陳子郵，江鵬，李蒙恩，2

(1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005;2.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

0 引言

傳統(tǒng)的燃油車汽車會(huì)有因啟動(dòng)蓄電池饋電而無(wú)法啟動(dòng)的場(chǎng)面，然而本身用電的新能源電動(dòng)汽車也會(huì)存在因低壓蓄電池饋電而無(wú)法啟動(dòng)的尷尬場(chǎng)面，歸其原因是新能源電動(dòng)汽車的電有高壓電和低壓電之分，高壓電來(lái)自高壓電池包，低壓電來(lái)自低壓電池組，新能源汽車的低壓電池組主要給汽車的低壓負(fù)載提供電源，高壓系統(tǒng)主要用于高壓部件的供電[1]。低壓電池組的電主要是通過(guò)DCDC把高壓電池包轉(zhuǎn)化成低壓充電，如果低壓電池組的低壓過(guò)低或沒(méi)電，則DCDC和高壓電池包都不工作，因而造成整個(gè)車都沒(méi)電，因此新能源電動(dòng)汽車就無(wú)法啟動(dòng)。其中導(dǎo)致低壓電池組饋電的原因有多種：長(zhǎng)時(shí)間不使用車輛，造成低壓電池組由于自放電而得不到補(bǔ)充而饋電；由于車上的用電元件忘記關(guān)，而造成快速電流流失，譬如車內(nèi)燈忘關(guān)，汽車大燈或小燈忘關(guān)；加載的低壓負(fù)載較多，如防盜報(bào)警系統(tǒng)、監(jiān)控器、GPS定位、智能網(wǎng)聯(lián)等，容易導(dǎo)致低壓蓄電池停放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)得不到補(bǔ)充而饋電，等等。雖然低壓電池組饋電是低頻事件，但是一旦發(fā)生對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，使用體驗(yàn)就不好，特別是本來(lái)就是電動(dòng)車，還會(huì)因饋電啟動(dòng)不了。因此解決此問(wèn)題不但有實(shí)際意義，也能更好地提高用戶的使用體驗(yàn)。本文作者設(shè)計(jì)了一種基于高壓電池組通過(guò)分段管理系統(tǒng)[2-5]，其中硬件系統(tǒng)包括供電模塊、主控模塊、均衡模塊和CAN通信模塊。

1 基于高壓電池組分段應(yīng)急供電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于高壓電池組分段應(yīng)急供電系統(tǒng)主要包括高壓電池組、低壓電池組、熱管理、電池均衡管理控制器、DC/DC、低壓蓄電池、低壓用電設(shè)備、開(kāi)關(guān)S1、S2、S3等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 基于高壓電池組分段應(yīng)急供電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、第三開(kāi)關(guān)閉合，為DC/DC轉(zhuǎn)換器和整車低壓用電設(shè)備供電，以進(jìn)行低壓上電。在低壓上電完成后，控制所述第一開(kāi)關(guān)和所述第二開(kāi)關(guān)閉合、所述第三開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，為整車高壓負(fù)載供電，以進(jìn)行高壓上電；同時(shí)，通過(guò)所述DC/DC轉(zhuǎn)換器為所述整車低壓負(fù)載供電。為實(shí)現(xiàn)以上功能需要電池管理均衡控制器進(jìn)行控制和安全保護(hù)。系統(tǒng)管理均衡控制器主要由SOC估計(jì)、熱管理、均衡控制管理、數(shù)據(jù)通信、故障診斷與報(bào)警等幾部分組成[7]。

2 基于高壓電池組分段應(yīng)急供電系統(tǒng)管理均衡控制器設(shè)計(jì)

圖2為均衡控制器原理圖。

圖2 均衡控制器原理

2.1 系統(tǒng)管理均衡控制器供電模塊

系統(tǒng)正常工作需要15、5、3.3 V電壓，這3種電平是由車載24 V低壓電源通過(guò)電源模塊來(lái)提供。其中±15 V主要為系統(tǒng)中傳感器、運(yùn)放器等模擬器件供電，5 V為電路中其他的數(shù)字器件和采集板供電;3.3 V為主控制器及其外圍電路供電。分別采用LM2596-ADJ、LM2596-5、LM2596-3.3進(jìn)行降壓變換，經(jīng)隔離器ADUM1100進(jìn)行供電。

2.2 系統(tǒng)管理均衡控制器的SOC估計(jì)

電池的SOC通過(guò)計(jì)算輸入和輸出的電流電壓之積對(duì)時(shí)間的積分，再通過(guò)電壓法進(jìn)行累計(jì)誤差的補(bǔ)償，進(jìn)而確定各部分的SOC，特別是當(dāng)?shù)谌_(kāi)關(guān)S3閉合以后給低壓用電設(shè)備供電，造成該部分電池的消耗比整車的高壓電池包的其他部分電池消耗多，致使整個(gè)電池包的容量不均，從而降低對(duì)外的實(shí)際輸出功率和輸出容量以及整車的續(xù)航里程，時(shí)間久了也降低整個(gè)電池包的使用壽命以及電池包的性能，因此必須估計(jì)出被用于應(yīng)急供電部分電池的SOC與整個(gè)電池包的SOC的差異，進(jìn)而通過(guò)均衡電路實(shí)現(xiàn)電池包各部分的均衡，特別是在充電時(shí)進(jìn)行主動(dòng)均衡，能保障整個(gè)電池包的使用性能，以及保護(hù)電池包的使用壽命。SOC估計(jì)時(shí)需要檢測(cè)輸入和輸出的電流電壓，所設(shè)計(jì)的電壓電流檢測(cè)的電路如圖3所示[8]。

