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        基于單片機(jī)控制的電池管理系統(tǒng)

        2022-04-07 06:03:20馬宗正孫志強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:萬(wàn)用表管理系統(tǒng)單片機(jī)

        馬宗正,王 璞,孫志強(qiáng)

        (河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 451191)

        隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)和全球變暖問(wèn)題的加劇,電動(dòng)汽車越來(lái)越受到人們的歡迎,電池及其配套管理系統(tǒng)備受關(guān)注[1-3]。電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池各項(xiàng)參數(shù)的采集和均衡優(yōu)化,提高電池的工作效率,延長(zhǎng)其使用壽命,為電池整個(gè)工作過(guò)程的安全提供了強(qiáng)有力的保障[4]。目前,關(guān)于電池管理系統(tǒng)的諸多研究是為了解決電池在實(shí)際應(yīng)用中的某些問(wèn)題,如王燦華等[5]采用XS128型芯片為主控芯片設(shè)計(jì)的BMS旨在改善電池在充放電過(guò)程中的能量均衡控制問(wèn)題;曲行行等[6]基于MC9S12XEQ512MAL型微控制器設(shè)計(jì)BMS的目的是延長(zhǎng)電池組的使用時(shí)間,改善其整體性能。

        對(duì)于開(kāi)設(shè)電池及其配套系統(tǒng)相關(guān)課程的學(xué)校來(lái)說(shuō),理論知識(shí)的學(xué)習(xí)并不足以引起學(xué)生的興趣和加深學(xué)生對(duì)BMS功能的理解,若將實(shí)物引入教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中,不僅能夠讓學(xué)生直觀了解BMS各個(gè)模塊,還能讓他們以親身實(shí)踐的方式了解電池性能參數(shù)獲取的動(dòng)態(tài)過(guò)程,加深對(duì)BMS相關(guān)知識(shí)的印象,故本研究基于STC89C52型單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一套適應(yīng)日常實(shí)踐教學(xué)的電池管理系統(tǒng)。

        1 電池管理系統(tǒng)的基本功能

        電池管理系統(tǒng)的重要性在電動(dòng)汽車上體現(xiàn)得越來(lái)越明顯,典型的BMS應(yīng)包含數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)、熱管理、能量管理控制、安全管理和數(shù)據(jù)通信六大功能[7-8]。

        本系統(tǒng)是為滿足日常實(shí)踐教學(xué)需求而設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng),僅僅包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)和數(shù)據(jù)顯示,不包括數(shù)據(jù)傳輸、能量管理控制(對(duì)加熱和冷卻系統(tǒng)的控制)等。其中,硬件設(shè)計(jì)包含對(duì)不同模塊元件的選取及相關(guān)電路的設(shè)計(jì),軟件方面是通過(guò)編寫代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓、溫度和電流性能參數(shù)的檢測(cè)與采樣,同時(shí)提供對(duì)電池非正常工作狀態(tài)的保護(hù)及對(duì)電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)的估算,并在下位機(jī)的控制下將電池的4個(gè)參數(shù)顯示出來(lái)。

        本電池管理系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成:采集電路、ECU控制電路、顯示電路(圖1)。上述提到的電池的3個(gè)參數(shù)由采集電路采集,不能被單片機(jī)直接讀取,而是轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),由主控電路通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行SOC的計(jì)算及能量管理,最后由LCD1602顯示屏顯示出來(lái)。系統(tǒng)中還增設(shè)安全報(bào)警電路,用來(lái)檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的溫度、SOC值等是否處于正常工作范圍。

        圖1 電池管理系統(tǒng)框架

        2 BMS硬件設(shè)計(jì)

        2.1 單片機(jī)系統(tǒng)選擇

        在滿足工作要求的情況下,本系統(tǒng)所選用的最小單片機(jī)系統(tǒng)為STC89C52(圖2),它具有8位CPU和可編程的閃存系統(tǒng),性價(jià)比相對(duì)較高,包含復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、程序下載電路等多個(gè)電路,能夠保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[9]。

