電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究

龐春虎

(河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院，河北石家莊050035)

汽車為人們的出行帶來了前所未有的便捷，但是也造成了石油資源嚴重損耗以及由此而產生的環(huán)境問題，電動汽車便由此進入到人們的視野之中。其實電動汽車最早在1873年由英國人羅伯特·戴維森發(fā)明，這比汽油發(fā)動機的汽車發(fā)明還要早十余年。但是汽油汽車轟轟烈烈地發(fā)展起來，而電動汽車卻在一百多年間鮮有發(fā)展，這其中最大的問題便是電池技術的限制。

隨著電池技術的跨越性發(fā)展，電動汽車行業(yè)迎來了發(fā)展的浪潮。本文通過研究整合現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)，深入分析其優(yōu)缺點，提出一套關于電池管理系統(tǒng)的設計方案。該方案主要包括電池信息的采集、主電路的保護和充電單體之間的均衡電路設計三部分，基本實現(xiàn)了對于汽車電池的管理，在一定程度上改善了電池的運行環(huán)境，降低了各種原因引起電池短路的概率，從而達到安全穩(wěn)定和提高壽命的目的。

1 電池管理系統(tǒng)的整體設計思路

電池管理系統(tǒng)之所以發(fā)展緩慢，是因為存在著許多困難，歸結起來主要包括：

(1)電池管理系統(tǒng)是一個跨學科的系統(tǒng)設計，包括電池化學試劑、現(xiàn)場控制設計以及現(xiàn)場通信的設計等；

(2)電池管理系統(tǒng)是一個有多變量影響的系統(tǒng)，除去現(xiàn)場突發(fā)變量的影響，還包括電壓、電流、溫度等影響；

(3)系統(tǒng)模塊之間具有強的連系性，耦合程度也高，最主要的影響就是一個現(xiàn)象的出現(xiàn)很有可能是多個模塊的共同影響；

(4)電池組的不一致性，每個電池即使出自同一個廠家，由于生產工藝的限制，各個電池也會出現(xiàn)一些微小的差別，而這些差別會在使用中被放大，最終造成電池電量的不均衡。

本文做出了針對性的設計，整體設計如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)整體設計

2 硬件電路設計

對于整個管理系統(tǒng)的設計而言，硬件電路設計是其核心部分。設計的主要任務是通過硬件電路實現(xiàn)對整個電池系統(tǒng)的管理控制，主要涉及了信息采集、數(shù)據(jù)的處理分析、電池的整體管理等環(huán)節(jié)。按照功能分類，該系統(tǒng)主要分為ECU控制單元、電池電壓電流的信息采集、對于主回路電路的短路保護和電池單體均衡電路四部分。

2.1 ECU控制單元

ECU控制單元是整個系統(tǒng)的控制處理核心。本設計采用XC164微控制器對系統(tǒng)進行控制，主要完成的任務為：接收到溫度、電流電壓等物理信息并對其進行分析處理；對電池荷電狀態(tài)(SOC)的估算，分析剩余電量；發(fā)送運行命令進行控制以及實現(xiàn)通信。由于控制單元整體模塊化，在此不做詳細的電路說明。

2.2 電池電流和電壓采集電路

電流的大小是檢測電池容量的主要參數(shù)，本設計的電流采集電路要實現(xiàn)高精度、高抗擾性、零漂移的目的。為了實現(xiàn)這個目的，需要選擇一個合適的電流傳感器，通過對市面上的大多數(shù)電流傳感器進行分析對比，采用具有軍工技術與制造工藝的FC-2分流器。該分流器具有滿足復雜工作環(huán)境、價格相對便宜、耐高溫、受溫度影響小以及測量電路相對簡單的優(yōu)點[1]。

電流采樣電路的設計中分流器置于主回路之中，通過采樣放大電路對微弱電壓信號放大采集，并通過ADC實現(xiàn)數(shù)模轉換后送往微處理器進行分析處理。具體的采樣放大電路如圖2所示。

圖2 電流放大檢測電路

電壓的采集電路與電流采集電路的原理類似。值得一提的是，與普通的電壓采集電路不同，該電壓采集電路是針對一個串聯(lián)的電池組進行數(shù)據(jù)采集，在設計過程中用到了多路電壓采集技術。

2.3 供電主回路短路保護電路

在汽車的電池管理系統(tǒng)之中，由于汽車內溫度較高，并且平時維護可能不及時，容易造成汽車電路的潛在危險，嚴重的線路短路極易引發(fā)汽車自燃。針對這一問題，本設計在供電主回路中添加了短路保護系統(tǒng)，將可能發(fā)生的危險降到最低。

本設計使用微控制器以及外圍電路設計了短路保護電路，避免因短路對氣體電子設備造成傷害。短路保護電路的設計原理為：當整個保護電路中運行正常、沒有短路現(xiàn)象時，三極管中沒有電流通過，只起隔離作用；而當電路運行不正常、有短路現(xiàn)象發(fā)生時，三極管導通，與三極管相連的電阻有電流通過，從而使Ne555的工作狀態(tài)為單穩(wěn)態(tài)，這樣就會發(fā)送脈沖信號給微控制器。微控制器經過處理分析信號，從而關閉供電電路。具體的電路設計如圖3所示。

2.4 電池單體均衡電路

圖3 供電主回路短路保護電路

供電系統(tǒng)中并不是一塊電池，而是很多塊電池串聯(lián)而成的電池組。受到制造工藝的影響，每塊電池之間總會存在這樣那樣的差別從而造成存儲、放電過程的不均衡性，一方面對電池很容易造成損害，另一方面還會使整個供電系統(tǒng)越來越脆弱。為了解決這一問題，就要對電池組進行均衡化設計。

該設計的原理是將高電量電池中的能量轉移到低電量的電池中去，實現(xiàn)電量的均衡管理。主要方法是利用一個變壓器系統(tǒng)，變壓器的初級線圈和次級線圈分別連接到電池組和電池單體上，從而實現(xiàn)電量的轉換。具體的電路設計如圖4和圖5所示。

圖4 初級線圈電路設計

圖5 次級線圈電路設計

3 總結

電動汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本設計對現(xiàn)有的電動汽車電池管理系統(tǒng)進行了整合分析，設計出一套相對更加高效的電池管理系統(tǒng)，系統(tǒng)中既包括電池信息的采集，還包括電路保護功能，提高了電池組的工作可靠性，從而保證電動汽車的安全運行。

[1]潘磊，姜久春，李景新，等.電動汽車智能無源接地檢測裝置的研制[J].電氣傳動自動化，2003，25(4)：47-50.