一種混合動(dòng)力車載鋰電池管理系統(tǒng)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院　李改有　楊　姜　席光榮　張學(xué)峰　朱向冰

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一種混合動(dòng)力車載鋰電池管理系統(tǒng)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院李改有楊姜席光榮張學(xué)峰朱向冰

【摘要】鋰電池的管理問題一直阻礙了鋰電池動(dòng)力汽車的發(fā)展。為了保證鋰電池的可靠運(yùn)行，對(duì)鋰電池的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)是必要的過(guò)程。本文設(shè)計(jì)了一種混合動(dòng)力車鋰電池管理系統(tǒng)，利用STM32處理器控制電池參數(shù)采集系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)及報(bào)警電路、人機(jī)交互界面和控制終端，并通過(guò)CAN總線完成系統(tǒng)和車載處理器的數(shù)據(jù)傳輸，再通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)將信息傳給遠(yuǎn)程控制終端，控制終端還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將故障信息傳給智能手機(jī)，通知管理人員。該設(shè)計(jì)可以很好地解決鋰電池的安全保護(hù)、故障分析、參數(shù)分析與顯示、電池的壽命周期管理等問題。

【關(guān)鍵詞】鋰電池管理；電池參數(shù)采集；CAN總線；遠(yuǎn)程控制終端

0　引言

電動(dòng)汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向，汽車鋰電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵元件，但是鋰電池在過(guò)熱、過(guò)充、過(guò)放、擠壓、振動(dòng)等條件下可能導(dǎo)致電池壽命的縮短和損壞，還可能發(fā)生起火爆炸事故，因此其安全問題已成為純動(dòng)力和混合動(dòng)力汽車商業(yè)化的主要制約因素。在電動(dòng)汽車的使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)單個(gè)電池的壽命遠(yuǎn)比電動(dòng)汽車中電池組的使用壽命長(zhǎng)，研究表明這是因?yàn)閱误w電池處在不均衡的狀態(tài)中，各個(gè)電池充放電過(guò)程不均衡，而不斷重復(fù)的充放電過(guò)程加劇了單體的不均衡現(xiàn)象，引起單體壽命的縮短，導(dǎo)致所在的電池組的壽命縮短，從而縮短了整個(gè)電池系統(tǒng)的壽命[2]。對(duì)于鋰電池的管理不僅影響著鋰電池的使用壽命，而且還影響汽車的性能。目前一些汽車公司做出了鋰電池管理系統(tǒng)，但是功能比較單一，人機(jī)交互程度不高。有些偏向于電池充放電、剩余電量（SOC）的估算；有些偏向于電池均衡、熱管理及性能評(píng)估，在鋰電池均衡、性能評(píng)估方面比較薄弱，而且市場(chǎng)上的電池管理系統(tǒng)價(jià)格昂貴，對(duì)鋰電池的管理效率不高。因此必須降低鋰電池管理系統(tǒng)的成本，并增加鋰電池管理系統(tǒng)的功能，對(duì)鋰電池進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種以STM32處理器為核心的電池管理系統(tǒng)，包括電池參數(shù)采集模塊、充放電模塊、散熱模塊及報(bào)警電路、人機(jī)交互模塊和遠(yuǎn)程控制模塊等。本系統(tǒng)可有效的防止因?yàn)檫^(guò)流、過(guò)壓、欠壓、高溫、不均衡充電和剩余電量難估算等引起的問題，提高了鋰電池運(yùn)行的安全性，延長(zhǎng)了鋰電池的使用壽命。

1　系統(tǒng)整體框架

車載電源管理系統(tǒng)主要是對(duì)電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還有剩余電量（SOC）和均衡充電等問題需解決。需要對(duì)剩余電量（SOC）進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)并進(jìn)行有效的估算以及對(duì)電池充放電過(guò)程進(jìn)行智能實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理，防止過(guò)流、過(guò)壓、高溫、低壓、單節(jié)電池過(guò)充等問題的出現(xiàn)，還需要有報(bào)警電路、散熱電路和終端顯示部分，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及電池組的正常工作。

