基于主動均衡的純電動汽車電池管理系統的研究

杜振新，高飛飛（.長安大學汽車學院，陜西 西安 7006；.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 33003）

?

基于主動均衡的純電動汽車電池管理系統的研究

杜振新1，高飛飛2
（1.長安大學汽車學院，陜西 西安 710061；2.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031）

摘要：采用主從式結構設計了一種基于主動均衡的純電動汽車鋰電池管理系統，實時檢測動力電池的各種運行參數:總電壓、總電流、電池SOC、單體電壓、電池包溫度。硬件方面設計了可調恒流源和高效的主動均衡拓撲電路，提高了均衡電流和均衡效率。

關鍵詞：電池管理系統；主動均衡；均衡拓撲電路

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-134-03

互聯網的發展為企業發展帶來了有利的一面，但同時網絡安全也引起了人們的關注。企業通過網絡作為媒介進行財務管理，就存在了相當大的安全風險。如果財務管理的機制有漏洞，可能會導致企業受到嚴重的經濟損失。因此要健全風險管理機制，及時的規避因互聯網網絡安全問題造成的損失。

1、研究背景

能源枯竭，環境污染，已經成為當前社會急需解決的問題，世界各企業和汽車生產大國都在開發電動汽車[1]。這就需要電池管理系統。目前電池管理系統具有以下基本功能：（1）數據采集：采集電池總電流、監測點溫度以及單體電壓等；（2）剩余電量（SOC）估計：估計方法有安時計量法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、模糊預測法等；（3）充電控制：單體之間的不一致性會導致充電的不均衡，影響電池的壽命和安全，所以提高單體一致性尤為重要[2-4]；（4）安全管理：包含熱管理和故障診斷；（5）數據通信：實現模塊間和整車之間的數據通信。目前均衡管理存在的顯著問題有均衡拓撲電路效率低，均衡電流小。

2、系統硬件設計

本文設計了全新的電池管理系統，由主控板和均衡采集板構成。每塊均衡采集板主要負責采集12節電池的單體電壓、2個電池包溫度監測點溫度、對電池包的電池進行均衡管理和向主控板做數據通信。主控板主要負責采集母線總電流、計算電池總電壓、計算SOC、控制充放電繼電器、與整車ECU通信和BMS故障處理等。

單體電池的電壓是均衡系統實現主動均衡的重要依據，單體電壓值和溫度信息經過均衡采集板的CAN1總線發送給BMS。BMS根據收到的信息來評估電池的工作狀態，將異常情況及時反饋給用戶，并且斷電來保護電池包。LTC6803通過電阻和電容的RC濾波連接到電池增加采集精度，最后通過Cx引腳連接到LTC6803的采集引腳。

2.1.3恒流源模塊

2.1.1LTC6803電壓和溫度采集模塊

本均衡系統的均衡電路拓撲結構以MOS 管為開關器件，大電流二極管為單向電流控制器件的可控大電流主動充電回路的設計與實現。原理圖如下圖1所示。如果在整個電池組中BAT16 電壓最低需要進行補充充電，則控制電平將下端P型MOS管Q40和上端N型MOS管導通充電電流依次通過Q40，D40，BAT16，D28，Q28形成為電池BAT16進行充電的回路，給電池BAT16 進行補充充電。為了防止MOS管被擊穿時電池短路或恒流源短路，我們在各分支加入了大電流二極管。這個設計能夠實現即使控制電路失效也不會因附加該電路引起電池組短路危險。

2.1均衡采集板硬件總體設計

從馬克思歷史哲學視野分析和把握馬克思以“世界歷史”理論形式闡發的全球化思想，其內在邏輯理路主要體現為三個有機統一的層面:

主控板采用ST公司的STM32F207VET6處理器；采用低功耗實時時鐘芯片DS1302保證時間的精確度；采用標準SDIO接口協議進行快速實時存儲?？傠娏鞑蓸舆x用閉環型霍爾電流傳感器，采集正負電流信號，再轉換成0-3V的電壓信號?；魻杺鞲衅骺梢援a生-15V~+15V的感生電動勢，經過LM358的一級運放電路縮小10倍，再經過第二級的加法器將-1.5V~+1.5V變為0-3V。

2006年，中國美院副院長主持的杭州市城市色彩規劃研究也公布了結果。此研究把灰色定為杭州城市的主要色調，同時總結出了城市色彩的總譜。選擇灰色主要是想將杭州打造成水墨江南。重慶大學城市建筑與規劃學院通過幾年的研究，也完成了重慶城市色彩的規劃，重慶主城區城市色彩以淡雅明快的暖灰色為主要色調，輔助以局部的冷灰色調。

圖2　恒流源電路

均衡采集板要能夠以高精度采集單體電池電壓和電池包監測點溫度，為了實現高效的均衡管理，應具有可控高效地均衡拓撲電路和較大的均衡電流。均衡采集板從功能上講，它主要分為以下模塊：MCU控制電路、電源模塊、CAN通信模塊、LTC6803電壓和溫度采集模塊、主動均衡拓撲電路模塊和恒流源模塊。接下來我們詳細介紹均衡采集板的主要功能模塊。

恒流源原理圖如圖2所示，工作原理：檢測電阻R151的分壓經運放LM358的一級運放放大24倍，然后經過LM358第二級運放的比較電路，和可調電阻J1端子2的分壓IN2-作比較，最后將比較結果的電平經過反饋引腳FB傳遞給XL4016。XL4016根據FB的電壓信號來進行開關。若電壓信號低于0.8V，則XL4016芯片開啟；若電壓信號高于3.3V，則XL4016芯片關閉。最終通過XL4016的不斷開關和電感配合形成恒流源。通過調節J1端子2的分壓改變比較電路的輸入電壓閾值從而可以調節恒流源的電流大?。?-6A可調）；通過調節可調電阻J2電阻大小便可以調節恒流源的輸出電壓值。

