純電動汽車電池電量顯示系統設計*

宮喚春

（燕京理工學院）

國家十三五規劃和中國汽車中長期產業規劃均明確要求大力發展節能環保的新能源汽車。純電動汽車（BEV）主要是利用電能驅動車輛運行[1]，是真正意義上的零排放汽車，所以BEV必定是未來汽車的主要發展方向。但是由于BEV中使用的電池組數量過多，如何合理分配能量使之既能夠保證電池組的安全又能夠保證BEV續駛里程的增加是目前研究的熱點問題[2]。因此，合理地設計BEV的電池電量顯示系統，準確地監測電池組狀態對分析提高BEV續駛里程有著至關重要的作用。文章以C8051F040單片機為核心設計了1套BEV電池電量顯示系統用于監測電池使用狀態，為提高BEV的綜合性能奠定了基礎。

1　基于單片機的電池能量顯示系統的總體設計

1.1　總體設計方案

文章設計的BEV電池電量顯示系統主要包括鋰電池模塊、模擬量參數采集模塊、電量檢測模塊、中央處理控制模塊及LED顯示模塊。電池電量顯示系統流程，如圖1所示。圖1中的鋰電池模塊和模擬量參數采集模塊主要是將BEV車載鋰電池電量的模擬信號轉變為數字信號輸入到單片機控制系統進行分析、計算及處理。鋰電池相關性能參數[3]眾多，但影響比較大的主要是電流、電壓及溫度3個參數，主要用于監測電池組中每個電池電流的一致性，保證電池組的綜合壽命，電壓大小直接影響BEV的動力性能指標，溫度用于確保電池組使用過程中的安全性。電量檢測模塊主要用于檢測車載電池組的電量信號并將該信號傳輸到電量顯示模塊中，以提示駕駛者及時發現BEV電池組狀態并進行及時檢測。

圖1　純電動汽車電池電量顯示系統流程圖

1.2　單片機模塊選取

BEV電池電量顯示系統所選用的單片機為C8051F040，該型號單片機具備CAN數據通訊功能[4]，是一種高效集成性的單片機，主要采用高速流水線結構，具有防破解的保護功能，處理速度可以達到100 kB/s，具有豐富的內存和I/O接口部件，具體結構，如圖2所示。

圖2　C8051F040單片機結構圖

C8051F040單片機主要由高速微控制器內核、數字輸入輸出接口（I/O）及模擬外設模塊3個部分組成。單片機中的電源電壓監控裝置用于顯示電池組電量，溫度傳感器用于監測電池使用過程中的溫度，便于監控電池組的使用安全性。還有一部分是安全保護電路，用于保證單片機高效運行，確保系統穩定性。

2　系統模塊的設計過程

2.1　電量檢測模塊設計

電量檢測模塊是電池電量顯示系統的重要部件，主要負責完成BEV運行時電量輸出的穩定性及對整車電量使用情況進行監測，因此，電量檢測模塊工作時需要單片機提供12 V的穩定電壓，該電壓由BEV車載鋰電池提供。圖3示出電量檢測模塊電路。該電路主要是通過DC/DC轉換獲取供電電源，并能起到抗噪聲及信號干擾的作用。

圖3　電量檢測模塊電路圖

2.2　電壓檢測電路設計

電壓檢測電路，如圖4所示。由圖4可以看出，該電路主要通過電容、電阻及場效應管（NMOS）共同組成集成電路，起到自動平衡的作用。電路分成兩部分：一部分是單體電壓的測取電路，另一部分是所有電池組電路自我平衡的均衡電路。圖4中的BATn+1和BATn[5]是電路輸入端口，反饋電阻的作用是防止系統電流過載，同時檢測單體電池電流大小，用于分析電量的一致性。當電池組充電結束或者單體電池電壓過高時，NMOS閉合，并將過高的電流分流，防止電池過充電，確保電池電量的一致性。

圖4　電壓檢測電路圖

2.3　電流檢測電路設計

電流是反映電池工作狀態及容量的重要參數，用于顯示目前車載電源的剩余電量及還能夠驅動BEV續駛的里程數量。因此，對電流檢測模塊系統的設計有很高的要求，必須既能夠屏蔽干擾信號又能夠準確地顯示電量剩余情況信息，能夠完成這個功能的部件是電流傳感器。目前應用的電流傳感器種類較多，在選用電流傳感器時遵循經濟成本適中、信號精度高及抗干擾能力強的優先選用原則。選用的電流檢測傳感器是FL-2型電流傳感器，測量電流范圍是75 mA～100 A，該傳感器上還裝有溫度感應器，能夠完成環境溫度的檢測，電流傳感器電路，如圖5所示。

圖5　FL-2型電流傳感器電路圖

3　仿真試驗分析

文章設計的電池電量顯示系統主要用于顯示電池組電量及電源狀態參數，需要將可視化界面與顯示系統進行融合設計。因此，設計的電池組電量顯示系統采用MATLAB語言編寫單片機程序，MATLAB軟件編程過程簡單、語法要求不高且數據庫眾多，特別是可以進行可視化設計，因此與文章的系統非常吻合。以某型號BEV為例，利用文章設計的系統檢測了電池電量。某型號BEV的10個電池組電量顯示仿真試驗，如圖6所示。

圖6　某型號BEV的10個電池組電池狀態仿真試驗顯示界面

從圖6可以看出1～10組各單體電池的電量狀況是否一致，以確保電池使用的一致性。同時還顯示出電池組的剩余電量，用于顯示該車的電池組電量還能驅動BEV續駛里程數，保證BEV的安全可靠使用。圖6還顯示出機組溫度和單片機溫度，用于顯示系統在工作時的狀態，確保系統高效工作。若系統出現故障會及時報警以便進行檢修。

4　結論

BEV的電池組電量對汽車綜合性能有著非常重要的影響，文章設計了一套基于單片機系統的電池組電量顯示系統，用于顯示BEV行駛過程中電量使用情況，確保BEV安全行駛。并對電量、電壓及電流檢測系統進行了介紹，最后以某BEV為例對電池組電量進行了仿真測試，結果表明文章設計的系統能夠準確地顯示電池組狀態，檢測精度較高，穩定性較好。