zé)采集12節(jié)電池的單體電壓、2個電池包溫度監(jiān)測點(diǎn)溫度、對電池包的電池進(jìn)行均衡管理和向主控板做數(shù)據(jù)通信。主控板主要負(fù)責(zé)采集母線總電流、計(jì)算電池總電壓、計(jì)算SOC、控制充放電繼電器、與整車ECU通信和BMS故障處理等。

單體電池的電壓是均衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動均衡的重要依據(jù)，單體電壓值和溫度信息經(jīng)過均衡采集板的CAN1總線發(fā)送給BMS。BMS根據(jù)收到的信息來評估電池的工作狀態(tài)，將異常情況及時反饋給用戶，并且斷電來保護(hù)電池包。LTC6803通過電阻和電容的RC濾波連接到電池增加采集精度，最后通過Cx引腳連接到LTC6803的采集引腳。

2.1.3恒流源模塊

2.1.1LTC6803電壓和溫度采集模塊

本均衡系統(tǒng)的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以MOS 管為開關(guān)器件，大電流二極管為單向電流控制器件的可控大電流主動充電回路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。原理圖如下圖1所示。如果在整個電池組中BAT16 電壓最低需要進(jìn)行補(bǔ)充充電，則控制電平將下端P型MOS管Q40和上端N型MOS管導(dǎo)通充電電流依次通過Q40，D40，BAT16，D28，Q28形成為電池BAT16進(jìn)行充電的回路，給電池BAT16 進(jìn)行補(bǔ)充充電。為了防止MOS管被擊穿時電池短路或恒流源短路，我們在各分支加入了大電流二極管。這個設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)即使控制電路失效也不會因附加該電路引起電池組短路危險。

2.1均衡采集板硬件總體設(shè)計(jì)

從馬克思?xì)v史哲學(xué)視野分析和把握馬克思以“世界歷史”理論形式闡發(fā)的全球化思想，其內(nèi)在邏輯理路主要體現(xiàn)為三個有機(jī)統(tǒng)一的層面:

主控板采用ST公司的STM32F207VET6處理器；采用低功耗實(shí)時時鐘芯片DS1302保證時間的精確度；采用標(biāo)準(zhǔn)SDIO接口協(xié)議進(jìn)行快速實(shí)時存儲?？傠娏鞑蓸舆x用閉環(huán)型霍爾電流傳感器，采集正負(fù)電流信號，再轉(zhuǎn)換成0-3V的電壓信號?；魻杺鞲衅骺梢援a(chǎn)生-15V~+15V的感生電動勢，經(jīng)過LM358的一級運(yùn)放電路縮小10倍，再經(jīng)過第二級的加法器將-1.5V~+1.5V變?yōu)?-3V。

2006年，中國美院副院長主持的杭州市城市色彩規(guī)劃研究也公布了結(jié)果。此研究把灰色定為杭州城市的主要色調(diào)，同時總結(jié)出了城市色彩的總譜。選擇灰色主要是想將杭州打造成水墨江南。重慶大學(xué)城市建筑與規(guī)劃學(xué)院通過幾年的研究，也完成了重慶城市色彩的規(guī)劃，重慶主城區(qū)城市色彩以淡雅明快的暖灰色為主要色調(diào)，輔助以局部的冷灰色調(diào)。

圖2　恒流源電路

均衡采集板要能夠以高精度采集單體電池電壓和電池包監(jiān)測點(diǎn)溫度，為了實(shí)現(xiàn)高效的均衡管理，應(yīng)具有可控高效地均衡拓?fù)潆娐泛洼^大的均衡電流。均衡采集板從功能上講，它主要分為以下模塊：MCU控制電路、電源模塊、CAN通信模塊、LTC6803電壓和溫度采集模塊、主動均衡拓?fù)潆娐纺K和恒流源模塊。接下來我們詳細(xì)介紹均衡采集板的主要功能模塊。

恒流源原理圖如圖2所示，工作原理：檢測電阻R151的分壓經(jīng)運(yùn)放LM358的一級運(yùn)放放大24倍，然后經(jīng)過LM358第二級運(yùn)放的比較電路，和可調(diào)電阻J1端子2的分壓IN2-作比較，最后將比較結(jié)果的電平經(jīng)過反饋引腳FB傳遞給XL4016。XL4016根據(jù)FB的電壓信號來進(jìn)行開關(guān)。若電壓信號低于0.8V，則XL4016芯片開啟；若電壓信號高于3.3V，則XL4016芯片關(guān)閉。最終通過XL4016的不斷開關(guān)和電感配合形成恒流源。通過調(diào)節(jié)J1端子2的分壓改變比較電路的輸入電壓閾值從而可以調(diào)節(jié)恒流源的電流大?。?-6A可調(diào)）；通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻J2電阻大小便可以調(diào)節(jié)恒流源的輸出電壓值。

2.2主控板硬件設(shè)計(jì)

主控板硬件電路從功能上分為以下模塊：CAN通信模塊、充放電繼電器控制電路、TF卡存儲電路、實(shí)時時鐘電路、母線電流采集電路。

約1 400 ℃熔融態(tài)粗鎳鐵合金由側(cè)吹爐另一端兩個放出口中的一個定期放出鑄錠外賣，金屬放出口采用泥炮開口機(jī)。

2.1.2主動均衡拓?fù)潆娐纺K

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1均衡采集板軟件設(shè)計(jì)

