王秋霞

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系， 福州 350007)

基于MCS112PIN開發(fā)平臺(tái)的鋰動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王秋霞

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系， 福州 350007)

針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車鋰動(dòng)力電池存在的安全問題，提出使用快速控制原型開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、均衡管理、熱管理和SOC計(jì)算等系統(tǒng)功能，并給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和處理流程。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)檢測(cè)電壓、電流、溫度和均衡功能的誤差均在±0.5%以內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

MCS 112PIN開發(fā)平臺(tái)；鋰動(dòng)力電池；BMS

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，大力發(fā)展電動(dòng)汽車已經(jīng)成為我國(guó)的安全戰(zhàn)略措施之一。鋰動(dòng)力電池具有比能量高、工作電壓高和貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄娫粗?。但是，鋰?dòng)力電池也同時(shí)存在材料穩(wěn)定性差、易出現(xiàn)安全問題，以及使用成本高等諸多缺點(diǎn)。首先，鋰電池電芯由正負(fù)電極、電解液和隔膜組成，而電極材料、電解液均是易燃物，其隔膜很薄，通常只有2 025 nm，極易出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致電池內(nèi)短路[1]。以過度充放電為例，過充后極片上到處都是針狀鋰金屬結(jié)晶，如果引起微短路，會(huì)使電池溫度急劇升高，導(dǎo)致電池燃燒或爆炸。過放時(shí)，一方面電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化；另一方面導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋出鋰離子而使其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，從而造成電池的永久性損壞，當(dāng)再次充電使用時(shí)，極易出現(xiàn)內(nèi)部短路[1]，引起過熱燃燒，甚至是爆炸。其次，高溫會(huì)加速電極材料、電解液和隔膜材料的老化速度。當(dāng)電池組中溫差較大時(shí)，高溫部分的老化速度會(huì)明顯快于低溫部分，隨著時(shí)間的積累，不同電池之間的物性差異將越加明顯，從而加深了電池組的不一致性，使整組電池提前失效，增加了鋰電池的使用成本。因此，要使鋰動(dòng)力電池保持良好的性能、較長(zhǎng)的使用壽命和更低的使用成本，就必須對(duì)其進(jìn)行合理而有效的管理。對(duì)于電池管理系統(tǒng)的研究，在國(guó)外以美國(guó)TI、日本Linear等全球半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)公司為代表，早已研發(fā)生產(chǎn)了體積小、集成度高的專業(yè)電池管理芯片；在國(guó)內(nèi)，以清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等科研院校為首，也對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并在奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)期間投入到電動(dòng)大巴車上使用。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究還存在一些問題，如系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大、電池非線性工作特性導(dǎo)致對(duì)剩余電量估算不準(zhǔn)確等[2]。本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)以MCS 112PIN開發(fā)平臺(tái)為數(shù)據(jù)處理模塊，將數(shù)據(jù)采集與均衡控制集成為一體，通過RS485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)采集/均衡控制模塊的通信，做到數(shù)據(jù)采集、分析和處理的獨(dú)立執(zhí)行，保證了大數(shù)據(jù)的處理速度和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行能力。

1 控制對(duì)象分析

用于電動(dòng)汽車的鋰動(dòng)力電池組電壓通常在300 V以上，而鋰動(dòng)力電池電芯只有3～4 V，因此鋰動(dòng)力電池組是由多節(jié)獨(dú)立的單體電芯串聯(lián)在一起構(gòu)成的。各電芯在最初生產(chǎn)下線時(shí)就在電壓、容量、內(nèi)阻等性能參數(shù)上存在著不同程度的差異，伴隨著電池組的循環(huán)使用，電芯之間的不一致程度會(huì)越來越大。而這些差異正是電池組過度充放電的主要原因之一。例如，當(dāng)各電芯容量有大有小時(shí)，對(duì)電池組充放電會(huì)使有的電芯還沒有充滿或放完電，而有的電芯就已經(jīng)出現(xiàn)了過充或過放的現(xiàn)象。對(duì)電池組過度充電導(dǎo)致的大電流又會(huì)急速升高電池組的溫度，加快材料老化。而當(dāng)溫度分布不均時(shí)，就會(huì)加深各電芯的物性差異，加快縮短電池組使用壽命。由于每節(jié)電芯不可能做到完全一致，所以在沒有監(jiān)控的情況下，電池組過度充放電的風(fēng)險(xiǎn)不可能完全消除，必須采用BMS對(duì)電池組進(jìn)行合理而有效的監(jiān)測(cè)和控制。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

