電動汽車單元鋰電池包管理系統(tǒng)采集單元設計

郁奕飛，秦會斌

（杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018）

電動汽車單元鋰電池包管理系統(tǒng)采集單元設計

郁奕飛，秦會斌

（杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018）

針對電動汽車單元鋰電池包電池管理系統(tǒng)中電池信息采樣不完全的問題，設計了一種以SPC563M64L5單片機為核心的電池管理模塊。模塊使用改進型的光耦隔離電路為系統(tǒng)電壓采樣做隔離，并用二階有源低通濾波器對電壓采樣信號進行調理。對鋰電池包工作電流的采樣使用了霍爾傳感器做隔離采樣，使用差分放大電路對電流采樣信號進行處理。模塊在溫度檢測上運用LM35芯片和NTC電阻分別采集電池包中的環(huán)境溫度和電池表面溫度。測試實驗表明，系統(tǒng)對電池包的工作電壓和工作電流實現(xiàn)了高精度實時采樣，對鋰電池包內的溫度信息實現(xiàn)了監(jiān)測。

單元鋰電池包；電池檢測；光耦隔離；霍爾傳感器；溫度檢測；單片機

1 引 言

隨著霧霾等環(huán)境問題的日益嚴峻，電動汽車作為新一代的綠色出行方式越來越受到人們重視。鋰電池組作為電動汽車的主要動力來源，是電動汽車最主要的部件之一。鋰電池組的性能除了受到制作工藝的影響外，還與工作電壓、工作電流和鋰電池組的溫度等因素有關［1－2］。

針對單元鋰電池組的信息實時檢測需求設計和開發(fā)了一款電源管理系統(tǒng)。系統(tǒng)能對50節(jié)18650型鋰電池并聯(lián)所組成的單元鋰電池組包進行實時電壓電流檢測［3］，對鋰電池組模塊內的多點溫度進行實時監(jiān)控［4］，并且能夠做出SOC估計（荷電狀態(tài)估計）和電池組的均衡性控制［5］。通過該系統(tǒng)能夠提高鋰電池組的使用壽命和保障電動汽車的行車安全。

2 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)設計針對的單元鋰電池包是由50節(jié)18650型鋰電池并聯(lián)組成的，額定容量為200A·h。整個單元鋰電池包中的每節(jié)單體鋰電池都裝在鋁管中，兩頭用樹脂固定，這樣不僅便于散熱而且在鋰電池漏液時起到保護作用。鋰電池組的外部線纜將每節(jié)單體鋰電池通過熔斷器相連接。

單元電池包管理電路主要由電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、電池均衡電路和CAN通信電路組成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。電池管理單元（BMU）的主控芯片選用了ST公司的汽車級32位微控制芯片SPC563M64L5。SPC563M64L5芯片具有兩個增強型模擬/數(shù)字轉換器（ADC）和兩路獨立的支持CAN2.0B傳輸協(xié)議的CAN控制器［6－7］。

圖1 單元電池組管理系統(tǒng)總體結構圖

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 單元鋰電池包電壓采集單元

單元鋰電池包的電壓采集單元是由被測單元鋰電池包、分壓電路、改進型光耦隔離電路、二階有源低通濾波電路和A/D轉換所組成的［8］，采樣電路結構如圖2所示。采樣電壓經過電路后由AD＿VOLT節(jié)點輸入到SPC563M64L5模數(shù)轉換管腳。為了提高SOC的估計精度，要求對單元鋰電池包的電壓采樣和電流采樣同時進行，才能準確地算出瞬時功率。所以SPC563M64L5在采樣時采用雙路同步采樣模式，使用兩路ADC對電壓和電流進行同時采樣。

單元鋰電池包兩端的電壓通過兩個精度為萬分之五的電阻R1和R5分壓后輸入到運算放大器中。運算放大器U1A和光耦隔離芯片TLP521－2共同組成改進型光耦隔離電路。根據(jù)運算放大器的虛短原理，U1A的正輸入端電壓與R3上的電壓相同。即

