電動車電池管理系統硬件設計技術

2021-03-06 ryder

電動車是指全部或部分由電機驅動的汽車。目前緊要有純電動車、混合電動車和燃料動力電池汽車3種類型。電動車目前常用的動力來自于鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳氫電池等。

鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當前比能量最高的電池。但正是因為鋰電池的能量密度比較高，當發生誤用或濫用時，將會引起安全事故。而電池管理系統能夠處理這一問題。當電池處在充電過壓或者是放電欠壓的情況下，管理系統能夠自動切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節電池的壓差維持在一個很小的范圍內。此外，還具有過溫、過流、剩余電量估測等功能。本文所設計的就是一種基于單片機的電池管理系統[1]。

1電池管理系統硬件構成

針對系統的硬件電路，可分為MCU模塊、測試模塊、均衡模塊。

1.1MCU模塊

MCU是系統控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號的單片機。該系列所有的MCU均采用加強型M68HC08中央解決器(Cp08)。該單片機具有以下特性：

(1)8MHz內部總線頻率；(2)16KB的內置FLASH存儲器；(3)2個16位按時器接口模塊；(4)支持1MHz～8MHz晶振的時鐘發生器；(5)加強型串行通信接口(ESCI)模塊。

1.2測試模塊

測試模塊中將對電壓測試、電流測試和溫度測試模塊分別進行解析。

1.2.1電壓測試模塊

本系統中，單片機將對電池包的整體電壓和單節電壓進行測試。關于電池包整體電壓的測試有2種辦法：(1)采用專用的電壓測試模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構建電阻分壓電路。采用專用的電壓測試模塊成本較高，而且還要特定的電源，過程比較復雜。所以采用分壓的電路進行測試。10串錳酸鋰電池包電壓變化的范圍是28V～42V。采用3.9M?贅和300k?贅的電阻進行分壓，采集出來的電壓信號的變化范圍是2V～3V，所對應的AD轉換結果為409和*。

關于單體電池的測試，緊要采用飛電容技術。飛電容技術的原理圖如圖1所示[2]，為電池包后4節的保護電路圖，通過四通道的開關陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動信號，控制MOS管的導通和關斷，從而對電池包的充電放電起到保護用途。

如圖1所示，為電池包后4節的保護電路圖，通過四通道的開關陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動信號，控制MOS管的導通和關斷，從而對電池包的充電放電起到保護用途。

以上6節電池可以用2個三通道開關愛換陣列來實現。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開關，通過選址實現通道的選擇。開關S5、S6、S7負責將電池的正極連接至飛電容的正極。開關S2、S3、S4負責將電池負極連接至飛電容的負極。三通道開關愛換陣列結構與四通道開關愛換陣列類似，只是通道數少1路。工作時，單片機發出通道選址信號，讓其中1路電池的正負極與電容連接，對電容進行充電，然后斷開通道開關，接通跟隨放大器的開關，單片機對電容的電壓進行快速測試，由此完成了對1節電池的電壓測試。若發現測試電壓小于2.8V，則可推斷出電池可能發生短路、過放或保護系統到電池的測試線斷路，單片機將馬上發出信號切斷主回路MOS管。重復上述過程，單片機即完成對本模塊所管理的電池的測試。

1.2.2電流采樣電路

電流采樣時，電池管理系統中的參數是電池過流保護的緊要根據。本系統中電流采樣電路如圖2所示。當電池放電時，用康銅絲對電流信號進行測試，將測試到的電壓信號經過差模放大器的放大，變為0～5V的電壓信號送至單片機。倘若放電的電流過大，單片機測試到的電壓信號比較大，就會驅動三極管動作，改變MOS管柵極電壓，關斷放電的回路。比如，關于36V的錳酸鋰電池來說，設定其保護電流是60A。康銅絲的電阻是5mΩ左右。當電流達到60A時，康銅絲的電壓達300mV左右。為提高精度，將電壓通過放大器放大10倍送至單片機測試。

1.2.3溫度測試

電池包在充、放電過程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來，這部分熱量不及時排除會引起電池包過熱。倘若單個鎳氫電池溫度超過55℃，電池特性就會變質，電池包充、放電平衡就會被打破，繼而導致電池包永久性損壞或爆炸。為戒備以上情況發生，要對電池包溫度進行實時監測并進行散熱解決。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來表示：

1.3均衡模塊

電池包常用的均衡辦法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞辦法等。在本系統中，要較多的I/O口驅動開關管，而單片機的I/O口有限，所以采取整充轉單充的充電均衡辦法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池包整充的開關，Q2、Q3、Q5是控制單節電池充電的開關。以10節錳酸鋰電池包為例，變壓器主線圈兩端電壓為42V，副線圈電壓為電池的額定電壓4.2V。剛開始Q4導通，Q2、Q3、Q5截止，單節電池的電壓不斷升高，當測試到某一節電池的電壓達到額定電壓4.2V以后，電壓測試芯片發出驅動信號，封閉Q4，打開Q2、Q3、Q5，整個系統進入單充階段，未洋溢的電池持續充電，以達到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經探測，電壓差值不會超過50mV。

2SOC電量測試

在鋰電池管理系統中，常用的SOC計算辦法有開路電壓法、庫倫計算法、阻抗測量法、綜合查表法[3]。

(1)開路電壓法是最簡單的測量辦法，緊要依據電池開路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對應關系。

(2)庫侖計算法是通過測量電池的充電和放電電流，將電流值與時間值的乘積進行積分后計算得到電池充進的電量和放出的電量，并以此來估計SOC的值。

(3)阻抗測量法是利用電池的內阻和荷電狀態SOC之間一定的線性關系，通過測出電池的電壓、電流參數計算出電池的內阻，從而得到SOC的估計值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數是密切相關的。通過設置一個相關表，輸入電壓、電流、溫度等參數就可以查詢得到電池的剩余容量值。

在本設計中，從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮，采用了軟件編程的辦法。綜合幾種辦法，采用庫倫計算法比較適宜。

(1)用C表示鋰電池包從42V降到32V時放出的總的電量。

(2)用η表示電流i經過時間t后，放出的電量與C的比值。

其中CRM為剩余電量。令ΔCi=i×Δt，表示?駐t時間內電池包以i放電的放電量；或者是以i充電的充電量，剩余電量實際上是對ΔCi的計算以及累加。設定適宜的采樣時間Δt，測定當前的電流值，然后計算乘積，得到Δt時間內剩余容量CRM的變化量，從而不斷更新CRM的值，即可實現SOC電量的測試。

3實驗結果

通過電池管理系統對錳酸鋰電池包進行充放電探測。圖4(a)為鋰電池包放電探測圖，放電電流為8A，當電池包電壓降至32V時，放電MOS管關斷。圖4(b)為充電的探測圖。充電結束4小時后，均衡完成。