基于集中拓?fù)涫娇偩€的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐洋, 羅東，張同鑫

(重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

目前，純電動汽車一般采用大量鋰電池串聯(lián)成電池組，以解決電池容量不足的問題。但是在電池組長期使用中，串聯(lián)電池組會呈現(xiàn)電池一致性惡化的現(xiàn)象。如果電池不一致性較大，則會造成電池單體嚴(yán)重過充、放電,進(jìn)而導(dǎo)致電池被嚴(yán)重?fù)p壞[1]。所以為了提高電池利用率,通過電池管理系統(tǒng)嚴(yán)格管理電池是非常必要的。作者設(shè)計(jì)了一種集中式拓?fù)淇偩€結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng),以Freescale公司MC9S12XET256MAL單片機(jī)作為主控芯片，采用集中式的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)時檢測電池電壓、電流、溫度等電池基本參數(shù)，結(jié)合開路電壓、安時積分以及卡爾曼濾波器進(jìn)行SOC(State of Charge)估算，同時采用雙路CAN總線作為系統(tǒng)的通信模塊，對鋰動力電池進(jìn)行了有效管理和控制。

1 電池管理系統(tǒng)的基本功能

電池管理系統(tǒng)(Batteny Management System,BMS)的主要功能就是電池基本信息的檢測與狀態(tài)估計(jì)，從而保證電池系統(tǒng)的安全，延長電池使用壽命，并向整車報告電池信息，為整車控制提供依據(jù)[2]。具體來說有:

(1)實(shí)時檢測電池的電壓、溫度、電流等基本參數(shù)，及時反映電池狀態(tài)，分析電池故障，保障電池運(yùn)行時的安全性和穩(wěn)定性[3]。

(2)控制電池單元的均衡，使得電池組的一致性得以保證。

(3)通過估計(jì)算法來衡量電池狀態(tài):SOC、SOP(State of Power)、SOH(State of Health)。

(4)保護(hù)管理控制電池。

圖1展示了BMS電池組的結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以Freescale公司MC9S12XET256MAL為主控制器，利用其SPI、IIC、ADC、CAN等外設(shè)資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。同時在汽車復(fù)雜的電氣特性的環(huán)境下，模擬信號在采集時易受到電磁信號的干擾。針對這一特性，使用低通濾波電路來過濾高頻干擾信號[5]。對于器件之間的總線通信(如CAN總線通信、IIC通信、SPI總線通信)接口之間，通過光電隔離器件對通信接口電路中的干擾信號進(jìn)行隔離。圖2為電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架圖。

圖2 電池管理系統(tǒng)的硬件框架

2.1 電源管理

由于汽車內(nèi)部電路復(fù)雜，工況干擾情況多樣，對BMS電源設(shè)計(jì)的要求就比較高。電源模塊的額定工作電壓為12 V，BMS系統(tǒng)在9～16 V能夠正常工作，在高于或低于該范圍的供電電壓下不能產(chǎn)生危險，短時間(不超過20 ms)的欠壓(低于9 V)和過壓(高于16 V)不能導(dǎo)致保護(hù)和復(fù)位重啟。同時電源具備防反接保護(hù)功能。當(dāng)輸入電壓低于8.5 V時電源模塊會自動停止工作。經(jīng)過DC-DC電路處理過后，會產(chǎn)生12、5、5.1、3.3 V 4路電源,分別為相應(yīng)的模塊供電。為了保證BMS實(shí)現(xiàn)低功耗休眠功能，作者采用的MOSFET電路設(shè)計(jì)使BMS能夠?qū)崿F(xiàn)自我斷電、充電喚醒以及CAN喚醒功能。

2.2 檢測模塊

2.2.1 電流采樣單元

由于電動車驅(qū)動電源線中的驅(qū)動電流具有較大的交變振幅，因此頻譜更換速度更快，加上霍爾傳感器的工作原理本身的限制，導(dǎo)致量程較大的傳感器在測量小電流時誤差較大。為了得到更加準(zhǔn)確的電流值,此系統(tǒng)采用雙采樣范圍的LEM電流傳感器，其采樣范圍分別為：-30～30 A,-350～350 A。圖3是霍爾傳感器和單片機(jī)之間的電流采集電路。