2.2主控板硬件設計

主控板硬件電路從功能上分為以下模塊：CAN通信模塊、充放電繼電器控制電路、TF卡存儲電路、實時時鐘電路、母線電流采集電路。

約1 400 ℃熔融態粗鎳鐵合金由側吹爐另一端兩個放出口中的一個定期放出鑄錠外賣，金屬放出口采用泥炮開口機。

2.1.2主動均衡拓撲電路模塊

3、系統軟件設計

3.1均衡采集板軟件設計

均衡采集板系統上電完成各模塊的初始化，然后循環的進行電壓溫度采集、均衡處理和CAN1通信子程序。(1)采集子程序由均衡采集板主控MC9S08DZ60向LTC6803發送電壓采集命令，LTC6803采集12塊鋰電池的單體電壓和電池包溫度，并發送給主控ECU。(2)均衡處理子程序找出8次采集中電壓值最低的單體電池的位置，如果它比最高單體值小0.01V，主控ECU控制相應的充電回路導通，給欠壓的鋰電池均衡充電，反之則不做主動均衡。(3)CAN1通信子程序負責均衡采集板采集的電壓、監測點溫度并發送給主控板。

3.2主控板軟件設計

由表8及圖3可以看出，針對不同胎體材料或切削齒，存在最優的焊接材料，可以獲得較高的焊接強度，對于列舉的這幾種胎體材料而言，其可焊性大致可排序如下：R6>R1>R10>PDC>W1。但焊接強度最高值與最低值有時會相差很大，如R6測得值，相差74%。對比其斷面圖的顯微照片(圖4)可以看出，較高焊接強度值的焊接斷面呈現平整光亮的金黃色，而較低值焊接強度的斷面含部分黑色氣孔，這些氣孔內部似乎存有焊劑殘渣或雜質，由此可見，火焰焊接的焊接接觸面必須進行打磨噴砂脫水等表面預處理，否則會嚴重影響焊接質量。

主控板系統上電完成各模塊的初始化，然后循環地進行母線電流采集和計算SOC、CAN1通信、CAN2通信、數據存儲和故障處理等子程序。(1)主控板結合母線電流和電池電壓估算電池SOC；(2)CAN1通信子程序主要負責接受每塊均衡采集板發送的電壓、監測點溫度等數據；(3)CAN2通信子程序主要負責與整車ECU發送數據，并且在汽車充電時發送指令給充電機；(4)數據存儲子程序是將電池運行的歷史數據進行記錄；(5)故障處理子程序負責判斷出電池的故障情況，包括電壓過高、電壓過低、過流、過溫、電池不均衡、不匹配、CAN總線故障等方面。

根據任務要求，首先進行航線設計，設計完成后將航線信息以及拍照點坐標信息導入無人機導航和控制系統。其次在測區內架設一臺GPS基準站，設置1s的數據更新間隔對GPS星座進行觀測，航飛攝影時，無人機機載GPS接收機在攝像機拍照瞬間進行GPS定位。最后通過配套后處理軟件進行解算，得到無人機拍照瞬間機載GPS的高精度坐標信息。

4、實驗

實驗中采用SP-LFP200AHA型200Ah磷酸鐵鋰電池，充放電高壓箱，5KW/1Ω放電電阻，82.6V/30A/2KW充電機。測試采用12節鋰電池串聯的電池組，然后分別將放電電阻和充電機經充放電高壓箱連接到電池組。主控板和均衡采集板均掛載到CAN1總線上，主控板連接到高壓箱的充放電繼電器和霍爾電流傳感器，并對其進行充放電控制；均衡采集板經采集線束接口和均衡線束接口連接到電池組，最后把均衡電流調節至4A。

表1　均衡前后單體電壓值

均衡實驗經過9個小時的主動均衡，單體電壓值前后數值如表1所示，從結果數據可以看到第1節最低電壓值升高到了3.301V，第5節電壓值升高到3.301V；最高單體電壓與其它單體電壓差值都小于0.01V，且均衡前電壓均方差3.9417e-05，均衡后電壓均方差下降到8.2431e-06，實驗說明該主動均衡系統能夠提高電池單體電壓的一致性，有良好的均衡效果。

5、結論

本文設計的純電動汽車電池管理系統,通過試驗平臺驗證具有:實時檢測電池各種運行參數、主動均衡效率高、均衡電流大、充電機實時控制、故障診斷，而且系統穩定可靠，可以提高電池的安全性、一致性和使用壽命。

參考文獻

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

[2]王峣.電動車電池一致性配組技術[J].電器工業,2002,(06):010.

[3]劉富強. 電動汽車電池均衡充放電系統的研究與設計[D].北京:北京交通大學.2013.

[4]陳志.電動汽車電池均衡技術的研究[D].南京:南京航空航天大學,2014.

Research on battery management system of blade electric vehicles based on active equilibrium

Du Zhenxin1, Gao Feifei2
( 1.School of Automotive, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710061; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Jiangxi Nanchang 330031 )

Abstract:An active equalization lithium battery management system (BMS) is based on a master-slave structure, it can monitor kinds of operating parameters of the power battery in real time such as total voltage, total current, the state of charge(SOC), single cell voltage, and temperatures of battery package. We design an adjustable constant current source and a new active equalization topology circuit to increase equalization current, improve equalization efficiency.

Keywords:battery management system; active equalization system; equalization topology circuit

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-134-03

作者簡介：杜振新，就讀于長安大學汽車學院。