賈磊磊 張 旭

（洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471934）

分布式電池管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

賈磊磊 張 旭

（洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471934）

本文提出的分布式電池管理系統(tǒng)，在具有傳統(tǒng)集中式電池管理系統(tǒng)對(duì)電流和電壓同步監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)上，將整個(gè)控制管理系統(tǒng)分散于電動(dòng)汽車的各個(gè)部位，并與其有機(jī)結(jié)合，能夠更好地適應(yīng)電池管理系統(tǒng)的惡劣工作環(huán)境。本文主要就其各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)布置和電池均衡控制點(diǎn)等方面進(jìn)行了論述。

分布式電池管理系統(tǒng)；控制模塊；均衡管理

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，電動(dòng)汽車作為新興的代步工具登上歷史舞臺(tái)，以電力作為動(dòng)力系統(tǒng)，迎合了節(jié)能減排的環(huán)境治理方針，對(duì)全球的環(huán)境治理和保護(hù)工作有著重要意義。電動(dòng)汽車減輕環(huán)境治理壓力的過(guò)程中存在著許多問(wèn)題，電池的充放電均衡問(wèn)題就是其中之一，電動(dòng)汽車動(dòng)力是由多個(gè)電池單體通過(guò)串聯(lián)的方式連接而成，電池組的各個(gè)組成單體很難保證各項(xiàng)參數(shù)一致，在充放電的過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)個(gè)體差異，因?yàn)樗鼈冎g是串聯(lián)的關(guān)系，充電和放電過(guò)程中的電流是相同的，所以，在電池組整體進(jìn)行充電放電過(guò)程中，各單體之間的充電和放電總時(shí)間會(huì)存在差異，采用統(tǒng)一的充電和放電時(shí)間，個(gè)別單體就會(huì)出現(xiàn)充電未完成而斷電或充電已完成仍在繼續(xù)充電的現(xiàn)象（放電過(guò)程亦是如此），而且會(huì)隨著充放電的次數(shù)的增加，個(gè)體差異增大。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響電池組的整體使用壽命，若能夠通過(guò)恰當(dāng)?shù)拇胧ㄟ^(guò)改變電池組各單體的充放電電流或其他因素，將其充放電時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一，便能很好地解決充放電總時(shí)間不一致的情況，有效地延長(zhǎng)電池組的使用壽命。

綜上所述，一個(gè)好的有效的電池管理系統(tǒng)（在電動(dòng)汽車使用過(guò)程中，顯示電池用量和剩余量等各項(xiàng)性能狀況的電子控制系統(tǒng)）能有效地解決電池充放電均衡控制的問(wèn)題?，F(xiàn)階段我國(guó)的電動(dòng)汽車電池控制系統(tǒng)方面的技術(shù)還不是很成熟，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車普及應(yīng)用的主要制約因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中，一個(gè)完善的電池控制系統(tǒng)可以很好地對(duì)電池各單體進(jìn)行很好的控制和調(diào)節(jié)，將電池組各電池單體的充電時(shí)間和放電時(shí)間保持一致，將對(duì)電池組個(gè)電池單體的調(diào)節(jié)上升到智能化的程度。本文提出一種新的電池管理系統(tǒng)——分布式的電池管理系統(tǒng)。

一、整體方案的設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)

汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》，對(duì)電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)方面的專業(yè)術(shù)語(yǔ)、技術(shù)規(guī)范、檢驗(yàn)規(guī)則等進(jìn)行了規(guī)范，使電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)類的文章有了統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)，便于進(jìn)行學(xué)術(shù)上的討論和研究，本文即采用此標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)依據(jù)。