圖3 電流采集電路圖

2.2.2 電壓采集單元

基于傳統(tǒng)信號采集技術(shù)使用分立元器件而帶來的硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量精度低、傳輸速度慢等諸多不良因素，此系統(tǒng)采用專用的電壓采集芯片LTC6803-2和相關(guān)外圍電路。LTC6803是Linear公司推出的一款電池監(jiān)視芯片，此款芯片可同時采集12節(jié)串聯(lián)電池的電壓信號，完成一次12節(jié)單體電池電壓采集的時間只需12 ms。4片級聯(lián)使用,采用單獨(dú)尋址方式，通過隔離器件實(shí)現(xiàn)電氣隔離。圖4簡略地展現(xiàn)了LTC6803-2采集單體電壓的電路連接圖。

圖4 單體電壓采集電路圖

2.2.3 溫度采集單元

由于LTC6803-2帶有溫度采集功能，故采用NTC(負(fù)溫度系數(shù),Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻和LTC6803-2自帶的溫度采集接口(每個LTC6803-2帶有兩路溫度采集接口)，完成電池包8個溫度點(diǎn)的采集。LTC6803包括兩個ADC輸入通道 (VTEMP1和VTEMP2)，與電池數(shù)組內(nèi)部的熱敏電阻(溫度系數(shù)通常約為-4%/℃)相連接，完成電池組2個溫度點(diǎn)信號的采集。如圖5所示，傳感器可直接由VREF供電(總電流高達(dá)60 μA)。

圖5 溫度采集電路圖

2.3 均衡模塊

系統(tǒng)采用被動均衡的策略，主要是能量耗散型，通過LTC6803-2上的一組Sn引腳，來控制MOS管的開關(guān)，MOS管導(dǎo)通后，電流通過電阻，已達(dá)到消耗電量的目的。Sn管腳的開啟和關(guān)閉是通過主控芯片發(fā)送控制指令給LTC6803-2來實(shí)現(xiàn)的。圖6為被動均衡電路。

圖6 被動均衡電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使軟件系統(tǒng)的魯棒性和擴(kuò)展性得以保證，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)11898、汽車工程師協(xié)會(SAE)J1939-11的國際標(biāo)準(zhǔn)。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用多任務(wù)的模塊化編程，主要包括信號檢測單元(電壓、電流、溫度)，充放電環(huán)境檢測,SOC在線估算，CAN總線通信以及均衡控制。圖7所示為終端的系統(tǒng)軟件流程圖。

3.1 信號檢測單元設(shè)計(jì)

信號檢測單元主要是包括電壓、電流、溫度信號的實(shí)時采集，其中電流信號是通過內(nèi)部ADC采集的，而電壓和溫度則是通過LTC6803-2采集，需要主CPU與電池IC之間進(jìn)行SPI通信,實(shí)現(xiàn)信號檢測控制。

圖8和圖9分別展示了LTC6803-2配置寄存器和讀取電池電壓的程序流程圖。

圖7 BMS的軟件整體流程圖

圖8 LTC6803-2配置寄存器流程圖

圖9 LTC6803-2讀取電池電壓流程圖

3.2 SOC實(shí)時估算算法

當(dāng)前有關(guān) SOC 估算的算法非常多,主要包括：直接測量法、安時積分法、開路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法[2]。各種方法都有缺點(diǎn)或者在實(shí)施上的問題，由電池容量定義而來的安時積分法能夠精確地計(jì)算SOC的變動量，但它的致命缺陷就是積分初值是不確定的，并且誤差也會隨時間逐步累及。運(yùn)用開路電壓能夠查表得到SOC，但開路電壓需要一段靜置時間，不適合應(yīng)用在汽車行駛過程中。卡爾曼(Kalman)濾波法的核心思想是對系統(tǒng)狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)，它能對初始誤差進(jìn)行修正收斂，對噪聲有很強(qiáng)的抑制作用，但是只應(yīng)用在線性系統(tǒng)環(huán)境下。

