賈利軍 張亞梅

摘要：目前，電池管理技術(shù)是制約電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，本文根據(jù)電動(dòng)汽車目前采用的電池特點(diǎn)和要求，在常見的管理方案前提下，針對(duì)單個(gè)電池的電壓數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)，在整合數(shù)據(jù)、故障診斷、信息分析方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。可以在一定的傳輸速率前提下，完成對(duì)電池參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且通過主控制器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)定安全電壓和安全電流，保持電池網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的整體性和完整性，當(dāng)出現(xiàn)異常情況下可以立即斷開異?；芈罚瑢?shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車電池管理控制單元的有效控制。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 電池管理 控制單元

1 概述

20世紀(jì)以來(lái)，全球汽車工業(yè)的不斷發(fā)展導(dǎo)致地球環(huán)境惡化，各國(guó)都面臨著能源危機(jī)，環(huán)境污染的問題。這也促使了各個(gè)國(guó)家開始大規(guī)模投資在新科技、新能源領(lǐng)域，以解決目前的危機(jī)。在上個(gè)世紀(jì)90年代美國(guó)開發(fā)一批電動(dòng)汽車樣車，得到了廣泛的好評(píng)。電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控系統(tǒng)靈活，設(shè)計(jì)新穎出色，更重要的是對(duì)環(huán)境沒有任務(wù)污染物的排放。稱為目前代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料的汽油機(jī)和柴油機(jī)的最佳替代品。這也成為各國(guó)爭(zhēng)相開展電動(dòng)汽車技術(shù)創(chuàng)新的突破點(diǎn)。電動(dòng)汽車的核心部件就是動(dòng)力電池。為了維持一定的續(xù)航能力，保證電池在工作過程中的安全性，需要我們加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究，做好電池管理系統(tǒng)與汽車總線控制系統(tǒng)的銜接。

2 電池管理系統(tǒng)功能分析

電池管理的主要目的是能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車動(dòng)力電池的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以最大限度的使用電池能量，提高單位體積電池組的能量比；在提高蓄電池續(xù)航里程的前提下，增加電池的使用時(shí)間。目前，多數(shù)電池管理系統(tǒng)都采用集成化模塊，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池對(duì)于電池的使用安全性和穩(wěn)定性具有較高要求，因此，電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能直接影響動(dòng)力輸出與續(xù)航里程。為了滿足電動(dòng)汽車對(duì)電池管理的功能要求，我們從五個(gè)方面來(lái)說明電池管理系統(tǒng)的主要作用，見圖1。

由于動(dòng)力電池本身性質(zhì)的差異，以及在生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)的誤差，導(dǎo)致每一單格電池的存電量、輸出電壓、端電壓、端電流等出現(xiàn)不同程度的差異性。這些單格電池之間的差異會(huì)影響到整個(gè)電池組的電量輸出等關(guān)鍵參數(shù)，也對(duì)動(dòng)力電池組使用的時(shí)間有所縮短。隨著電動(dòng)汽車用電設(shè)備和部件的增多，要求電池管理系統(tǒng)不斷完善和增加部分功能，對(duì)電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步的優(yōu)化，使電池管理系統(tǒng)在功能上具有更大的擴(kuò)展性，在運(yùn)行上可以更加方便操作。

3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)后，將嵌入式平臺(tái)引入控制單元。對(duì)電池管理系統(tǒng)的運(yùn)行程序進(jìn)行調(diào)試后，總結(jié)該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

①集成性較高性能優(yōu)良的英特爾處理器，該處理器低功率損耗；②電池管理系統(tǒng)采用的先進(jìn)的Windows 系統(tǒng)，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與溝通；③系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展功能和內(nèi)部存儲(chǔ)功能，允許高層通信協(xié)議的運(yùn)行。④該系統(tǒng)能夠?qū)AN總線與RS232串行通信結(jié)合在一起，對(duì)電池管理實(shí)施綜合管理，構(gòu)成了兩種動(dòng)力電池不同管理方案。如圖2：

方案一：

■

圖2 電池管理系統(tǒng)方案一結(jié)構(gòu)圖

方案二：

■

圖3 電池管理系統(tǒng)方案二結(jié)構(gòu)圖

兩種電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案不同點(diǎn)在于，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信方式。第一種設(shè)計(jì)方案采用的是CAN總線通信技術(shù)，這種管理系統(tǒng)操作可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，也可以是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行通信，傳輸速率快，效率高，可以滿足不同電池組的控制系統(tǒng)。第二種方案的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)電路系統(tǒng)監(jiān)控板來(lái)與串行接口連接，一個(gè)電池組連接一塊監(jiān)控板，實(shí)施單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的管理模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理直接方便。數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確快速。但是，不能滿足多組電池同時(shí)管理的數(shù)據(jù)傳輸需求。

本系統(tǒng)按照方案二進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并不斷在完善功能。這種單一的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，依托嵌入式數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，將監(jiān)控板與采樣板用RS232串行接口連接，用來(lái)監(jiān)控電池電壓電流等數(shù)據(jù)，采樣板與主控制器之間采用1-Wire總線通信。

4 采樣板設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)中需要在第一時(shí)間將電池的工作參數(shù)采集到主控制單元中，這樣就要將采樣板直接設(shè)計(jì)為電池組的固定板上。相當(dāng)于電池組自我管理系統(tǒng)。電池采樣板中的核心部件是DS2770。這是達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種用來(lái)計(jì)算電池剩余電量的集成基礎(chǔ)電路。采樣板可以通過1-wire的數(shù)據(jù)接口將采集到的電池的各種參數(shù)信號(hào)傳遞到主控制器，并存儲(chǔ)到處理單元的存儲(chǔ)器中。

如果檢測(cè)控制系統(tǒng)內(nèi)部電流，則需要計(jì)算引腳S1和S2兩者之間在工作時(shí)的電壓之差。如圖4所示：

■

圖4 讀電流值流程圖

5 電池管理系統(tǒng)控制程序?qū)崿F(xiàn)

利電池管理系統(tǒng)的主要作用是對(duì)電池組進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和充電放電程序的控制。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)充電時(shí)可以對(duì)充電電流進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到控制器內(nèi)。鋰離子電池組管理系統(tǒng)采用的是嵌入式管理系統(tǒng)，可以堅(jiān)持單片機(jī)和采樣板的數(shù)據(jù)上傳到控制單元。圖5是對(duì)電池系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)過程，看以看出監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測(cè)單體電池的平均電壓、平均電流、平均溫度等參數(shù)。

■

參考文獻(xiàn)：

[1]KuchtaR， VrbaR . Measuring and Monitoring Systemfor Electric Cars，Diagnostics for Electric Machines， Power Electric and Drives[G].2003.4th IEEE International Symosum on 24 - 26 Aug.2003：342-344.

[2]A.Affanni，A.Bellini，G Franceschini，Guglielmi，and C.Tassoni，”Battery choice and management for new？generation electric vehicles，”Industrial Electronics，IEEE Transactions on，v01.52，PP.1343-1349，2005.

[3]GL.Plett，.Extended Kalman filtering for baRery management systems of LiPB-based HEV battery packs？Part 1.Background，Journal of Power Sources，v01.1 34，PP.252-261，2004.