圖3 單體電池電壓采集結(jié)構(gòu)

圖3是電壓檢測(cè)電路通過(guò)控制各個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇相應(yīng)的要檢測(cè)的單體電池電壓，電池總電壓通過(guò)和分段電壓通過(guò)分壓電路降壓后輸入單片機(jī)的AD輸入口，在輸入之前還需要濾波和穩(wěn)壓之后接入AD口，電壓的采集采用輪流檢測(cè)[9]。

圖4是電流的采樣電路，SOC估計(jì)主要是通過(guò)采樣電流和電壓之積對(duì)時(shí)間的積分，因此SOC估計(jì)準(zhǔn)確性與其采樣的精度，傳感器抗干擾能力，零漂、溫漂和線性度誤差有關(guān)，采用霍爾閉環(huán)雙側(cè)電流傳感器ACS756，經(jīng)過(guò)濾波進(jìn)入放大器LM358放大，通過(guò)雙極性12位AD轉(zhuǎn)換器AD574進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量。

圖4 電流采集電路圖

2.3 系統(tǒng)管理均衡控制器均衡控制管理

第三開(kāi)關(guān)S3閉合以后給低壓用電設(shè)備供電，由于低壓電是高壓電池組的一部分，因此造成該部分的單體電池的消耗比整個(gè)高壓電池組的其他部分的單體電池消耗多，使整個(gè)高壓電池組的容量不均。進(jìn)而在使用過(guò)程中就會(huì)使有內(nèi)部的單體電池出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象，不僅影響電池的壽命，而且過(guò)充或過(guò)放會(huì)使電池產(chǎn)生大量的熱影響電池的安全性和穩(wěn)定性，所以均衡控制管理是必需的。實(shí)現(xiàn)電池均衡的均衡電路如圖5所示。

圖5 均衡電路圖

采用雙向無(wú)損均衡的方式，如圖5所示。B1、B2、B3、…、Bn為串聯(lián)單體電池，R1、R2、R3、R4、…、Rn+1為阻值相等的純電阻，S1、S2、…、Sn+3為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，S0為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，C為轉(zhuǎn)移電容，L為緩沖電感，D為二極管，圖中所有開(kāi)關(guān)均為可控開(kāi)關(guān)基本原理是將能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到相鄰電壓較低的電池上，譬如，單刀雙擲開(kāi)關(guān)S2、S3、S4撥向左端，S1撥向右端。此時(shí)，電池B1與轉(zhuǎn)移電容并聯(lián)，電池B1給轉(zhuǎn)移電容充電。電池B1的電壓下降，轉(zhuǎn)移電容電壓上升。當(dāng)電池B1電壓等于轉(zhuǎn)移電容電壓時(shí)，單刀雙擲開(kāi)關(guān)S5、S6撥向左端，S3由左端撥向右端。此時(shí)，電池B3與轉(zhuǎn)移電容并聯(lián)，由于轉(zhuǎn)移電容電壓高于電池B3電壓，轉(zhuǎn)移電容給電池B3充電。在這過(guò)程中，電池B3的電壓上升，轉(zhuǎn)移電容電壓下降。循環(huán)往復(fù)這兩個(gè)過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)各電池間的平衡。

2.4 系統(tǒng)管理均衡控制器數(shù)據(jù)通信

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)管理均衡控制器在進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的同時(shí)還要對(duì)整車控制單元等其他控制單元提供數(shù)據(jù)和信息，主要通過(guò)CAN通信實(shí)現(xiàn)的。通信模塊主要是CAN通信模塊，通過(guò)CAN通信向整車控制器提供故障報(bào)警，工作狀態(tài)，并接收整車控制器的指示。此系統(tǒng)采用的是飛思卡爾的單片機(jī)MCU有兩路CAN通信，一路CAN通信用于充電和均衡管理，處理之后發(fā)出相應(yīng)指令;一路CAN通信與整車CAN總線相連。驅(qū)動(dòng)芯片選擇82C250，如圖6所示[10]。

圖6 CAN通信接口電路圖

3 結(jié)束語(yǔ)

文中基于高壓電池組分段應(yīng)急供電系統(tǒng)，主要從硬件方面設(shè)計(jì)的高壓電池組的分段管理和均衡控制。并對(duì)分段使用的電池組進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在容量不一致時(shí)通過(guò)均衡電路和控制對(duì)低容量電池組進(jìn)行均衡充電，使電壓高的電池轉(zhuǎn)移電能給電池低的電池，盡量多地充電給電池組。