所以光耦芯片TLP521－2的7腳的輸出電流：

由于在TLP521－2芯片中封裝了兩對光耦，它們的參數(shù)一致性較高，通過TLP521－2中兩個發(fā)光二極管的電流又是相同的，所以流過R3的電流和通過R10的電流時一致的，即I1＝I2。單元鋰電池包在工作時通過的電流較大，產生的熱量較高，光耦對管對溫度較為敏感，這樣的光耦隔離設計可以減小溫度對器件的影響。光耦芯片TLP521－2的5腳輸出電壓：

R6、R7、R8、C6、C7和運算放大器共同組成了二階有源低通濾波電路，當R6＝R7，C6＝C8時，該低通濾波電路的截止頻率f＝1/2πRC。D1和D2用來限制最高輸出電壓使其不超過SPC563M64L5芯片的管腳耐壓值。

圖2 單元鋰電池組電壓采樣電路圖

3.2 單元鋰電池包電流采集單元

單元鋰電池包電流采集單元是由霍爾傳感器［9］和差分放大器組成的。系統(tǒng)中選用的霍爾傳感器型號是HBC50ES5，在無電流通過時，其輸出電壓為2.5V。當滿電流50A輸出時，電壓為3.125V，壓差只有0.625V。為了提高AD采樣精度，就要對0.625V的壓差進行放大。對于HBC50ES5霍爾傳感器輸出電壓減去2.048V的基準電壓后放大2.4倍［10］。最后用SPC563M64L5芯片對得到的采樣值和采樣電壓值一起進行雙通道同步采樣。

3.3 溫度檢測電路

單元鋰電池包在充電和放電過程中，有一部分能量會以熱量的形式釋放出來，尤其在大電流充放電的情況下，發(fā)熱更加明顯。如果單元鋰電池包內部的熱量不能及時釋放會使整個鋰電池包性能發(fā)生不可逆的損壞，甚至會出現(xiàn)爆炸等危險情況。這就需要對單元鋰電池包內部的溫度實時監(jiān)控。

系統(tǒng)對于溫度的檢測分別用了LM35和NTC電阻兩種方式。LM35和NTC溫度檢測電路圖如圖3所示。LM35可測量的溫度范圍是－55℃至150℃，具有寬電壓供電范圍4－30V，非線性失真為±1/4℃。LM35輸出電壓與環(huán)境溫度的關系為：

當被測溫度為負溫度時，LM35輸出的電壓為負電壓，這樣電路需要雙電源供電。為了使電路在單電源供電時也能檢測負溫度，所以在電路中添加了二極管D5，這樣LM35的輸出電壓就一直為正電壓。LM35輸出電壓經過同相放大器放大后輸入A/D采樣器。SPC563M64L5芯片的A/D采樣模塊對節(jié)點AD＿TEMHIGH和節(jié)點TEMLOW進行同步采樣。計算出LM35芯片的2腳和3腳電壓差從而得到溫度檢測值。

LM35用于檢測鋰電池包內部的環(huán)境溫度。系統(tǒng)對電池表面溫度精度要求較低，所以NTC電阻用于檢測鋰電池包內電池表面的溫度。A/D轉換器轉換節(jié)點AD＿NTC的電壓值，得到鋰電池表面溫度。

圖3 溫度檢測電路圖

3.4 電池均衡電路

車載動力鋰電池組是由多個單元鋰電池包串聯(lián)組成的。當單元鋰電池包在串聯(lián)使用時，單元鋰電池包性能的不一致性導致每個鋰電池包的電壓不同，從而影響車載動力鋰電池組的壽命和性能［11］。

系統(tǒng)中采用的是電阻并聯(lián)均衡方式。先將每個單元鋰電池包的采樣電壓值匯總，計算出當前時刻單元鋰電池包的平均電壓。將每個鋰電池包的電壓與平均值作比較，當差值大于或小于0.1V時，啟動均衡電路對單元鋰電池包進行均衡，減小單體電池包之間的電壓差。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的主要任務是采集轉換輸入SPC563M64L5芯片的電壓檢測信號、電流檢測信號、溫度檢測信號，并作SOC估計和通過CAN總線輸出檢測結果。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

