電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任軻頎 姜暢

摘 要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于鋰電池的電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)。硬件方面包括主控板、采集模塊、均衡模塊、顯示模塊等。軟件方面包括荷電狀態(tài)（SOC）估算算法、均衡算法等。抗干擾方面采用硬件抗干擾和軟件抗干擾結(jié)合的方法。上述實(shí)驗(yàn)表明，文章的電池管理系統(tǒng)安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；SOC；均衡

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們的生活方式正在發(fā)生著改變。汽車作為一種便捷的交通工具已經(jīng)在城市交通工具中占據(jù)了主導(dǎo)地位。然而隨著能源緊缺、原油漲價(jià)以及城市環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，傳統(tǒng)的燃油式汽車正面臨著重大的危機(jī)。在這種情況下，車用新能源的開發(fā)利用成為業(yè)界研究的重要課題。在新能源體系中，電力能源是其中不可或缺的重要組成部分。

電池管理系統(tǒng)主要用于保護(hù)和管理電動(dòng)汽車的電池資源，不僅要保證電池在使用過程中的安全可靠，而且要合理均衡的使用電池以達(dá)到延長電池的使用壽命。電池管理系統(tǒng)是駕駛者與電動(dòng)汽車之間溝通的紐帶，對于電動(dòng)汽車的性能起著舉足輕重的作用。

文章的主要目的是配合電動(dòng)汽車的研制，研制適用于電動(dòng)汽車的安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)的電池管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對電池電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，SOC計(jì)算，電池狀態(tài)檢測，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)。

2 BMS系統(tǒng)模型

根據(jù)電池管理系統(tǒng)的功能需求，將BMS分成了五大模塊：主控模塊、顯示模塊、采集模塊、均衡模塊和上位機(jī)模塊。系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 BMS系統(tǒng)模塊圖

2.1 主控模塊

主控模塊用于控制整個(gè)BMS的運(yùn)行，通過CAN總線、串行總線、SPI總線等與顯示模塊、均衡模塊和采集模塊進(jìn)行通信。控制并協(xié)調(diào)各模塊的工作，完成對電池組總電壓、總電流的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對SOC的計(jì)算，根據(jù)用戶指令完成電池的充放電工作，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到U盤存儲器中。同時(shí)通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷出系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀況，對系統(tǒng)錯(cuò)誤或故障進(jìn)行提示。

2.2 顯示模塊

顯示模塊主要用于提供用戶查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，向用戶進(jìn)行報(bào)警提示等作用。除此之外，顯示模塊還具有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能。

2.3 上位機(jī)模塊

上位機(jī)模塊主要用于實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能。同時(shí)提供用戶對歷史數(shù)據(jù)的分析功能。最后，還應(yīng)該提供系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能，以U盤為傳輸媒介向主控模塊提供系統(tǒng)參數(shù)信息。

2.4 均衡模塊

充電電池存在使用壽命問題，長期不均衡的使用電池會(huì)造成部分電池壽命下降的問題，從而影響整個(gè)電池系統(tǒng)的運(yùn)行。均衡模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)電池箱內(nèi)電池電壓不一致超過規(guī)定值時(shí)（及長期消耗部分電池的電量），在充電電流小于一定值后，可自動(dòng)對電池進(jìn)行均衡，保證各電池之間使用量的均衡。

2.5 采集模塊

采集模塊實(shí)現(xiàn)對電池組進(jìn)行電壓、電流、溫度的采集工作。整個(gè)管理系統(tǒng)由多個(gè)采集模塊功能，每個(gè)采集模塊用于控制一個(gè)電池組，可測量16節(jié)電池端電壓及16個(gè)測量點(diǎn)溫度和1路風(fēng)扇控制，安裝在每個(gè)電池箱內(nèi)。

3 BMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 元器件選型

處理器芯片：R8C/23 群瑞薩單片機(jī)。

電壓采集：ADS1146IPW數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

溫度采集：CD4051BM。

均衡控制：74HC595。

CAN通信：SN65HVD1050。

U盤讀寫：CH376。

顯示屏：DMT80480T070_18WT液晶觸摸屏。

語音報(bào)警：WTH080，LM386。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)汽車用電環(huán)境復(fù)雜，有很強(qiáng)的電磁干擾從而影響信號在線檢測與控制系統(tǒng)的正常工作。為了減小電磁干擾采取如下措施：（1）在瑞薩單片機(jī)和CAN總線收發(fā)器之間加入高速光耦隔離器，同時(shí)增加共模電感，熱敏電阻等保護(hù)措施，電路圖如圖2所示；（2）為了避免底線竄擾問題，將單片機(jī)工作電源與電動(dòng)車電源地線進(jìn)行隔離；（3）數(shù)字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝，并將屏蔽地搭鐵，CAN總線選用屏蔽雙絞線；（4）PCB板制作盡量加大線間距，以降低導(dǎo)向間的分布電容并使其導(dǎo)向垂直，以減小磁場耦合，減小電源線走線有效面積及選用性價(jià)比高的器件等。

圖2 CAN總線收發(fā)器電路圖

3.3 軟件設(shè)計(jì)

在SOC的估算上采用的是現(xiàn)在比較成熟的方法。根據(jù)電動(dòng)汽車的工作狀態(tài)（駕駛、靜置、充電），分別采用安時(shí)法、開路電壓法進(jìn)行SOC估算，在采用安時(shí)法簡單有效的基礎(chǔ)之上，在特定條件下采用加權(quán)安時(shí)法進(jìn)行SOC校正，消除安時(shí)法帶來的累計(jì)誤差。

在軟件設(shè)計(jì)過程中采用了多種抗干擾設(shè)計(jì)：數(shù)字濾波算法、冗余法、軟件陷阱發(fā)、看門狗等技術(shù)，防止程序失序，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

自系統(tǒng)軟硬件完成整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)后，當(dāng)前BMS系統(tǒng)已經(jīng)在某品牌的純電動(dòng)汽車上進(jìn)行了系統(tǒng)測試。到目前為止，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，能夠正確的采集到電池的電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)信息，雖然與手動(dòng)測試的結(jié)果存在一定的誤差，但誤差值范圍在可接受范圍內(nèi)，對系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響可以忽略。系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程，及時(shí)向用戶反饋汽車運(yùn)行動(dòng)態(tài)，并能分析提示汽車運(yùn)行過程中出現(xiàn)的與電池系統(tǒng)相關(guān)的故障，從而保證汽車在駕駛過程中的安全性。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程中，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間消耗，在SOC估算過程中應(yīng)用的算法比較簡單，下一步的研究內(nèi)容是在時(shí)間消耗和結(jié)果準(zhǔn)確性方面進(jìn)行折中，應(yīng)用更先進(jìn)的SOC估算算法，提高電池剩余電量估算的準(zhǔn)確性，為用戶提供更加準(zhǔn)確的信息。