        圖2 最小單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

        2.2 電源電路設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)要求用5 V直流電壓供電,電源電路如圖3所示。為了避免電流過(guò)大損壞電路,需要串聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻保護(hù)LED指示燈,按下自鎖開(kāi)關(guān)SW1,信號(hào)燈亮,為系統(tǒng)提供5 V的直流電壓。

        圖3 電源電路原理圖

        2.3 A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

        A/D轉(zhuǎn)換器采用PCF891型芯片,該芯片的特點(diǎn)在于低功耗和8字節(jié)CMOS等[10],其作用是將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),工作原理如圖4所示。圖4的電路中增加了2個(gè)10 kΩ的上拉電阻,目的是保證讀取信號(hào)的過(guò)程更加穩(wěn)定。

        圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊接口電路原理圖

        2.4 信號(hào)處理

        2.4.1電流信號(hào)

        測(cè)量電流的方法有電阻法和傳感器法,本系統(tǒng)采用的是傳感器法。利用ACS712型傳感器直接對(duì)連接的直流電路進(jìn)行測(cè)試,工作電路產(chǎn)生的電流在流經(jīng)芯片內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)被事先設(shè)置在傳感器內(nèi)部的霍爾元件感應(yīng)到,然后會(huì)因霍爾效應(yīng)產(chǎn)生與之匹配的電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)被傳送至A/D模塊進(jìn)行模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化后,由ECU控制模塊獲取并處理。

        2.4.2電壓信號(hào)

        鋰電池的額定電壓是12 V,但系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓不能超過(guò)6 V,故需要對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行分壓。只有電壓降到0~6 V,A/D轉(zhuǎn)換器才能正常工作,否則A/D轉(zhuǎn)換模塊可能被燒壞,為此對(duì)鋰電池進(jìn)行了分壓處理。

        2.4.3溫度信號(hào)

        常用的溫度采集方式有熱敏電阻、溫度傳感器和熱電偶3種。由于系統(tǒng)需要測(cè)試電池組內(nèi)部溫度,選用溫度傳感器方式可減少內(nèi)部電路連接,簡(jiǎn)單可靠。DS18B20型溫度傳感器能夠檢測(cè)-55~125 ℃的溫度,而電池工作的最佳溫度為-20~55 ℃,完全符合要求;內(nèi)含上拉電阻,便于連接,測(cè)量結(jié)果也滿足要求。

        2.5 顯示與報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)要顯示溫度、電壓、電流和SOC值等多個(gè)參數(shù),故而選用屏幕較大的LCD1602型液晶顯示器,其耗能較少,連接比較簡(jiǎn)單,同時(shí)也不需要外接驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)的溫度、電壓、電流和SOC值超過(guò)正常工作范圍時(shí)要發(fā)出警報(bào),故采用S8550型三極管驅(qū)動(dòng),低電平進(jìn)行觸發(fā),工作電壓為3.3~5.0 V。

        3 BMS軟件設(shè)計(jì)

        BMS軟件是基于Keil軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的,采用C語(yǔ)言編寫程序,主程序流程可分為4個(gè)部分(圖5)。

        圖5 主程序流程

        (1)系統(tǒng)初始化。將選擇的所有芯片的定時(shí)器及寄存器中的內(nèi)容初始化,包括A/D轉(zhuǎn)換模塊。

        (2)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)設(shè)置芯片各個(gè)引腳的配置、系統(tǒng)時(shí)鐘、可用中斷方式及EEPROM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式,準(zhǔn)確采集電池的電壓、電流和溫度3個(gè)參數(shù)。由于A/D轉(zhuǎn)換器只能在0~6 V的電壓下將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),故電壓采集的關(guān)鍵在于電源的分壓。采集電流信號(hào)是利用外部電路介入阻值產(chǎn)生的電流,經(jīng)傳感器利用霍爾原理將電流轉(zhuǎn)換為電壓后被A/D轉(zhuǎn)化器采集。

        (3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。利用控制器的輸入/輸出端口將電壓采集模塊和電流采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳送至A/D轉(zhuǎn)換口,把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),結(jié)合溫度信號(hào)對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出電池的SOC值。