作者結(jié)合開路電壓和安時積分再由卡爾曼濾波進(jìn)行SOC估計(jì)。具體策略是：(1)在汽車剛啟動時,動力電池沒有滯回現(xiàn)象和超電勢現(xiàn)象[9]，此時采用開路電壓(SOC)法，利用OCV-SOC曲線查表可以得到精確的 SOC 初值；(2)這個初始的SOC值可以作為卡爾曼濾波器的初始狀態(tài)，卡爾曼的狀態(tài)方程由安時積分定義式來得到，而后利用卡爾曼濾波算法對SOC預(yù)測和更新，由于初始狀態(tài)值較為精確，使得卡爾曼濾波收斂速度加快，濾波器迭代次數(shù)減少，從而以較小的硬件計(jì)算量得到精準(zhǔn)的SOC估算值。

因?yàn)榭柭鼮V波是在線性系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)用，于是需要先對非線性系統(tǒng)屬性的電池實(shí)施線性化處理，即建立電池等效電路模型。圖10是電池的等效電路模型，文中采納一階RC等效模型(Thevenin模型)，其電池等效電路模型如圖10所示。

圖10 電池等效電路模型

圖10中電阻R0能反映電池恒流工作時的響應(yīng)特征，稱為歐姆電阻；電阻R1能夠反映電池內(nèi)部極化引起的響應(yīng)特征，稱為極化電阻；電容C1反映了電池內(nèi)部極化特征，稱為極化電容;UOCV表示電池的開路電壓，而U表示電池的端電壓。

系統(tǒng)把電流I作為輸入量,其正負(fù)分別為放電和充電，端電壓U作為輸出量，是可以直接測量的；選取SOC和極化電容兩端的電壓U1作為系統(tǒng)狀態(tài)量，將Thevenin模型等效電路做離散化處理，結(jié)合安時積分定義公式，得到適用于計(jì)算機(jī)計(jì)算的離散狀態(tài)方程式(1)：

(1)

選取檢測到的電池端電壓U作為觀測量，得出觀測方程(2)：

u(k)=uOCV[soc(k)]-u1(k)-i(k)·R0(k)+v(k)

(2)

下面是卡爾曼濾波的迭代過程。

預(yù)測階段：

前向推算狀態(tài)變量：

(3)

前向推算誤差協(xié)方差：

P(k|k-1)=A(k-1)P(k-1)AT(k-1)+Q

(4)

更新階段：

計(jì)算卡爾曼增益：

(5)

由觀測變量更新估計(jì)：

(6)

更新誤差協(xié)方差：

P(k)=[I-K(k)C(k)]P(k|k-1)

(7)

圖11為軟件設(shè)計(jì)SOC算法的程序流程圖。

圖11 SOC估算算法流程圖

4 系統(tǒng)測試

為了對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證，在BMS臺架上進(jìn)行硬件在環(huán)測試(Hardware-in-the-loop，HIL)，對電池包進(jìn)行充放電循環(huán)，可以得出系統(tǒng)所采集的電池數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表測的數(shù)據(jù)結(jié)果的對比以及誤差分析。

表1 電池組單體電壓檢測結(jié)果 mV

續(xù)表1

從表1中可以看出：對比實(shí)際數(shù)據(jù)，單體電壓檢測誤差不超過4 mV，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 電池組溫度檢測結(jié)果 ℃

從表2可以看出：電池包的8路溫度數(shù)據(jù)采集成功，其誤差小于1 ℃，在允許誤差(±1 ℃ )范圍內(nèi)。

為了更加直觀地觀察電池參數(shù)，使用C#語言編寫了專用的上位機(jī)，以便用來觀測數(shù)據(jù)并且可以設(shè)置BMS參數(shù)，例如參數(shù)標(biāo)定等。

圖12為上位機(jī)采集界面，通過實(shí)驗(yàn)得出BMS采集到的電池放電截止電壓為120 V，充電截止電壓168 V。圖13為放電實(shí)驗(yàn)過程中總電壓與SOC的變化曲線。

圖12 上位機(jī)顯示界面

圖13 總電壓與SOC變化曲線

5 結(jié)論

文中的電池管理系統(tǒng)以Freescale單片機(jī)為主控芯片，針對144 V的電池PACK進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，完成了對鋰動力電池組的基本參數(shù)采集(電壓、電流、溫度)，電池SOC估算，歷史數(shù)據(jù)存儲以及整車通信等功能。通過HIL和上位機(jī)驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本功能，同時對采集數(shù)據(jù)精度以及誤差進(jìn)行了測試，誤差和精度在正常范圍，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。該電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大地提高了電動汽車使用的安全性。

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