《電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》中對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的使用功能進(jìn)行了具體要求：（1）檢測(cè)：能夠比較客觀地反映出電池的即時(shí)電流、電壓、電阻、各零部件的使用情況；（2）計(jì)算：根據(jù)對(duì)電池組各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯計(jì)算，可以通過(guò)對(duì)剩余電量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算出剩余形式的里程、根據(jù)充放電的次數(shù)及電流電壓的顯示，計(jì)算出電池組的使用壽命、根據(jù)使用時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算出額定功率等等；（3）信息傳遞：電動(dòng)汽車電池組的硬件、軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞；（4）保護(hù)：設(shè)置自動(dòng)斷電保護(hù)，防止過(guò)渡充放電、溫度過(guò)高等現(xiàn)象的發(fā)生；（5）優(yōu)化：在遇到預(yù)測(cè)發(fā)生的狀況時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)行優(yōu)化處理，以便更好地使用。

2.總體方案

分布式電池管理系統(tǒng)的建立，就是將傳統(tǒng)的集中式的電池管理系統(tǒng)變換形式，利用CAN總線將負(fù)責(zé)不同功能的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)連接起來(lái)，有效減少傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)因其布局集中，無(wú)法適應(yīng)惡劣工作環(huán)境情況的發(fā)生，分布式電池管理系統(tǒng)具有更好的安全性能，能夠滿足更高的可靠性要求。分布式電池管理系統(tǒng)就是將管理系統(tǒng)中根據(jù)使用功能的差異，進(jìn)行分開布置，大體分為：中央控制模塊、高壓控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，各個(gè)模塊之間以CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。中央控制模塊的主要功能是：將各個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯分析及計(jì)算，結(jié)合以往數(shù)據(jù)，對(duì)電池的使用壽命、最大輸入輸出功率、繼電器的通斷等重要功能進(jìn)行控制，保證電池組更好的運(yùn)行；高壓控制模塊的主要功能是：對(duì)電池包的總電壓和總電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)電池組整體絕緣裝置進(jìn)行測(cè)量和控制；數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能：分布于電動(dòng)汽車各個(gè)“關(guān)節(jié)”部位此外還有絕緣監(jiān)測(cè)裝置，共同對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳遞，以實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

此種分布式的電池管理系統(tǒng)，在傳統(tǒng)集中式電池控制系統(tǒng)中的對(duì)電池組電流和電壓同步監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，增加了控制系統(tǒng)位置布置的靈活性，分散布置能有效回避環(huán)境惡劣的限制，同時(shí)不受空間上的限制，可以隨意增減各個(gè)模塊的數(shù)量，使電動(dòng)汽車電池的管理系統(tǒng)具有更高的適應(yīng)性。

二、系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

1.中央控制模塊

（1）中央控制模塊電路的設(shè)計(jì)

中央控制模塊處理器采用PIC24 HJ256GP660；電源芯片采用TPS5420D以及NCP565D2T35G，為各個(gè)主模塊提供正常所需電壓；外圍輸入輸出控制采用光耦A(yù)B30S；CAN的收發(fā)器模塊采用CTM1050；CAN收發(fā)器和中央控制模塊中的處理器之間信息轉(zhuǎn)換通過(guò)MCP2520來(lái)完成；各個(gè)主模塊和各個(gè)分模塊之間通過(guò)CAN主線進(jìn)行有機(jī)連接。

（2）邏輯計(jì)算的方式

電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中，其電池組內(nèi)的各電池單體存在較大的差異，尤其是剩余電量，差異較明顯，而且對(duì)電池組整體性能的影響最大，分布式的電池管理系統(tǒng)采用開路點(diǎn)葉凡和安時(shí)積分法相結(jié)合的運(yùn)算方法，經(jīng)修正后能將精度誤差控制在7%以內(nèi)。電池組狀態(tài)的不同運(yùn)算的精度也存在較大的差異，現(xiàn)按照電池組的充電、放電和靜止?fàn)顟B(tài)分別對(duì)運(yùn)算過(guò)程進(jìn)行討論。

以電池靜止時(shí)的SOC（環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)）數(shù)值為基準(zhǔn)，參考高壓控制模塊的數(shù)據(jù)，利用安時(shí)積分的算法計(jì)算充電時(shí)的SOC值，達(dá)到充電完畢（充電飽滿）的電壓（充電截止電壓）時(shí)，SOC值設(shè)置為0%，按照相同的運(yùn)算手法，達(dá)到放電完畢（放電完全）的電壓（放電截止電壓）時(shí)，SOC值設(shè)置為0%，因?yàn)槌浞烹娺^(guò)程的狀態(tài)和靜止時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變是一個(gè)漸變過(guò)程，需對(duì)靜止時(shí)的SOC值進(jìn)行校正（本次試驗(yàn)采用的是Kalman—Filtering的方法進(jìn)行修正）。