電芯不一致的性能參數(shù)有許多，比如容量、電壓、內(nèi)阻、能量等，但是無論哪一個(gè)性能參數(shù)都可以通過對(duì)電池組總電壓、電流、各電芯電壓和溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)來間接獲得。因此，BMS應(yīng)該具備實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的電流和總電壓，以及各電芯的電壓和溫度的功能。在此基礎(chǔ)上，BMS要對(duì)電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和評(píng)價(jià)，解決各電芯的過度充放電問題，實(shí)現(xiàn)均衡充電。同時(shí)，BMS還應(yīng)具備故障自診斷和報(bào)警處理的功能。

2.1 實(shí)時(shí)檢測(cè)

BMS要實(shí)時(shí)檢測(cè)的物理量有電池組電流和總電壓、各電芯電壓和溫度。電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，在滿載高坡度爬坡、滿載加速超車等極端情況下，需要鋰動(dòng)力電池提供高達(dá)幾倍率的電流。例如50 Ah的鋰動(dòng)力電池，當(dāng)電動(dòng)汽車在爬坡時(shí)，就有可能需要高達(dá)4倍率(即200 A)的電流?？梢?，BMS要檢測(cè)的電池組電壓和電流是可高達(dá)幾百伏特的電壓和幾百安培的電流。因此，對(duì)于電池組電壓和電流的檢測(cè)，本設(shè)計(jì)選用電壓隔離傳感器和高精度霍爾電流傳感器。對(duì)各電芯電壓和溫度的檢測(cè)，選用專門的電源管理芯片。通常，專用的電源管理芯片將檢測(cè)電芯電壓、溫度與均衡電池容量集成一體，因此對(duì)各電芯電壓、溫度的檢測(cè)可以放在均衡電路上實(shí)現(xiàn)。

圖1 均衡電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 均衡管理

采用BMS的最終目的，是使電池組中各電芯原本不夠一致的性能參數(shù)在充放電運(yùn)行中變得足夠一致，從而保證鋰動(dòng)力電池的安全性，延長(zhǎng)鋰動(dòng)力電池的使用壽命，降低電池使用成本。因此，均衡管理是BMS中必不可少的一項(xiàng)重要功能。

本設(shè)計(jì)的均衡電路采用TI公司的IDA-00817 16通道有源電池平衡參考設(shè)計(jì)方案。該方案以bq76PL455A-Q1為基礎(chǔ)，連接了EMB 1428Q和EMB 1499Q大電流充放電主動(dòng)均衡芯片組。其中，EMB 1428Q是開關(guān)矩陣門控制器，EMB 1499Q是隔離直流-直流PWM控制器，連接到12 V充電電源和放電負(fù)載的并聯(lián)電路。芯片組可用于為高達(dá)16節(jié)電芯的電池組中任一個(gè)電芯進(jìn)行充電和放電。bq76PL455A-Q1是16通道汽車電池管理監(jiān)控器和保護(hù)器，通過其內(nèi)部隔離菊花鏈的通信模式，bq76PL455A-Q1能使該均衡電路堆疊至16塊[3]，因此最多可用于256節(jié)電芯的電壓和溫度測(cè)量。

均衡電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。BMS上電運(yùn)行后，bq76PL455A-Q1芯片開始對(duì)電池組中各電芯進(jìn)行電壓和溫度的數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)先經(jīng)RS485接口送入MCS 112PIN開發(fā)版ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算和處理，包括SOC估算、均衡控制命令的生成、溫度變化率計(jì)算、熱管理設(shè)備的啟停判斷，以及ECU輸出給電腦進(jìn)行監(jiān)控顯示等。其中，均衡控制命令以電壓信號(hào)經(jīng)bq76PL455A-Q1芯片的GPIO接口送入EMB 1428Q和EMB 1499Q芯片組，EMB 1499Q芯片根據(jù)電壓的大小來調(diào)節(jié)給電芯均衡充放電的電流。通過EMB 1428Q芯片對(duì)各電芯進(jìn)行均衡充電或放電。

2.3 熱管理

對(duì)于鋰動(dòng)力電池的性能，溫度的影響至關(guān)重要。在0～40 ℃的溫度下，電池能夠表現(xiàn)出較長(zhǎng)的使用壽命和較大的充放電倍率能力[4]，但是當(dāng)電池持續(xù)工作在 45 ℃時(shí)，其循環(huán)壽命降低約 60%，這種情況在高倍率充放電時(shí)更為明顯[5]。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能系統(tǒng)中心對(duì)磷酸鐵鋰型鋰離子電池的測(cè)試結(jié)果表明：磷酸鐵鋰電池在低溫下(0 ℃以下)無法使電動(dòng)汽車行駛?？梢?，在高于40 ℃或低于0℃時(shí)，電池的使用壽命和充放電倍率都將大打折扣，無法有效保證電池的大電流充放電及其安全性。另外，電池組的位置及外部條件都可能導(dǎo)致不均勻的溫度分布[6]，從而加深各電芯的差異程度，久而久之必將縮短電池壽命，降低電池安全性。因此，根據(jù)對(duì)各電芯溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，BMS應(yīng)采取一定的熱管理措施，包括在高溫環(huán)境下的冷卻降溫，和在低溫環(huán)境下的加熱升溫。而熱管理開啟與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)是，各電芯的最高和最低溫度是否超過了限值，以及溫度變化率是否達(dá)到了限值。如果有其中任一項(xiàng)符合標(biāo)準(zhǔn)，那么BMS就控制開啟熱管理設(shè)備。

