計算機控制汽車電池實驗系統(tǒng)

HEV動力蓄電池的管理一直是混合動力電動汽車HEV發(fā)展過程中的一個非常關鍵的問題[1]。有效的電池管理系統(tǒng)在提高蓄電池壽命的同時，可以及時準確地估計蓄電池的剩余容量，當電池出現(xiàn)不一致性時對電池進行均衡控制，保護蓄電池?，F(xiàn)有電池均衡控制方案大多以電壓均衡作為標準，低電壓電池的充電電流變大些，高電壓電池的充電電流變小些。以電壓的差異來衡量電池容量進行均衡控制，在一定范圍內能起到均衡的效果，但實際情況中，由于單個電池內部結構的差異，在放電過程中，各單個電池表現(xiàn)出的電壓方差值可能不同，方差大的電池電壓可能小，但剩余容量卻大，以電壓一致為均衡目標的系統(tǒng)不但沒起到均衡作用，還造成不一致性現(xiàn)象加重。因此本論文提出基于電功率K值作為衡量電池差異的方法。

1 基于電功率的電池組均衡充放電控制策略

電池組充放點均衡控制原理示意圖如圖1所示。電池組由E1，E2……En 串聯(lián)而成，電池組通過逆變器對電動機供電，發(fā)電機G電壓通過AC/DC轉換后，可向電池組充電，Kc為控制充電開關，DC/DC模塊由電池組或者發(fā)電機提供能量，其輸出電壓為單體電池電壓，對均衡器進行供電，均衡器由電池管理模塊控制，能控制對單體電池均衡的能量值。

電池管理模塊采集單體電池電壓，電池組電流，溫度值，計算出單體電池的電功率K值，并計算不均衡度，當檢查到有某個電池Ei容量較低后，電池管理模塊計算出相應的均衡力度，通過控制輸出開關量Ki的占空比，調節(jié)均衡器對電池的均衡力度。

2 電池均衡控制實驗系統(tǒng)
基于功能和成本考慮，電池單元模塊采用AT89S51系列單片機，電池組管理系統(tǒng)采用AT89S8053系列單片機。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4 KB Flash片內程序存儲器，128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)[2]電路，片內時鐘振蕩器。

通過寄存器WMCON可以方便設置看門狗時鐘周期(16~2 048 ms)，以及對EEPROM進行讀寫操作。

2.1 時鐘電路及復位電路

電池管理單元的時鐘頻率采用11.059 MHz晶振，AT89S51的時鐘周期為90 ns。復位方式為上電復位和開關復位。電路圖如圖2所示。


2．2 A/D轉換電路設計

對電池管理系統(tǒng)來說，電壓的精確采集直接影響多電池組均衡控制的效果，因為電池端電壓下降值在幾伏左右，而且基于電功率的均衡控制策略，需要考慮電池間微小電壓的影響，因此對A/D轉換器[3]的精度要求較高。本系統(tǒng)采用8位的ADC0809作為A/D轉換器。

A/D轉換電路如圖3所示。其中74LS74對來自51 ALE引腳的時鐘脈沖進行2分頻后，作為ADC0809的時鐘信號。
采集第i路信號時，地址為iD，本系統(tǒng)采用查詢法對A/D轉換器的轉換信號進行讀取。

2.3 I/O電路設計

電池管理系統(tǒng)通過開關量輸出，控制均衡器的工作狀態(tài)，當輸出1時，均衡器的功率MOSFET接通，均衡電路工作，當輸出0時，均衡器停止工作。

均衡器工作電流較大，因此需要增加光電隔離電路，以免對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

I/O輸出電路如圖4所示，系統(tǒng)選用8位同相芯片74LS374作為驅動芯片，采用TP521作為光耦隔離電路，通過對74LS374不同位寫1或者0，可以控制8位12V電壓開關量的輸出。

2.4 CAN通信電路設計

本系統(tǒng)采用CAN總線系統(tǒng)[4]智能節(jié)點方式，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN總線驅動器采用82C250，光耦隔離電路采用高速光電耦合器6N137。以80C51單片機作為CAN總線網(wǎng)路通信的節(jié)點的微處理器，采用SJA1000作為CAN控制器，PCA82C250作為CAN收發(fā)器和物理總線的接口，通過6N137高速光耦實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。另外在兩根CAN總線輸入端和地之間分別接了一個防雷擊管，防止在兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，放電起到一定的保護作用。82C250的Rs腳上接有一個斜率電阻，電阻的大小可以根據(jù)總線通信速度適當調整，一般在16～140 kΩ之間。系統(tǒng)選用47 kΩ斜率電阻，如圖5所示。


2.5 RS232串口通信電路設計

工業(yè)設備通信通常希望執(zhí)行簡單的串行命令，并希望這些命令同個人計算機或者附加的串行端口板上的標準串行端口兼容。RS-232是目前PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。電路圖如圖6所示。


2.6 電壓信號調理電路設計

輸入通道的結構框圖如圖7。

對于電池單元模塊，需要采集6個電池的電壓信號，因為電池電壓值大于10伏，而ADC0809的輸入電壓范圍為0到5伏，因此需要對輸入電壓進行變換，本系統(tǒng)采用差動輸入的方式，選用的運放為LM324。如圖8所示。

3 電池管理系統(tǒng)軟件設計

設計基于51單片機匯編語言的控制算法程序。程序利用Keil uvision2平臺進行調試。

電池管理系統(tǒng)的整體流程如圖9所示。在上電后，首先進行看門狗時鐘設置，這樣能大大提高整個單片機系統(tǒng)的抗干擾能力。

在系統(tǒng)初始化后，讀取存放在數(shù)據(jù)存儲器中電池組信息。該段信息包括上一次斷電后電池組剩余容量狀態(tài)，電池組不均衡信息等，通過8253的非易失性EEPROM保存。

電池管理系統(tǒng)的主程序包括5個子程序：

(1)電池狀態(tài)采集子程序
負責對電池組中單個電池的電壓，電流溫度等狀態(tài)量進行采集，并進行中值濾波，剔除采集通道受干擾得到的奇異值。

(2)電池剩余容量計算子程序
電池剩余容量計算子程序負責計算每個電池的剩余容量，并且為均衡控制策略進行數(shù)據(jù)預處理。

(3)電池不均衡度計算子程序
通過判斷電池組中各電池輸出的電功率，判斷電池組的不均衡性，如果電池組出現(xiàn)預定的不均衡狀態(tài)，程序返回不均衡電池的標號值，不均衡度值，由之后的控制輸出程序控制均衡器工作。

(4)通信子程序
包括CAN總線收發(fā)和RS232通信兩部分。CAN總線收發(fā)程序負責電池管理系統(tǒng)與多能源控制器間的信息交換，RS232負責電池管理系統(tǒng)與PC機的信息交換。

(5)顯示子程序
通過數(shù)碼管顯示電池剩余容量和均衡控制器工作狀態(tài)。

論文設計了基于電功率的均衡充放電控制模塊，確定了單片機算法的實現(xiàn)方法；研制了有一定的準確性和可靠性又比較簡單的動力電池均衡控制實驗系統(tǒng)。對動力電池管理系統(tǒng)電池剩余容量判斷模型的理論研究具有重要的現(xiàn)實意義。