電動車電池管理系統(tǒng)設計

代仲

【摘要】：隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，蓄電池產(chǎn)業(yè)獲得了巨大的市場機遇，廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和人們生活的各個領域。對于同規(guī)格、同型號的蓄電池來說，由于制造工藝水平的限制和使用時管理方法不當，蓄電池單體不一致問題是不可避免的；在電池組使用中，單體電池不一致問題對電池組性能造成了很大的影響，尤其是電動車的電池組，一個單體電池壞了，整組電池要全部換掉，浪費嚴重，報廢嚴重，污染嚴重。蓄電池組壽命較短的原因主要是電動車啟動時蓄電池要大電流放電，造成電池過放，蓄電池充電時沒及時斷開充電器造成蓄電池過充。所以對電動車的蓄電池組進行合理有效地管理是當前急需解決的重要問題。

【關鍵詞】：電動車；電池管理系統(tǒng)；設計要點

1、導言

對于電動車產(chǎn)業(yè)而言，電動車能源供給系統(tǒng)是必不可少的子系統(tǒng)，一旦電動車動力電池電能消耗到某種程度，為了保持電動車的循環(huán)使用，就必須為電動車運行提供能量補給，即利用充電系統(tǒng)對其動力電池進行電能補充。充（換）電站的電池管理控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其智能化最重要環(huán)節(jié)，也是電動車產(chǎn)業(yè)化和推廣普及的關鍵條件，有益于電動車產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展。

2、電池管理系統(tǒng)結構

由于電池使用的特殊性，其管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)相比，要求布局布線簡單，可傳輸?shù)木嚯x遠，穩(wěn)定性和可操作性要求更高。按照此要求，本文設計的電池管理系統(tǒng)采用以下技術：借助GPRS技術進行數(shù)據(jù)傳輸，使得現(xiàn)場監(jiān)控采集器件能夠將采集的數(shù)據(jù)遠距離無丟失的傳輸，不增加傳輸布線，降低成本，提高系統(tǒng)使用的可行性；該系統(tǒng)采集模塊和處理系統(tǒng)之間采用C/S（客服端/服務器）系統(tǒng)架構，具有較高穩(wěn)定性和較快的反應速率，能夠對多個電池組數(shù)據(jù)同時管理，并保證采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)實時存儲到數(shù)據(jù)庫中；該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議和Socket通信技術，其安全性較高，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與用戶之間采用B/S架構，用戶可以方便地通過瀏覽器查詢和分析數(shù)據(jù)。

3、電動車電池管理系統(tǒng)設計要點

3.1電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)電池使用情況，數(shù)據(jù)庫主要由以下幾個表組成：電池組串的不可變信息表。該信息表含有每個電池單體單元數(shù)、型號以及位置等信息。這些信息在每個實際存在的電池組中都是一一確定的，不可更改。若它們被改變了，就說明該電池被替換，則必須更新數(shù)據(jù)表。為此，需要記錄建表時間；電池組串的可變基本信息表。該信息表的數(shù)值主要用于報警門限設定，這些數(shù)值可進行改變，表示的是歷史信息，用于電池出現(xiàn)故障或其他特殊情況下進行查詢分析。所以當這些數(shù)值改變，隨之應建立一個新的信息表。對于電池組串，其可變基本信息包含：電池電壓上限報警（一般報警和緊急報警兩種門限）、電池電壓下限報警、電池內阻上限報警、電池內阻下限報警、電池溫度上限報警、電池溫度下限報警等信息；電池組串數(shù)據(jù)信息表。該信息表為電池組串數(shù)據(jù)表的核心部分。它主要記錄電池組串中各單體電池的電壓、內阻、溫度等若干信息。

