新型電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)----系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)(一)

3.1總方案

電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于混合電動(dòng)車，平臺(tái)采用車載方式。在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量使管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、可擴(kuò)展；系統(tǒng)功能上要完備，滿足電動(dòng)車的全面要求：各種參數(shù)測(cè)量精度高、EMC合格、可靠性高等。根據(jù)這一總方案指導(dǎo)思想，研制出了新一代的鋰電池管理系統(tǒng)，具體功能如下：

• 電池信息實(shí)時(shí)采集，包括單體電壓、電池組總電壓、溫度、充放電電流；
• 存儲(chǔ)重要的電池信息及重要數(shù)據(jù)；
• 剩余電量估計(jì)功能及顯示；
• 提供數(shù)據(jù)傳送的接口，包括同上位機(jī)通訊和同整車通訊以進(jìn)行車體控制；
• 安全、可靠、抗干擾性強(qiáng)、有良好的人機(jī)交互功能；
• 在充、放電過(guò)程中對(duì)單體電池進(jìn)行均衡和診斷。

這套電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，用多單片和多CAN通訊系統(tǒng)。按積木化設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊并采用了5寸半液晶、標(biāo)準(zhǔn)CAN及RS232接口以及多種抗干擾措施，滿足了燃料電池大客車的基本要求：

• 實(shí)現(xiàn)了分布式結(jié)構(gòu)、模塊化、多CAN通訊及多功能。
• 測(cè)量實(shí)現(xiàn)了高精度，總電流與總電壓精度分別為0.5%和0.2%，使電量計(jì)量更加精確。
• 具有特色的鋰電池單體電壓測(cè)量電路，達(dá)到了108-126路，可以擴(kuò)展至更多路，精度在（0.1-0.2）%.
• 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在車上的運(yùn)行，解決了系統(tǒng)24V電源自動(dòng)控制、抗靜電干擾、抗電機(jī)DC/DC干擾，抗高壓漏電等一系列問(wèn)題

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成，即測(cè)量板、中央處理模塊、SOC估計(jì)模塊、專家系統(tǒng)模塊、與整車通訊模塊和顯示控制模塊。各模塊獨(dú)立工作，它們之間通過(guò)CAN總線相互通訊。電池管理系統(tǒng)的框圖參見(jiàn)圖3.1.

各模塊的主要功能如下：

• 測(cè)量板：主要完成單體電池電壓和溫度的測(cè)量，將數(shù)據(jù)傳到內(nèi)部CAN總線上；直接負(fù)責(zé)對(duì)均衡控制模塊發(fā)出接通和關(guān)閉分流電路的信號(hào)，同時(shí)接收中央處理模塊發(fā)來(lái)的組均衡控制信號(hào)。
• 啟分流裝置，調(diào)節(jié)充電電流，使電池組內(nèi)電池更加均勻和一致。
• 中央處理模塊：主要完成對(duì)總電流、總電壓、環(huán)境溫度的測(cè)量，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)下一級(jí)9塊測(cè)量板之間的組均衡進(jìn)行控制。
• 專家系統(tǒng)模塊：接受內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，對(duì)單體電池進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，給出健康等級(jí)和報(bào)警信息，將結(jié)果傳給顯示控制模塊。
• SOC估計(jì)模塊：由一塊參數(shù)估計(jì)板構(gòu)成，根據(jù)接收中央處理模塊傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理計(jì)算，計(jì)算出剩余電量和功率強(qiáng)度。
• 顯示控制模塊：顯示控制板接收內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，然后送到液晶顯示屏顯示。同時(shí)，顯示控制模塊外留RS232借口，可以傳輸數(shù)據(jù)給上位機(jī)。
• 與整車通訊控制模塊：接收內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)外部CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)給整車，同時(shí)接收整車發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)。

系統(tǒng)中共包含9個(gè)測(cè)量模塊，它們都通過(guò)CAN總線與系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。為了同車體其它部分通訊且不干擾系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的通訊，系統(tǒng)采用了另一條獨(dú)立的CAN總線，這里我們叫做外部CAN總線?？梢钥吹?，與整車通訊模塊在這里同時(shí)是兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，起到了網(wǎng)關(guān)的作用。模塊完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2。