在程序初始化時開啟了看門狗、定時中斷和CAN接收中斷。SPC563M64L5芯片做一次12位的A/D轉換需要1μs，將定時中斷設置為100μs發(fā)出中斷一次。在一次定時中斷中完成連續(xù)10次對電壓和電流值的采樣，去掉采樣值中的最大值和最小值之后，將剩余的8次采樣結果求平均值。這個平均值就作為100μs中的平均電壓和電流值并將上傳標志位置1，以便計算SOC和上傳實時檢測數(shù)據(jù)。CAN接收中斷是用來接收主機發(fā)來的信息，比如均衡開啟指令就是由CAN接收中斷接收的。程序每次主循環(huán)中都對LM35和NTC進行采樣檢測。通過LM35計算單元鋰電池包中的環(huán)境溫度與電壓電流采樣值一起打包上傳。NTC兩端的電壓值直接與閾值相比較，不做溫度轉換計算。SOC估計采用的是開路電壓法和安時積分法相結合的估算方法。使用開路電壓法對單元鋰電池包的SOC初始值標定。在動態(tài)使用過程中，以實時采樣的電壓電流值為依據(jù)，使用安時積分法計算SOC的變化。

5 測試結果與分析

5.1 電壓采樣測試結果

在上述軟硬件基礎上，對系統(tǒng)功能和精度進行測試。在測試單元鋰電池包電壓測量精度實驗中，針對鋰電池工作電壓范圍內的電壓值進行測試。選用測試儀器是（Tektronix）DPO4054示波器，室內環(huán)境溫度為17℃。電壓采樣測試結果如表1所示。從表1可以看出，系統(tǒng)對鋰電池包電壓采樣的絕對誤差在4mV以內，相對誤差最大為0.11%，滿足系統(tǒng)設計要求。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

表1 系統(tǒng)電壓采樣數(shù)據(jù)與示波器測量數(shù)據(jù)對比

5.2 電流采樣測試結果

系統(tǒng)對電流的采樣是通過霍爾傳感器和差分放大器實現(xiàn)的。在測試時，選用的測試儀器是（Tektronix）DPO4054示波器，室內環(huán)境溫度為17℃。單元電池包輸出回路中的導線穿過（Tektronix）DPO4054示波器的電流探頭鉗，測量回路中的電流大小，電流采樣測試結果如表2所示。從表2可以看出，系統(tǒng)對鋰電池包電流采樣的相對誤差小于1%，滿足系統(tǒng)設計要求。但隨著被測電流增大，系統(tǒng)的絕對誤差在增大，這與軟件線性擬合不到位和HBC50ES5霍爾傳感器的精度有關。

表2 系統(tǒng)電流采樣數(shù)據(jù)與萬用表測量數(shù)據(jù)對比

5.3 溫度采樣測試結果

系統(tǒng)溫度的檢測測試分別是在6℃、17℃、25℃和30℃的室內環(huán)境溫度下進行的。測試時選用的測試儀器是FLUKE Ti20熱成像儀。溫度采樣測試結果如表3所示。從表3可以看出，系統(tǒng)溫度檢測的誤差在0.5℃以內，滿足系統(tǒng)設計要求。

表3 系統(tǒng)溫度采樣數(shù)據(jù)與熱成像儀測量數(shù)據(jù)對比

6 結束語

介紹了一種單元鋰電池包的電源管理模塊設計方法，設計了相應的改進型光耦隔離電路、基于霍爾傳感器的電流采樣電路、基于LM35和NTC的溫度檢測電路。硬件電路結構簡單，軟件實現(xiàn)方便。通過實驗給予不同的電壓電流值對系統(tǒng)進行了測試，又在不同溫度環(huán)境下測試了系統(tǒng)的溫度采樣精度。經過實驗測試證明，設計能對單元鋰電池包的電壓、電流、溫度信息進行實時可靠的采樣，為電池包的SOC估計提供準確的數(shù)據(jù)。

［1］ 王震坡，孫逢春.鋰離子動力電池特性研究［J］.北京理工大學學報，2004，24（12）：1053－1057.

WANG Zhen－po，SUN Feng－chun.Study on the Characteristics of Li－Ion Batteries［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2004，24（12）：1053－1057.

［2］ 胡斌，劉正光.基于VC和單片機的多通道鋰電池檢測系統(tǒng)［J］.微處理機，2005（6）：68－71.