        (4)電池狀態(tài)判斷與數(shù)據(jù)顯示。若計(jì)算出的SOC值大于95%,蜂鳴器報(bào)警提示,停止對(duì)電池充電;若SOC值小于10%,蜂鳴器同樣報(bào)警提示,并終止電池工作,同時(shí)初始化系統(tǒng);若SOC值處于10%~95%,說(shuō)明電池可繼續(xù)正常工作。同時(shí),由A/D模塊采集的電池的電流、電壓、溫度及計(jì)算出的SOC值都通過(guò)LCD1602型顯示器顯示。

        SOC值估算是本系統(tǒng)最重要的部分,常用的方法有開(kāi)路電壓法、放電測(cè)試法、安時(shí)積分法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法、卡爾曼濾波法[11]。本系統(tǒng)電源額定電壓較小,對(duì)軟、硬件的要求較低,所以采用較為簡(jiǎn)單開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法,分別對(duì)初始時(shí)的電池容量和使用過(guò)程中的電池容量進(jìn)行估算[12]。

        開(kāi)路電壓法(OVC)[13]是最簡(jiǎn)便的估算SOC值的方法,主要通過(guò)測(cè)量靜態(tài)下電池的端電壓,對(duì)充滿電的電池以相同功率進(jìn)行放電,記錄放電過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù),得到SOC值的曲線,然后來(lái)進(jìn)行SOC值估算。安時(shí)積分法[14]是現(xiàn)在普遍使用的一種方法,其原理為在電池初始狀態(tài)已知的情況下,對(duì)電池充電和放電時(shí)的電流進(jìn)行檢測(cè)。由于電流的大小不同,所以采用安時(shí)積分法對(duì)電流和工作時(shí)間進(jìn)行估算:

        (1)

        式中:SOC0為未充放電的荷電狀態(tài)值;QN為電池總?cè)萘浚籌為電流(放電狀態(tài)為正,充電狀態(tài)為負(fù));η為充放電效率。

        4 實(shí)物檢查及實(shí)驗(yàn)

        本系統(tǒng)實(shí)物見(jiàn)圖6。系統(tǒng)最終能否正常運(yùn)行可從硬件和軟件兩方面進(jìn)行檢查和實(shí)驗(yàn)。

        圖6 實(shí)物

        對(duì)于硬件系統(tǒng),首先檢查線路焊接過(guò)程是否存在斷口,利用萬(wàn)用表檢測(cè)電源和傳感器,判斷連接過(guò)程中是否存在錯(cuò)誤接線。軟件部分的檢測(cè)是將程序燒錄到系統(tǒng)中運(yùn)行,觀察顯示屏上的數(shù)值是否按照預(yù)期顯示。

        利用本系統(tǒng)對(duì)鋰電池實(shí)際電壓和電流進(jìn)行測(cè)試,所得結(jié)果與萬(wàn)用表測(cè)試結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖7和圖8。對(duì)比可知,本系統(tǒng)測(cè)得的電壓值略高于萬(wàn)用表測(cè)試數(shù)據(jù),電流值與萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)據(jù)基本一致,表明本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        圖7 電池電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

        圖8 電池電流數(shù)據(jù)對(duì)比

        同時(shí),對(duì)本系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)與萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了電壓與電流的誤差分析,誤差計(jì)算公式為|(萬(wàn)用表數(shù)據(jù)-系統(tǒng)數(shù)據(jù))|/系統(tǒng)數(shù)據(jù)×100%,結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知,電壓誤差最大為4.7%,電流誤差最大為3.2%,均小于5.0%,認(rèn)為本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性基本符合設(shè)計(jì)要求。

        圖9 電壓與電流誤差對(duì)比

        同時(shí)也看到,本系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與萬(wàn)用表得到的數(shù)據(jù)存在偏差,分析認(rèn)為本系統(tǒng)所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片(PCF891型)為8位,ACS712型傳感器精度為2%,從而使測(cè)試精度存在誤差。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本研究采用低成本的STC89C52型單片機(jī)開(kāi)發(fā)了BMS,分別從硬件設(shè)計(jì)、相關(guān)元器件選取、軟件設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)敘述,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),將得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)值和實(shí)際值進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)其基本符合設(shè)計(jì)要求,能夠滿足課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示的需求。

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