劉春寶，王 楓

(吉林大學(xué)預(yù)科教育學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引言

電動(dòng)汽車使用的是三元鋰和磷酸鐵鋰電池，鋰電池使用過程中存在過充、過放、溫度失控等現(xiàn)象[1]，容易引起自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)BMS受到采集通道數(shù)量少、采集數(shù)據(jù)波動(dòng)大、處理器能力低、線束布置區(qū)域小的限制，只能采集到電池包部分電壓。本系統(tǒng)集成采集單體電池電壓、模組電壓、充放電電流、多模組溫度等[2]，通過高精度數(shù)據(jù)采集硬件和多數(shù)據(jù)處理軟件檢測(cè)電池組狀態(tài)。

1 狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)作用是檢測(cè)動(dòng)力電池組狀態(tài)，采集單體電池電壓和電池模組電壓，單體電池用低壓電路，電池模組電壓用高壓電路[3]，最終連接至數(shù)據(jù)采集電路。電池電流主要用于判斷電池能量狀態(tài)，通過安時(shí)法計(jì)算出每個(gè)模組內(nèi)部的能量[4]，采樣傳感器為霍爾傳感器。為防止電池出現(xiàn)熱失衡問題，在每個(gè)模組上粘貼Pt100鉑電阻，連接至差分采樣電路讀取溫度數(shù)據(jù)[5]，電池組內(nèi)部的檢測(cè)系統(tǒng)還集成了絕緣測(cè)試模塊、通訊模塊、電源模塊等，具體連接關(guān)系見圖1。

圖1 電池總成檢測(cè)系統(tǒng)

2 電池組狀態(tài)檢測(cè)硬件電路

電池組狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路、高低壓開關(guān)切換電路、電源管理電路等，需要采集的數(shù)據(jù)有電壓、電流、溫度等，需要有可靠的硬件平臺(tái)[6]，通過降低硬件噪聲提高信噪比來確保數(shù)據(jù)可靠。

2.1 電壓采集電路

電池電壓采集為差分電路采集，Batt+和Batt-作為電池的正負(fù)端連接至運(yùn)放的正負(fù)兩端，K1是繼電器，系統(tǒng)上電正常，+5 V電源電壓建立，繼電器輸入端連接100 Ω電阻，額定電流限制為50 mA。電池輸入正負(fù)兩端連接1 kΩ電阻是為了保護(hù)運(yùn)放不被電流損壞，反饋電阻R3和R11阻值為10 kΩ，差分電路放大倍數(shù)為10倍，反饋電阻兩端并聯(lián)的電容用于抑制工模噪聲。

圖2 電池電壓采集電路

2.2 電流采集電路

電池的輸入輸出功率狀態(tài)全部用電流流向計(jì)算，安時(shí)電流計(jì)算方法可以作為輔助計(jì)算容量的一部分[7]，電池組的電流采樣電路如圖3所示，電流傳感器為霍爾傳感器，采集雙向電流，傳感器輸出標(biāo)稱電壓為75 mV/10 A，將采集的電壓經(jīng)過采樣電阻后輸入到運(yùn)放正端，電壓經(jīng)過負(fù)反饋差分放大電路后輸入到射極跟隨電路，最終輸出穩(wěn)定的電流采樣值。

圖3 電流采集電路

2.3 溫度采集電路

電池溫度在充電和放電過程中會(huì)有熱失衡的問題發(fā)生[8]，在電池發(fā)熱嚴(yán)重部位安裝Pt100鉑電阻，鉑電阻接入到全橋電路中可以將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，全橋電路輸出的電壓可以降低采樣的溫漂和非線性誤差。電池溫度升高、鉑電阻阻值變大、輸出電壓增加，輸出電壓經(jīng)過10倍比例差分放大電路后輸出溫度電壓Temp+信號(hào)，具體溫度采樣電路見圖4。

圖4 溫度采樣電路

2.4 高低壓開關(guān)切換電路

單體電池電壓為1.5 V，100個(gè)電池串聯(lián)后模組電壓為150 V，因此電壓傳送到硬件采樣電路之前需要經(jīng)過高低壓切換電路[9]，具體見圖5。在Q1為高電平時(shí)，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，繼電器K2和K3負(fù)端連接至地信號(hào)，同時(shí)連接至電源正負(fù)后導(dǎo)通吸合，K2的H+連接至Vout+，K3的H-連接至Vout-。

圖5 高低壓開關(guān)切換電路

2.5 電源管理電路

多路采樣電路路數(shù)多、核心CPU高速運(yùn)行需要輔助電源模塊提供足夠大功率的供電，使用電路為2 A的BUCK降壓電路，具體電路見圖6，28 V信號(hào)經(jīng)過磁珠濾波后進(jìn)入芯片VIN供電端口，輸出電壓經(jīng)過R19和R21電阻分壓后反饋至芯片F(xiàn)B引腳，電壓反饋環(huán)路保證輸出電壓信號(hào)穩(wěn)定性，L1和D1是BUCK電路的功率整流部分，是電流續(xù)流和整流的作用，電源電路可輸出功率大，紋波電壓小。

