電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏浩，楊傳升，楊雪銀，趙航，時(shí)永豪

電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏浩，楊傳升，楊雪銀，趙航，時(shí)永豪

（臨沂大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

文章設(shè)計(jì)了一款以STM32為核心的電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)。采用安時(shí)積分法估算SOC值，通過均衡控制電路使各單體電池的充放電電壓趨于一致。調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各單體電池間電壓均衡，有效提升了電池的使用效率與壽命。

蓄電池組；SOC估算；均衡控制

1 研究意義

隨著石油儲(chǔ)量的減少和環(huán)境污染的加劇，燃油汽車終將退出歷史的舞臺(tái)。電動(dòng)汽車由于無污染、高性能等優(yōu)點(diǎn)，必將成為今后汽車發(fā)展趨勢[1,2]。現(xiàn)今蓄電池制造技術(shù)發(fā)展迅速，各種高性能的電池不斷涌現(xiàn)，如鋰離子電池，鎳氫電池等。但在我國，大多數(shù)電動(dòng)汽車依然應(yīng)用鉛酸蓄電池，因此本文以鉛酸蓄電池為研究對象。

鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)壽命為5-8年，但由于在使用過程中存在過熱、虧損等問題，不但加劇了虧損蓄電池使用壽命的減少，同時(shí)也影響性能好的蓄電池的使用壽命，致使蓄電池使用2-3年即報(bào)廢。因此，必須設(shè)計(jì)良好的電池管理系統(tǒng)對蓄電池性能參數(shù)在線實(shí)時(shí)檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更換故障電池，使電池組始終處于良好的工作狀態(tài)。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測充放電電壓、電流和溫度等參數(shù)，并利用安時(shí)積分法對電池的SOC值進(jìn)行在線估算，以提高電池組的使用效率，延長其使用壽命。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本檢測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊構(gòu)成。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取電壓、電流、溫度等信號(hào)，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分析與處理，同時(shí)微處理器將分析結(jié)果發(fā)送給控制模塊，從而對系統(tǒng)進(jìn)行均衡控制和管理。電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以32位嵌入式單片機(jī)STM32F103ZET6為控制核心。該單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司推出的一款超低功耗32位微處理器，工作頻率高達(dá)72MHz。片內(nèi)具有64KB的SRAM和512KB的閃存，以及多達(dá)112個(gè)快速I/O端口。

圖1 蓄電池檢測系統(tǒng)原理框圖

3.1 電壓采集電路

本檢測系統(tǒng)需采集單體電池電壓和整個(gè)電池組的電壓。

單路電池電壓的采集選用Linear公司的LTC6802電池狀態(tài)檢測芯片，其可在13ms內(nèi)完成多達(dá)12節(jié)串聯(lián)電池的電壓測量。該芯片內(nèi)含精確的電壓基準(zhǔn)、高輸入的多路復(fù)用器、12位的ADC。同時(shí)，還有2路熱敏電阻輸入，用于檢測電池組工作時(shí)的溫度[3-5]。LTC6802的應(yīng)用電路簡單，在此從略。

電池組總電壓的采集應(yīng)用電阻分壓法，通過同時(shí)采集電池組的最高電壓和最低電壓，由此計(jì)算兩者電勢差，從而得到電池組的總電壓。電池組電壓采集電路如圖2所示。

圖2 電池組電壓采集電路

3.2 電流采集電路

電流采集由霍爾電流傳感器完成，主要通過檢測霍爾元件兩端壓降從而計(jì)算出電流。主要由兩個(gè)運(yùn)算放大器TL072構(gòu)成電壓偏移電路和電壓跟隨器。電流采集電路如圖3所示。

圖3 電流采集電路

3.3 均衡控制電路

電池充放電過程中，各單體電池的電壓并不相同。當(dāng)單體電池電壓偏差超過50mV時(shí)，就會(huì)影響電池的使用壽命和采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，必須采取均衡措施，以減小電池間的電壓差，實(shí)現(xiàn)均衡充放電，從而延長電池使用壽命和提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

電池均衡控制電路有多種，本設(shè)計(jì)采用雙向非耗散型均衡電路。均衡控制電路如圖4所示。若電池BAT1電壓高于BAT2，上橋臂Q1導(dǎo)通時(shí)，BAT1給電感L1充電；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電感L1給BAT2充電，從而使兩個(gè)電池電壓平衡。反之，通過下橋臂Q2和D2的通斷，實(shí)現(xiàn)能量的反向傳遞。其它單體電池間也是相同的均衡電路，最終實(shí)現(xiàn)了各電池間電壓的平衡。

圖4 均衡控制電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 SOC估算

電池檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵在于SOC值的估算，從而估算剩余電量，以評(píng)估續(xù)航里程。SOC估算方法有多種，如開路電壓法、安時(shí)積分法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法等，本設(shè)計(jì)采用安時(shí)積分法。

安時(shí)積分法是將電池儲(chǔ)存的電荷量看作是線性系統(tǒng)，通過電流對時(shí)間的積累來估算電池剩余電荷量。其計(jì)算公式為：

式中：Q為額定容量；為庫侖效率。

4.2 軟件開發(fā)

電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、SOC估算子程序、均衡控制子程序和通信程序等。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的電動(dòng)汽車蓄電池檢測系統(tǒng)。通過采集電壓、電流、溫度等信息，采用安時(shí)積分法估算SOC值，對電池組進(jìn)行均衡控制。經(jīng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，各單體電池間電壓均衡，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，提高了蓄電池的使用效率和壽命。

[1] 吳雅莉,劉彥芨.現(xiàn)代汽車電池的研究和應(yīng)用[J].科技風(fēng),2019(11):11-13.

[2] 劉保杰,王艷.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化,2010,32(1): 60-62.

[3] 楊杰,唐煒.鉛酸蓄電池多參數(shù)在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2020,38(5):64-68.

[4] 舒澤芳,王娟.面向電動(dòng)汽車蓄電池組的狀態(tài)信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2018(36):129-130.

[5] 劉明忠,崔弘.嵌入式蓄電池SOC檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)與應(yīng)用,2014,40(9):58-61.

Design of Battery Testing System for Electric Vehicles

Xia Hao, Yang Chuansheng, Yang Xueyin, Zhao Hang, Shi Yonghao

( School of Mechanical and Vehicle Engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

This paper designs a battery detection system of electric vehicle with STM32 as the core. The SOC value is estimated by ampere-hour integral method, and the charging and discharging voltage of each battery in the balanced control circuit tends to be consistent. The test and experiment results show that the voltage balance between each cell effectively improves the service efficiency and life of the cell.

Storage battery; SOC estimate; Equalizing control

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.004

U469.72

A

1671-7988(2021)07-10-03

U469.72

A

1671-7988(2021)07-10-03

夏浩，就讀于臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院。