3.2控制算法設計

3.2.1充電終止判斷方法

由于電池充滿電后若不及時停止充電，不僅會浪費電能源，還可能會對電池造成損害，不利于電池的維護，因此設計智能充電方案時必須考慮到該問題，使設計程序充滿電后對充電機進行合理的控制，確保在充滿電后電池管理系統(tǒng)能夠對充電做出指令停止充電。用電壓電流曲線斜率法對充電是不是已經(jīng)停止來判斷。這個方法把電壓曲線率是某個值的時候認為是終止。在如圖1所示中能夠知道電池在恒值電流的時候U增加的很快，中間是一個很平和的時間段，直到電壓改變到一定程度時，必須終止充電，否則可能出現(xiàn)過度充電的現(xiàn)象，A點是充電終止點。

圖1充斷電曲線

3.2.2智能充電控制流程

智能充電控制流程舉例如下：假設系統(tǒng)檢測電池組電壓和Uol，對應充電電壓曲線上的A，充電電流曲線上的B兩點，對應時刻為t1，那么此時智能充電系統(tǒng)就只需要按照t1以后的充電曲線（如圖2）對蓄電池進行充電直至正常充電結束，假設充電結束時刻為t2，則整個充電時間Δt=t1-t2，并做出記錄。

圖2智能充電曲線

智能充電系統(tǒng)在正常充電中，通過檢測蓄電池的狀態(tài)，可以判斷出在充電過程中蓄電池是否存在異常情況及極化現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，還能夠及時的采取修正措施。不僅如此，智能充電系統(tǒng)還能夠實時監(jiān)測蓄電池組的狀態(tài)，實時保護充電電路。

3.3軟件設計

3.3.1主控系統(tǒng)程序設計

主控制器采用TI的TMS320F28055做為主控芯片，對電池電壓和電池組溫度進行測量監(jiān)控，并且通過觸控屏和上位機對其進行監(jiān)控且對溫度報警上限和均衡電壓進行設置，上位機還具有對電壓數(shù)據(jù)趨勢曲線進行顯示和存儲的功能，方便對數(shù)據(jù)進行分析。主框架如圖3所示。

圖3系統(tǒng)主程序流程圖

3.3.2電池數(shù)據(jù)采集程序設計

為了對電池更好地管理，對電池的數(shù)據(jù)采集是最為重要的一部分。電池監(jiān)控芯片通過自帶的SPI功能與CPU之間進行數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸速率上面，LTC6804-1支持的最大波特率為1MHz。當系統(tǒng)上電后，電池管理芯片處于開始的休眠狀態(tài)，必須通過控制器給管理芯片發(fā)送芯片喚醒指令，通過指令喚醒管理芯片到工作狀態(tài)，當芯片喚醒后，對管理芯片進行相應設置，包括ADC采用頻率、均衡電壓等配置信息。為了確保檢驗通信成功，采用了讀取配置寄存器的方法來驗證是否通信成功，通過相應的程序來讀取單體電池的電壓并進行數(shù)據(jù)處理和轉換。

3.3.3電池監(jiān)控界面

控制器與觸控屏之間是通過串口B進行數(shù)據(jù)通信。通過觸控屏顯示每一節(jié)單體電池的電壓和電池組的溫度，對電池進行監(jiān)控，還可以通過觸控屏對電池組的參數(shù)進行設置，包括溫度上限、電壓上限、電壓下限、WiFi開關、CAN開關。顯示如圖4所示。如圖4所示，顯示部分包括12節(jié)單體電池的電壓、電池總電壓、電池最高最低電壓及其壓差、電池組溫度、WiFi連接狀態(tài)、CAN連接狀態(tài)、均衡狀態(tài)。狀態(tài)指示燈紅色燈表示工作狀態(tài)為關閉狀態(tài)，綠色工作狀態(tài)為正在工作中。

圖4觸控屏功能主界面

4、結論

總之，該文設計開發(fā)的電動車電池管理控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測各種運行參數(shù)、故障診斷報警和熱管理等功能，系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定可靠、安全運行周期長，并已在電動車研發(fā)廠家的電池管控系統(tǒng)設計得到較為廣泛應用，現(xiàn)相關研發(fā)單位與國家主管部門正積極制定技術標準規(guī)范，為優(yōu)良的電動車電池管理控制系統(tǒng)生產(chǎn)設計做好基石，也為電動車的推廣使用奠定了技術支持。

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