3.2公共主板的特點(diǎn)：

80C552 80C552單片機(jī)是用CMOS工藝制造的80C51系列產(chǎn)品之一，具有和80C51相同的指令系統(tǒng)，80C552可以用TLL電平兼容的存儲(chǔ)器或接口電路進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

其特性如下：

• 80C51CPU；
• 8K字節(jié)ROM，可擴(kuò)展至64K字節(jié)；
• 具有4個(gè)捕捉寄存器和3個(gè)比較寄存器的附加16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；
• 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；
• 256字節(jié)RAM，外部可擴(kuò)展至64K字節(jié)；
• 能產(chǎn)生8路同步定時(shí)輸出；
• 8路模擬量輸入，10為A/D轉(zhuǎn)換器；
• 2路8位分辨率的脈寬調(diào)制（PWM）輸出；
• 5個(gè)8位I/O口，一個(gè)和模擬信號(hào)公用的8路輸入口；
• I²C總線接口；
• 和80C51兼容的全雙工異步串行口（UART）；
• 一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器（Watchdog Timer）；
• 時(shí)鐘速率12MHz和16MHz；
• 寬的工作溫度范圍；
• 具有OTP一次編程器件；
• 兩種封裝形式LCC和QFP；

3.3單電池端電壓測(cè)量

單電池端電壓是對(duì)電池充放電方式選擇、剩余電量計(jì)算、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估和對(duì)電池好壞分析的基本依據(jù)之一，因此一個(gè)行之有效的單電池端電壓測(cè)量方法是電池組監(jiān)控和診斷成功的前提條件。但是由于電池組中總電壓高、電池?cái)?shù)目多和高精度的測(cè)量要求，使得它具有較大的難度。在以前系統(tǒng)中，電池端電壓測(cè)量采用普通光藕TP521，由于它存在諸多缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了全新的移位電路，在下面分別介紹之。

3.3.1以前系統(tǒng)電池端電壓的測(cè)量方法

下圖3.3是用TP521光藕進(jìn)行電池端電壓進(jìn)行隔離和變換的原理圖：

主要的設(shè)計(jì)思想是，電池電壓U_in通過(guò)光耦的輸入二極管產(chǎn)生電流Ia，這個(gè)電流通過(guò)光耦的耦合作用產(chǎn)生輸出電壓U_out。只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光耦的輸入二極管的工作點(diǎn)，就可以使得U_in和U_out成正比關(guān)系。輸出電壓U_out作為單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口的模擬輸入信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為0～1023（即10位二進(jìn)制位）之間的數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換，將其轉(zhuǎn)換成電壓值。利用在不同輸入電壓下系統(tǒng)采樣得到的采樣值經(jīng)過(guò)最小二乘擬合就可以得到電壓變換函數(shù)。

光藕的線性區(qū)域較小，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，證明該器件的線性區(qū)域?yàn)镮a∈[0.2，0.6]，應(yīng)合理選擇R₁和R₂，保證輸入和輸出的線性關(guān)系。P₁為變阻器，其目的是微調(diào)Ia，使得在同一輸入電壓下每塊電池采樣板的Ia完全相同，從而保證同一個(gè)電池在不同的采樣板上進(jìn)行測(cè)量時(shí)能得到相同的結(jié)果。R₃和R₄的選擇也應(yīng)該保證光耦的三極管工作在線性區(qū)域。

此測(cè)量方法的最大缺陷是光藕的溫漂現(xiàn)象，下表3.1是幾節(jié)電池在不同溫度下的測(cè)量數(shù)據(jù)：

從上表的數(shù)據(jù)中可得出：當(dāng)電池端電壓處于工作常用電壓范圍時(shí)，以環(huán)境溫度22℃為基準(zhǔn)，環(huán)境溫度每上升一度，測(cè)量值受溫度的影響約為-0.06伏，溫度對(duì)測(cè)量的影響是很大的。