如圖1所示，電池參數(shù)采集模塊包括電壓、單體電池溫度、剩余電量（SOC）參數(shù)的采集電路；充放電模塊主要對(duì)充放電的電流和電壓進(jìn)行監(jiān)控；由STM32處理器把采集的信息通過(guò)CAN總線傳到人機(jī)交互模塊，在人機(jī)交互界面上顯示各項(xiàng)參數(shù)，并且可以通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行保存和修改，同時(shí)對(duì)欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、高溫、剩余電量（SOC）等狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行顯示。通過(guò)整車控制器處理故障信息，然后控制報(bào)警模塊，對(duì)各個(gè)故障進(jìn)行報(bào)警；控制散熱模塊對(duì)電池組散熱；剩余電量（SOC）估算采用的DS2788電量計(jì)，可以對(duì)多個(gè)單體進(jìn)行檢測(cè)，用來(lái)判斷電池是否處在正常的工作狀態(tài)。

圖1　電池管理系統(tǒng)的整體框架

2　參數(shù)采集模塊

在電池管理系統(tǒng)中，電池參數(shù)采集系統(tǒng)擔(dān)任著電池組運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)的采集的任務(wù)，需要及時(shí)、準(zhǔn)確的將各個(gè)單體的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)傳回到STM32控制器。本設(shè)計(jì)中采用AD7280電源管理芯片實(shí)時(shí)的采集信息并且傳到單片機(jī)中進(jìn)行處理。AD7280采用SPI總線通訊方式，其中內(nèi)置了對(duì)電動(dòng)汽車所用疊層鋰電池進(jìn)行通用監(jiān)控所需的主要功能，AD7280具有多路復(fù)用電池電壓和輔助ADC測(cè)量通道，可以測(cè)量每個(gè)單體電池的電壓，單節(jié)電池的電壓不能超過(guò)5V，單塊AD7280最多可以測(cè)量6個(gè)單體電池，輔助ADC可以通過(guò)測(cè)熱敏電阻兩端的電壓來(lái)測(cè)單體電池的溫度?？梢酝ㄟ^(guò)菊花鏈級(jí)聯(lián)8塊AD7280，這樣最多可以測(cè)量48個(gè)單體鋰電池，ADC的分辨率為12位，可以滿足要求，實(shí)驗(yàn)證明采集48個(gè)單體電池的電壓只需要7us。

如圖2所示，由電源管理芯片AD728作為主芯片，VIN0至VIN6引腳間每相鄰兩個(gè)之間可放一節(jié)鋰電池，同過(guò)CB1引腳控制MOS管柵極的通斷，來(lái)控制電池的均衡充電；如上所述，CB2至CB6也是同樣的控制方式，后面的電路都是在第一級(jí)的基礎(chǔ)上疊加相同的電路，總共六路電池接口；AUX6、AUX5、AUX4、AUX3、AUX2、AUX1六個(gè)輔助AD采集端口分別采集6塊熱敏電阻上的電壓，熱敏電阻分別放在六塊單體電池上，通過(guò)電池上的溫度變化，使熱敏電阻阻值發(fā)生變化，AD7280通過(guò)變化熱敏電阻阻值導(dǎo)致引腳的電壓不同計(jì)算出溫度大小，采集到單體電池溫度信息。進(jìn)一步的，實(shí)際上需要用8個(gè)類似的電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，通過(guò)ALERTHI、SDIHI、CNVSTHI、SDOHI、SCLKHI、CSHI、PDHI這幾個(gè)引腳分別與后級(jí)的ALERT、SDI、CNVST、SDO、SCLK、CS、PD引腳相連形成菊花鏈，STM32單片機(jī)通過(guò)菊花鏈，對(duì)AD7280進(jìn)行寫命令和讀取數(shù)據(jù)。

圖2　STM32單片機(jī)控制單塊AD7280電路圖

以DS2788作為估算剩余電量和測(cè)量單體組的電流的主芯片，如圖3所示，整個(gè)電路通過(guò)PK+和PK-進(jìn)行供電，正極和負(fù)極與電池兩端進(jìn)行連接，STM32處理器通過(guò)單總線從DATA口讀取數(shù)據(jù)。首先需要通過(guò)廠家提供的DS2788上位機(jī)將充滿的一節(jié)電池進(jìn)行完全放電記錄下單體電池的總電量，然后就用STM32處理器通過(guò)單總線讀取剩余電量并檢測(cè)流過(guò)的電流。