HU Bin，LIU Zheng－guang.Multichannel Lithiumbased Battery Testing System Based on VC and SingleChip Processors［J］.Microprocessors，2005（6）：68－71.

［3］ 陳軍根，隋昆.高功率電動汽車電池測試系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2011（12）：35－37.

CHEN Jun－gen，SUI Kun.Design of High Power Test Instruments for Battery of Electric Vehicle［J］.Instrument Technique and Sensor，2011（12）：35－37.

［4］ 張永杰.純電動汽車動力型鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設計［D］.杭州：浙江工業(yè)大學，2012.

Zhang Yong－jie.Research and Design on Power Lithium Battery Management System for Pure Electric Vehicle［D］.Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2012.

［5］ 張巍.純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究［D］.北京：北京交通大學，2008.

Zhang Wei.Research of Battery Management System for Pure Electric Vehicle［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2008.

［6］ 李立宇，魏曙光，袁東，等.基于DSP和CAN總線的裝甲車輛電源管理系統(tǒng)設計［J］.裝甲兵工程學院學報，2009，23（1）：73－76.

LILi－yu，WEIShu－guang，YUAN Dong，et al.Design of Power Management System for Armored Vehicles Based on DSP and CAN Bus［J］.Journal of Academyof Armored Force Engineering，2009，23（1）：73－76.

［7］ 吳志勇，田佳平，李盤靖，鞠傳香.電車蓄電池充放電參數(shù)實時檢測系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2013（9）：55－57.

WU Zhi－yong，TIAN Jia－ping，LI Pan－jing，JU Chuan－xiang.Storage Battery Charge and Discharge Parameters Real－time Measuring System in Electric Vehicle［J］.Instrument Technique and Sensor，2013（9）：55－57.

［8］ 李真芳，李世雄，王書茂.基于ATmega8的鎳氫電池充電管理系統(tǒng)設計［J］.微型計算機信息，2005，21（7）：126－128.

Li Zhen－fang，Li Shi－xiong，Wang Shu－mao.The Design of NI－MH Battery Charging Circuit Base on ATmega8［J］.Microcomputer Information，2005，21（7）：126－128.

［9］ 麻金龍，夏超英，蔡奔.基于Infineon XC2785的電池管理系統(tǒng)采集單元設計［J］.儀表技術與傳感器，2014（7）：24－27.

MA Jin－long，XIA Chao－ying，CAIBen.Design of BMS Detecting Unit Based on Infineon XC2785［J］.Instrument Technique and Sensor，2014（7）：24－27.

［10］ 張?zhí)?高精度微功耗電壓參考芯片LM4040/4041及其應用［J］.國外電子元器件，2001（7）：39－41.

Zhang Tian.Precision Micro－power Voltage Reference Chip LM4040/4041 and Their Applications［J］.International Electronic Elements，2001（7）：39－41.

［11］ 王澤京.微型純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計與研究［D］.重慶：西南大學，2012.

WANG Ze－jing.Design and Research of Battery Management System of the Micro－pure Electric Vehicle［D］.Chongqing：Southwest University，2012.

Design on EV Lithium Battery Package Management System Acquisition

Yu Yifei，Qin Huibin
（School of Electronic and Information Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

Because of the problem of incomplete information sampling in themanagement system of electric vehicle unit lithium battery package，a battery management module，using SPC563M64L5 single－chip microcomputer as the core，is designed in this paper.The modified optical coupling isolation circuit is used as system voltage sampling circuit and the second－order active low－pass filter is used to regulate voltage sampling signal by the module.Meanwhile the hall sensor is used for isolating and sampling the working current of lithium battery package，and the differential amplifier circuit of current sampling is used to process the signal.As to the temperature detection，the LM35 chip and NTC resistance are respectively used to acquire environment temperature of battery package and battery surface temperature.The test results show that the system can realize high precision real－time sampling of battery package working voltage and working current，and the information of temperature in the lithium battery packagemonitoring is realized aswell.

Unit lithium battery package；Battery testing；Optical coupling isolation；Hall sensor；Temperature detection；Single chip microcomputer

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.022

TP273

A

1002－2279（2015）05－0083－05

郁奕飛（1989－），男，浙江省嘉興市海鹽縣人，碩士研究生，主研方向：嵌入式儀器儀表設計。

2015－02－06