為了減少溫度對(duì)端電壓測(cè)量的影響，可采取以下兩種方法：

方法一：溫度補(bǔ)償。具體方法為：將測(cè)量板上所有光耦表面粘上同一根導(dǎo)熱性好的金屬條，目的是為了各個(gè)光耦上的溫度一致，再測(cè)量這根金屬條上的溫度，把這個(gè)溫度作為溫度補(bǔ)償用的環(huán)境溫度。單片機(jī)在計(jì)算端電壓時(shí)將這個(gè)溫度與基準(zhǔn)溫度的差乘上一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)作為補(bǔ)償電壓。但這要求溫度測(cè)量準(zhǔn)確，何況不同光藕的溫度系數(shù)也不同。

方法二：總電壓校正。由于總電壓是各單電池端電壓之和，這樣就可以通過(guò)測(cè)量總電壓與單電池端電壓總和之差，將這個(gè)差值分?jǐn)傇诿總€(gè)電池的端電壓上，從而達(dá)到提高單電池端電壓絕對(duì)精度的目的。但這也有一個(gè)缺點(diǎn)：?jiǎn)坞姵販y(cè)量電壓偏差大的電池經(jīng)總電壓校正后，偏差將更大。

總之，用以前測(cè)量單電池電壓的方法難以取得高的精度，并且調(diào)試難度很大，因?yàn)椴煌鰪S的光藕的特性都不一樣。新系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)鋰電池，設(shè)計(jì)了全新的電路，測(cè)量性能大大提高。

3.3.2用移位電路實(shí)現(xiàn)單電池電壓測(cè)量

針對(duì)鋰離子電池最大電壓低于4.2V的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了下面移位電路圖3.4用于單電池電壓測(cè)量，此電路用低成本運(yùn)放LM258和場(chǎng)效應(yīng)管BSS84及一些輔助元件組成，在很寬的溫度范圍內(nèi)有恒定的增益。

此電路專為鋰離子電池設(shè)計(jì)，對(duì)其他電池通過(guò)適當(dāng)修改電路參數(shù)來(lái)完成，下面是它的工作原理：設(shè)電池組最后一節(jié)電池為B₁，最上一節(jié)B_n，它們之間串連相接，系統(tǒng)中從B₃到B_n測(cè)量用移位電路，B2的測(cè)量用一個(gè)減法器來(lái)完成，B1直接送到A/D.現(xiàn)在來(lái)分析Bn節(jié)電池的測(cè)量，工作時(shí)，Vo↑→Vsg↓→i₁↓→V_RI↓→V₁↑→V_o↓。平衡時(shí)，i₁穩(wěn)定在一個(gè)值使得：

在單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)上，有一個(gè)校準(zhǔn)程序來(lái)減少初始誤差，校準(zhǔn)期間，用一個(gè)校準(zhǔn)電壓源代替電池，設(shè)此時(shí)的測(cè)量結(jié)果為E_Mn，可求得一校準(zhǔn)系數(shù)

移位電路誤差分析：

雖然校準(zhǔn)程序能減少因R₂/R₁帶來(lái)的誤差，但它不能減少溫漂帶來(lái)的誤差，設(shè)電阻的溫度系數(shù)是±100ppm，如果溫差ΔT=50℃，阻值將相差±0.5%.設(shè)計(jì)時(shí)如果R₁和R₂封裝在同一個(gè)阻排內(nèi)，則溫度對(duì)R₂/R₁的影響可忽略。

其他的誤差來(lái)源于運(yùn)放，如輸入漂移電壓（Vos）、輸入漂移電流（Ios）及他們的溫漂。在下面的誤差分析中，n可以是移位電路中的任何一節(jié)電池，且只考慮Vos帶來(lái)的誤差，對(duì)Ios的分析同樣。

單片機(jī)用系數(shù)α校正測(cè)量結(jié)果得



測(cè)量誤差ΔV為：

LM258的最大Vos為±5mV，而校準(zhǔn)電壓E_Bn約為4V，Vos遠(yuǎn)小于E_Bn，故

E_Bn與V_Bn的差值越大，誤差就越大，最大誤差發(fā)生在V_Bn = 1/2*E_Bn時(shí)，此時(shí)V＝0.5* Vos =±2.5mV，實(shí)際上，如果電池電壓低于2V，鋰離子電池已有故障應(yīng)當(dāng)更換，此時(shí)的測(cè)量精度已不重要。

由運(yùn)放Ios引起的誤差分析同Vos，它的最大誤差為±2mV.總之，運(yùn)放引進(jìn)的誤差總共為±4.5mV.