2.高壓控制模塊

高壓控制模塊是對(duì)電池包的總電壓和總電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)電池組整體絕緣裝置進(jìn)行測(cè)量和控制相關(guān)的電路，其數(shù)據(jù)采集分別是：應(yīng)用運(yùn)放LTC2468將使用電壓以信號(hào)形式傳遞給高壓控制模塊處理器，并以相同的運(yùn)放處理裝置將使用電流以信號(hào)形式傳遞給高壓控制模塊處理器；采用CTM1045將CAN主線和高壓控制模塊處理器相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；將絕緣監(jiān)測(cè)裝置直接安放在高壓控制模塊上，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞工作。

3.數(shù)據(jù)采集模塊

（1）電路的設(shè)計(jì)

分布式電池管理系統(tǒng)是以對(duì)電池單體的電壓、電流、溫度等單個(gè)的電池單體進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一經(jīng)由CAN主線線路將數(shù)據(jù)傳遞到中央控制模塊處理器，其電路的設(shè)計(jì)同樣是以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)安放的，滿足各控制模塊之間的數(shù)據(jù)信息傳遞和整體協(xié)調(diào)工作的。

（2）均衡控制策略

要想實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的均衡控制，其均衡策略是重中之重，若拋開均衡策略，即使得到了電池各單體的運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)，仍不能保證控制的均衡性，便失去了均衡控制的真正意義。均衡控制的主要體現(xiàn)在電池組進(jìn)行充電的中后期和放電過(guò)程的前期，在充電過(guò)程的中后期，電池組整體仍在充電，個(gè)別電池單體就會(huì)出現(xiàn)充電飽滿的現(xiàn)象，此時(shí)就需要均衡控制電路對(duì)該充電飽滿單體電池的電流進(jìn)行控制，通過(guò)減小其充電電流阻止該單體電池充電過(guò)渡；電池組進(jìn)行放電過(guò)程中，個(gè)別單體電池就會(huì)出現(xiàn)放電電壓偏低的現(xiàn)象，在放電初期，對(duì)該單體電池進(jìn)行電能的補(bǔ)充，使其最終放電電壓不至過(guò)低，保證各單體電池的充電放電總時(shí)間基本一致，以保證電池組的整體使用壽命。

4.充電管理

充電線路的暢通是保證各個(gè)控制模塊之間數(shù)據(jù)傳遞的先決條件，有了其暢通的保證才能將各個(gè)控制模塊的數(shù)據(jù)有效的傳遞到中央控制模塊處理器內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)和調(diào)整工作，保證電池的整體性能。本系統(tǒng)中的充電線路接口遵從分線通信協(xié)議和CAN總線通信協(xié)議，能夠保證電池組誤充電，同時(shí)對(duì)溫度的監(jiān)控，能夠保證電池組不會(huì)因溫度過(guò)高而發(fā)生安全事故。

結(jié)語(yǔ)

本文提出了分布式電池管理系統(tǒng)，并簡(jiǎn)單地介紹了其應(yīng)用的具體方法。綜合起來(lái)就是3個(gè)主控制系統(tǒng)，分別是：中央控制模塊、高壓控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，各個(gè)模塊之間以CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。對(duì)3個(gè)主控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)、SOC值的運(yùn)算、運(yùn)行電流電壓檢測(cè)、電池均衡管理和充電管理。實(shí)踐表明，此種電池管理系統(tǒng)具有較高的可行性，有效地保證了電池組各單體電池使用壽命，且過(guò)程中能減少過(guò)渡充放電現(xiàn)象的發(fā)生，可以積極進(jìn)行推廣應(yīng)用。

［1］童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（第3版）［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.

［3］陳清泉，等.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

U469

A