圖6 電源管理電路

3 系統(tǒng)軟件配置程序

軟件整體配置程序包括應(yīng)用層和底層開發(fā)，應(yīng)用層開發(fā)包括用戶操作、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷等系統(tǒng)層應(yīng)用[10]，底層開發(fā)包括芯片配置、通訊應(yīng)用、中斷定時(shí)器等基本設(shè)置，本系統(tǒng)綜合兩種設(shè)置方式配置和說明。

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案

軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。操作人員先開啟設(shè)備，系統(tǒng)整體硬件建立電源網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)供電正常后開始完成系統(tǒng)和上位機(jī)的初始化任務(wù)[11]，自檢完成后開始設(shè)備及功能驗(yàn)證，包括設(shè)備信息、錯(cuò)誤信息、CAN狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)等，將功能驗(yàn)證的數(shù)據(jù)信息保存后顯示到用戶界面同步發(fā)送到系統(tǒng)層。

圖7 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

3.2 模塊多任務(wù)配置程序

應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的程序在每種電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)上是通用的，但是底層開發(fā)程序要基于當(dāng)前的硬件電路，模塊多任務(wù)程序就是底層程序中重要的一部分，具體應(yīng)用如圖8所示。ARM是底層硬件運(yùn)行的核心處理器，待其完成初始程序加載后開始調(diào)用DSP，DSP是數(shù)據(jù)處理的核心，其可以調(diào)用均衡任務(wù)、電源模塊、數(shù)據(jù)任務(wù)、SOC任務(wù)等多種程序，待數(shù)據(jù)校驗(yàn)完成后清除中斷標(biāo)志，同時(shí)傳送至用戶的上位機(jī)并保存數(shù)據(jù)。

圖8 模塊多任務(wù)程序

4 驗(yàn)證方案

電池組狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證可以從硬件、軟件、采集、驅(qū)動(dòng)等多方面開展驗(yàn)證，影響整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)精度的是電源系統(tǒng)穩(wěn)定性[12]，最終還是要從數(shù)據(jù)采集結(jié)果得出系統(tǒng)采集精度。

4.1 電源的電壓噪聲比

電源作為電壓采樣、運(yùn)放供電、DSP供電的穩(wěn)定核心，首先要驗(yàn)證BUCK電源電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，開關(guān)管的工作狀態(tài)如圖9所示，在滿載狀態(tài)下開關(guān)管的占空比為70%，因此電源功率可以滿足硬件需要，在MOS管開通瞬間存在的GS尖峰電壓為1.5 V，為開通電壓的1.5倍，可以滿足設(shè)計(jì)需要。

圖9 開關(guān)管工作狀態(tài)

在確認(rèn)電源模塊工作正常后，測(cè)量電源模塊的噪聲，輸出電壓與噪聲的信噪比可以達(dá)到-60 dB，如圖10所示，電源模塊提供的穩(wěn)定電壓可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，無明顯尖峰影響系統(tǒng)波動(dòng)。

圖10 電源信噪比

4.2 電池狀態(tài)信號(hào)驗(yàn)證

鋰電池試驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示，電池溫度、電池電壓作為電池核心的參數(shù)，在-30～70 ℃采集電池的溫度數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為電壓，溫度和電壓線性度高，單體電池電壓的標(biāo)稱值為2.5 V，紋波電壓可以控制在1 mV范圍內(nèi)，具體結(jié)果如圖12所示。5節(jié)單體電池組成的電池組標(biāo)稱電壓為12.5 V,紋波電壓可以控制在1 mV范圍內(nèi)，具體結(jié)果如圖13所示。

圖11 鋰電池試驗(yàn)平臺(tái)

圖12 電池溫度與電壓關(guān)系圖

圖13 單體電池電壓

圖14 電池組電壓

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于電壓、電流、溫度的多數(shù)據(jù)采集電池組狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了BUCK電源電路、全橋電池溫度檢測(cè)電路、電池電壓采集電路、高低壓采集切換電路等硬件，開發(fā)了基于底層、應(yīng)用層、系統(tǒng)層的整體架構(gòu)，編制了模塊多任務(wù)配置程序，驗(yàn)證了開關(guān)電源工作狀態(tài)和信噪比，實(shí)測(cè)溫度與電壓關(guān)系、單體電池電壓、電池組電壓。結(jié)果顯示溫度采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，電池的紋波電壓低于1 mV，表明電池組狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。