2.4 SOC計(jì)算

SOC(state of charge)指在一定放電倍率下，電池剩余電量與相同條件下額定容量的比值[7]，反映電池的剩余電量。為了最大程度地保證電池的安全性，將每次估算時(shí)最小的SOC值定義為電池組的SOC值。SOC的計(jì)算方法采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(extended kalman filter，EKF)算法，該算法是在卡爾曼濾波器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，適用于參數(shù)之間的非線性關(guān)系[8]。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)每次估算時(shí)的上一時(shí)刻狀態(tài)和當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)的測(cè)量值來估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)，從而重新估計(jì)一個(gè)最接近真實(shí)狀態(tài)的值，因此可以得到較高的精度。

[9]，電池模型采用2階RC等效電路模型：

在非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，卡爾曼濾波法的狀態(tài)空間模型為：

狀態(tài)方程：xk+1=f(xk,uk)+wk

輸出方程：yk=g(xk,uk)+vk

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 MCS 112PIN開發(fā)平臺(tái)

MCS 112PIN開發(fā)平臺(tái)是美國(guó)Woodward公司的一款快速控制原型開發(fā)平臺(tái)，包括112PIN開發(fā)版ECU(Electronic Control Unit)硬件和基于模型的控制策略快速開發(fā)環(huán)境，具有一鍵自動(dòng)代碼生成功能，可實(shí)現(xiàn)車載電控系統(tǒng)原型-開發(fā)-產(chǎn)品的一體化開發(fā)。

該平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境與Matlab/Simulink無縫兼容，可以用Simulink在開發(fā)版ECU上進(jìn)行建模和仿真，構(gòu)成一個(gè)控制器硬件原型?？刂破饔布屯ㄟ^開發(fā)版ECU上的眾多I/O連接至真實(shí)環(huán)境中的傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)試，該過程即快速控制原型開發(fā)方法?？梢?，快速控制原型開發(fā)方法借助于虛擬控制器和實(shí)際對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，保證了仿真的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性和仿真結(jié)果的高置信度。

3.2 BMS整體架構(gòu)

MCS 112PIN開發(fā)版ECU采用Freescale MPC5554微處理器，具有33個(gè)模擬輸入接口(復(fù)用為開關(guān)量輸入接口)、3個(gè)脈沖/頻率輸入接口、20個(gè)PWM輸出接口、14個(gè)低端輸出接口、2個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)接口、3路高速CAN總線接口等[10]。以48 V/50 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組為例，可設(shè)計(jì)BMS整體架構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 BMS整體架構(gòu)框圖

高精度霍爾電流傳感器輸出電流信號(hào)，電壓隔離傳感器輸出電壓信號(hào)，因此將它們分別連接到開發(fā)版ECU的1路帶有下拉電阻的模擬輸入端和1路帶有上拉電阻的模擬輸入端。通過高精度霍爾電流傳感器和電壓隔離傳感器，開發(fā)ECU能夠?qū)崟r(shí)獲取電池組的電流和總電壓數(shù)據(jù)。均衡電路通過RS485接口與開發(fā)版ECU通信，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集各電芯的電壓和溫度，一方面輸出給開發(fā)版ECU，另一方面在必要時(shí)對(duì)各電芯進(jìn)行均衡計(jì)算與控制。開發(fā)ECU在接收到這些實(shí)時(shí)檢測(cè)信息后，便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，主要包括以下幾點(diǎn)：

缺點(diǎn)：難以兼容PTN技術(shù)，且存在以太和OTN兩次封裝，增加了節(jié)點(diǎn)分組處理時(shí)延（光層直通節(jié)點(diǎn)不受影響）。

1) 溫度及其變化率的計(jì)算、分析，以判斷是否開啟/關(guān)閉熱管理設(shè)備；

2) 計(jì)算SOC，評(píng)估電池組剩余電量，預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車的剩余續(xù)航里程；