均衡采集板系統(tǒng)上電完成各模塊的初始化，然后循環(huán)的進(jìn)行電壓溫度采集、均衡處理和CAN1通信子程序。(1)采集子程序由均衡采集板主控MC9S08DZ60向LTC6803發(fā)送電壓采集命令，LTC6803采集12塊鋰電池的單體電壓和電池包溫度，并發(fā)送給主控ECU。(2)均衡處理子程序找出8次采集中電壓值最低的單體電池的位置，如果它比最高單體值小0.01V，主控ECU控制相應(yīng)的充電回路導(dǎo)通，給欠壓的鋰電池均衡充電，反之則不做主動均衡。(3)CAN1通信子程序負(fù)責(zé)均衡采集板采集的電壓、監(jiān)測點(diǎn)溫度并發(fā)送給主控板。

3.2主控板軟件設(shè)計(jì)

由表8及圖3可以看出，針對不同胎體材料或切削齒，存在最優(yōu)的焊接材料，可以獲得較高的焊接強(qiáng)度，對于列舉的這幾種胎體材料而言，其可焊性大致可排序如下：R6>R1>R10>PDC>W1。但焊接強(qiáng)度最高值與最低值有時會相差很大，如R6測得值，相差74%。對比其斷面圖的顯微照片(圖4)可以看出，較高焊接強(qiáng)度值的焊接斷面呈現(xiàn)平整光亮的金黃色，而較低值焊接強(qiáng)度的斷面含部分黑色氣孔，這些氣孔內(nèi)部似乎存有焊劑殘?jiān)螂s質(zhì)，由此可見，火焰焊接的焊接接觸面必須進(jìn)行打磨噴砂脫水等表面預(yù)處理，否則會嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

主控板系統(tǒng)上電完成各模塊的初始化，然后循環(huán)地進(jìn)行母線電流采集和計(jì)算SOC、CAN1通信、CAN2通信、數(shù)據(jù)存儲和故障處理等子程序。(1)主控板結(jié)合母線電流和電池電壓估算電池SOC；(2)CAN1通信子程序主要負(fù)責(zé)接受每塊均衡采集板發(fā)送的電壓、監(jiān)測點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)；(3)CAN2通信子程序主要負(fù)責(zé)與整車ECU發(fā)送數(shù)據(jù)，并且在汽車充電時發(fā)送指令給充電機(jī)；(4)數(shù)據(jù)存儲子程序是將電池運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；(5)故障處理子程序負(fù)責(zé)判斷出電池的故障情況，包括電壓過高、電壓過低、過流、過溫、電池不均衡、不匹配、CAN總線故障等方面。

根據(jù)任務(wù)要求，首先進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后將航線信息以及拍照點(diǎn)坐標(biāo)信息導(dǎo)入無人機(jī)導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。其次在測區(qū)內(nèi)架設(shè)一臺GPS基準(zhǔn)站，設(shè)置1s的數(shù)據(jù)更新間隔對GPS星座進(jìn)行觀測，航飛攝影時，無人機(jī)機(jī)載GPS接收機(jī)在攝像機(jī)拍照瞬間進(jìn)行GPS定位。最后通過配套后處理軟件進(jìn)行解算，得到無人機(jī)拍照瞬間機(jī)載GPS的高精度坐標(biāo)信息。

4、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用SP-LFP200AHA型200Ah磷酸鐵鋰電池，充放電高壓箱，5KW/1Ω放電電阻，82.6V/30A/2KW充電機(jī)。測試采用12節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池組，然后分別將放電電阻和充電機(jī)經(jīng)充放電高壓箱連接到電池組。主控板和均衡采集板均掛載到CAN1總線上，主控板連接到高壓箱的充放電繼電器和霍爾電流傳感器，并對其進(jìn)行充放電控制；均衡采集板經(jīng)采集線束接口和均衡線束接口連接到電池組，最后把均衡電流調(diào)節(jié)至4A。

表1　均衡前后單體電壓值

均衡實(shí)驗(yàn)經(jīng)過9個小時的主動均衡，單體電壓值前后數(shù)值如表1所示，從結(jié)果數(shù)據(jù)可以看到第1節(jié)最低電壓值升高到了3.301V，第5節(jié)電壓值升高到3.301V；最高單體電壓與其它單體電壓差值都小于0.01V，且均衡前電壓均方差3.9417e-05，均衡后電壓均方差下降到8.2431e-06，實(shí)驗(yàn)說明該主動均衡系統(tǒng)能夠提高電池單體電壓的一致性，有良好的均衡效果。

5、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的純電動汽車電池管理系統(tǒng),通過試驗(yàn)平臺驗(yàn)證具有:實(shí)時檢測電池各種運(yùn)行參數(shù)、主動均衡效率高、均衡電流大、充電機(jī)實(shí)時控制、故障診斷，而且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以提高電池的安全性、一致性和使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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Research on battery management system of blade electric vehicles based on active equilibrium

Du Zhenxin1, Gao Feifei2
( 1.School of Automotive, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710061; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Jiangxi Nanchang 330031 )

Abstract:An active equalization lithium battery management system (BMS) is based on a master-slave structure, it can monitor kinds of operating parameters of the power battery in real time such as total voltage, total current, the state of charge(SOC), single cell voltage, and temperatures of battery package. We design an adjustable constant current source and a new active equalization topology circuit to increase equalization current, improve equalization efficiency.

Keywords:battery management system; active equalization system; equalization topology circuit

中圖分類號：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-134-03

作者簡介：杜振新，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。