圖3　DS2788外圍電路圖

電池參數(shù)采集系統(tǒng)如圖4所示，由主控芯片STM32處理器控制8個(gè)AD7280和DS2788級(jí)聯(lián)對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把采集到的信息傳個(gè)STM32單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖4　電池參數(shù)采集系統(tǒng)的框圖

3　充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

充放電系統(tǒng)主要采用的是以雙向DC-DC模塊為核心，通過(guò)STM32處理器的指令控制，與電流檢測(cè)模塊、繼電器切換電路進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。其系統(tǒng)框圖如圖5所示，該雙向DC-DC模塊選用開關(guān)電源常用的脈寬調(diào)制芯片作為電源管理芯片，電池充電時(shí)通過(guò)電源連接繼電器切換模塊，繼電器切換模塊通過(guò)STM32處理器器控制，切換到充電模式，再經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)模塊2把電流信息傳回STM32處理器，再通過(guò)雙向DC-DC模塊把電能通過(guò)電流檢測(cè)模塊1，輸送給電池組進(jìn)行充電；電池放電時(shí)是由電池組通過(guò)電流檢測(cè)模塊1，再與繼電器切換模塊相連接，如上所述切換到放電模式，通過(guò)放電部分與電流檢測(cè)模塊2相連接，把電能輸送給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)鋰電池充放電的管理。在雙向DC-DC模塊的反饋控制中采用的是PID算法，能夠使輸出的電壓或電流處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5　充放電模塊框圖

充放電均衡電路如圖6所示，使用AD7280芯片的內(nèi)部的MOS管控制器，通過(guò)CB引腳，控制MOS管的通斷。當(dāng)電池出現(xiàn)充滿的情況下，AD7280的CB引腳將控制MOS管導(dǎo)通，該電池則不會(huì)繼續(xù)充電。在放電過(guò)程中，當(dāng)單體電池電量明顯高于其他電池時(shí)，則控制MOS管導(dǎo)通，該單體電池加速放電，從而保證了各單體電池在充放電時(shí)基本均衡，延長(zhǎng)了電池組的使用壽命。

MOS管控制器集成在AD7280芯片里面，不需要額外的電路，使電路變得簡(jiǎn)單，縮小了電路板的面積。

圖6　電池充放電均衡電路

4　遠(yuǎn)程管理模塊

本系統(tǒng)采集和處理的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的狀態(tài)都會(huì)顯示在車載顯示屏上。若駕駛位上沒有人，當(dāng)警報(bào)出現(xiàn)時(shí)，不能及時(shí)的排除故障，這樣就可能造成電源的損壞。為了解決上述問題，本系統(tǒng)還添加了遠(yuǎn)程控制功能。

遠(yuǎn)程控制終端原理如圖7所示，由信號(hào)接收端、網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)站、控制終端三部分組成。汽車的整車處理器將信息傳給3G/4G通訊網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)英特網(wǎng)將信息傳送給控制終端，控制終端將接收的信息在人機(jī)操作界面上顯示，如有故障信息將進(jìn)行報(bào)警。在管理人員按下人機(jī)交互界面上的遠(yuǎn)程管理按鈕，控制終端就會(huì)將故障信息通過(guò)英特網(wǎng)傳給智能手機(jī)，遠(yuǎn)程管理人員可以根據(jù)傳過(guò)來(lái)的信息來(lái)了解汽車的信息，便于汽車鋰電池后期的維護(hù)和管理。

圖7　遠(yuǎn)程控制終端原理框圖

5　總結(jié)

在本設(shè)計(jì)中電源管理芯片選用的是ADI公司的AD7280芯片，它主要完成數(shù)據(jù)的采集和均衡充放電控制，本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、故障分析、剩余電量（SOC）估算、電池均衡充電、電池充放電管理、終端控制和遠(yuǎn)程管理等功能，可以有效的實(shí)現(xiàn)鋰電池狀態(tài)的監(jiān)控。本設(shè)計(jì)的鋰電池管理系統(tǒng)仍然有很多的不足之處，還需要后期進(jìn)一步的完善。

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李改有（1993—），男，安徽池州人，大學(xué)本科，學(xué)士，主要研究方向：硬件電路設(shè)計(jì)與仿真、開關(guān)電源。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201510370094）。