3) 如果電池組正處于充放電過程中，判斷是否需要開啟/關(guān)閉均衡電路，以及是否需要關(guān)閉充電機(jī)和限制放電水平。

在數(shù)據(jù)分析之后，開發(fā)版ECU通過其3路CAN總線將相關(guān)信息分別輸出給計(jì)算機(jī)、車載儀表和整車控制器。同時(shí)，如果需要開啟熱管理設(shè)備，例如進(jìn)行冷卻時(shí)，通過2路H橋驅(qū)動(dòng)接口連接的2臺(tái)冷卻風(fēng)扇就會(huì)被控制啟動(dòng)。充電機(jī)或車載充電器、加熱設(shè)備都是通過繼電器連接到開發(fā)版ECU的低端輸出接口，由開發(fā)版ECU直接控制開啟/關(guān)閉。

4 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序包括初始化程序和定時(shí)中斷程序兩部分，主程序流程如圖3所示。初始化程序用來初始化系統(tǒng)各個(gè)工作模塊以及參數(shù)，包括校準(zhǔn)參數(shù)、板號(hào)、定時(shí)器等信息，以及診斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。定時(shí)中斷程序的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和處理，并以循環(huán)方式進(jìn)行。

圖3 主程序流程

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)論

以48 V/50 Ah的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為測(cè)試對(duì)象，高精度霍爾電流傳感器為WBI023TK03-40-0.1。對(duì)電池組進(jìn)行周期性充放電的是ZHCH518D蓄電池充放電一體機(jī)。將萬用表測(cè)取電壓、電流鉗測(cè)取電流的值作為真值。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物

1) 充電測(cè)試

對(duì)電池組充電時(shí)主要防止過充和實(shí)現(xiàn)容量均衡。依據(jù)磷酸鐵鋰電芯的額定電壓為3.2 V、充電上限為3.6 V，設(shè)置ZHCH518D蓄電池充放電一體機(jī)參數(shù)，并采用BMS無均衡管理和有均衡管理2種方式進(jìn)行電壓測(cè)試對(duì)比。充電結(jié)束后，電壓測(cè)試結(jié)果如表1所示。

可見，當(dāng)無均衡功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，各電芯最大電壓和最小電壓的差值為0.005 V；當(dāng)有均衡功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，各電芯最大電壓和最小電壓的差值為0.001 V。除去電池出廠后的活化，本測(cè)試所用鋰動(dòng)力電池已做過的循環(huán)使用次數(shù)不超過10次，與其大于等于2 000次的使用壽命相比，幾乎可以忽略不計(jì)電池性能的衰減和不一致程度的加深。因此，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增多，在無均衡功能時(shí)，各電芯最大電壓和最小電壓的差值將會(huì)進(jìn)一步增大，而有均衡功能時(shí)，差值可以控制得非常小，取得較好的均衡效果。

2) 放電測(cè)試

對(duì)電池組放電時(shí)主要防止過放和檢測(cè)電流。依據(jù)磷酸鐵鋰電芯的放電下限為2.8 V設(shè)置充放電一體機(jī)，并將放電電流設(shè)置為5 A。電流傳感器的輸入標(biāo)稱電流為10 A，為保證測(cè)量精度，將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞2圈。每5 min記錄一組數(shù)據(jù)，共記錄5組。電流測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 電壓測(cè)試結(jié)果

表2 電流測(cè)試結(jié)果

由各測(cè)試結(jié)果可知：對(duì)電壓和電流的測(cè)量誤差均小于等于±0.5%，測(cè)量精度較高，并且均衡效果較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

本文在分析電動(dòng)汽車鋰動(dòng)力電池特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)功能，對(duì)其實(shí)時(shí)檢測(cè)、均衡管理、熱管理和SOC計(jì)算進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)主程序流程圖，最后，以48 V/50 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)了測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能較精確地實(shí)現(xiàn)電壓、電流和溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，起到效果較好的均衡控制作用，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

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(責(zé)任編輯陳 艷)

Li-IonPowerBatteryManagementSystemDesignBasedontheMCS112PINDevelopmentPlatform

WANG Qiuxia

(Mechanical Engineering Department, Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

Directing the safety problem of the Li-ion power battery for EV, and using rapid control prototyping development method, it implemented the system function which includes the real-time detection, the balance management, the thermal management and SOC calculation. This paper presented the system overall structure and the main program flow chart, and designed the test experiment by which the feasibility and correctness of the voltage detecting, current detecting, temperature detecting and the balance function is verified.

MCS 112PIN development platform; Li-ion power battery; BMS

2017-03-15

2013年福建省交通運(yùn)輸廳科技發(fā)展項(xiàng)目(201322)

王秋霞(1981—)，女，主要從事電子信息技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)研究，E-mail：869344990@qq.com。

王秋霞.基于MCS 112PIN開發(fā)平臺(tái)的鋰動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):204-210.

formatWANG Qiuxia.Li-Ion Power Battery Management System Design Based on the MCS 112PIN Development Platform[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):204-210.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.033

TM912

A

1674-8425(2017)10-0204-07