陳耀陽

摘 要：隨著電動汽車發(fā)展的熱潮一浪卷一浪，我國電池管理技術(shù)趨于成熟?，F(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)鏈打通也為日后向更高層次的電池運(yùn)用管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為解決電動汽車電池管理系統(tǒng)的問題，研究了一種基于電壓、電流、溫度和阻抗的電池管理系統(tǒng)。首先，分析了系統(tǒng)工作原理，確定了蓄電池電壓和電流控制策略；然后，設(shè)計(jì)了一種新型電池充放電管理算法，并基于Matlab開發(fā)出了上位機(jī)軟件；最后，對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電動汽車 電池管理系統(tǒng) Matlab

1 引言

新能源車擁有可再生、零排放、運(yùn)營成本低的優(yōu)勢，目前已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。電池管理是新能源汽車的關(guān)鍵部分，同時也是所有汽車動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且電池管理系統(tǒng)（BMS）是電池管理中最為關(guān)鍵的組成部分。電池管理系統(tǒng)的主要目的在于保證電池在應(yīng)用環(huán)境中的最高效能，從而實(shí)現(xiàn)電池的安全應(yīng)用。這可能包括開發(fā)新的控制策略，監(jiān)測電池的健康狀態(tài)，并在必要時采取措施來保護(hù)電池免受過度放電或過充電的危害。

2 電池管理系統(tǒng)概述

2.1 電池管理系統(tǒng)的概念

電池管理系統(tǒng)作為電池與汽車之間調(diào)控的關(guān)鍵所在，電池如何工作完全取決于這個系統(tǒng)，他主要針對的是電池的使用壽命長短，存儲量的多少，安全性的高低，以及電車剩余續(xù)航的多少等等。電車在不斷的發(fā)展，人們對電車的要求越來越高，對此電車管理系統(tǒng)也增加了很多的功能來提高電車的續(xù)航。近年來，由于國家政策的推動，以及新能源本身的優(yōu)勢，以鋰電池為代表的電車越來越受到市場的關(guān)注，新能源汽車的使用對于減少大氣污染、減少溫室效應(yīng)、保護(hù)環(huán)境有著積極的意義。

2.2 電池管理系統(tǒng)的作用

電池管理系統(tǒng)的作用是監(jiān)控電池的電量和狀態(tài)，并根據(jù)電池的情況來調(diào)整電池的使用方式，以確保電池在最優(yōu)的工作狀態(tài)。例如，電池管理系統(tǒng)可以監(jiān)測電池的電壓和溫度，并根據(jù)這些信息來調(diào)節(jié)電池的充電速率，以免過度充電或過度放電。電池管理系統(tǒng)還可以提供一些保護(hù)功能，例如過流保護(hù)、過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)，以確保電池的安全運(yùn)行。

3 BMS系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了更好地控制動力電池，就要求我們的動力電池管理系統(tǒng)的分析處理能力更高，所以為了更好的管理檢測動力電池，我們就必須設(shè)計(jì)一種更適合于儲能應(yīng)用的動力電池管理系統(tǒng)。對此，為了適應(yīng)現(xiàn)代儲能管理系統(tǒng)對電池管理功能的要求，根據(jù)當(dāng)前各大主要電池管理系統(tǒng)對比于現(xiàn)在使用的幾款電力采集芯片，MC33771擁有更多的電流采集通道和在寬溫區(qū)域內(nèi)最高的電流檢測準(zhǔn)確度，同時利用菊花鏈通信的方法取消了較昂貴的數(shù)字隔離器，因此選擇了MCMC33771為模擬量流采集芯片。在各個控制器間也可以采用一個主控制臺進(jìn)行系統(tǒng)整體的操作與協(xié)調(diào)，這樣操作方式也就能夠達(dá)到一個系統(tǒng)對多節(jié)電池同時監(jiān)管的能力，也因?yàn)椴扇〉氖侵鳈C(jī)與控制臺之間互相結(jié)合的方法，這樣也能夠避免同一個控制臺間因?yàn)樘幚頂?shù)據(jù)的任務(wù)量過大，導(dǎo)致卡頓，進(jìn)而影響系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)的管理能力。而我們將通過三個框架來對其實(shí)施監(jiān)管的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1顯示。

3.1 BSU硬件設(shè)計(jì)

通過計(jì)算電阻我們可以算出電池的溫度，電池電壓的采集以及電池電路如何保持平衡如圖2所示。

MC33771可以通過黃花鏈進(jìn)行信息的交換互通，并采取了對相應(yīng)的MOS管的開啟閉合，以達(dá)到最大開啟電壓為三百毫安的電流均衡特性。而黃花鏈可以傳遞的特點(diǎn)是不需要其他的高速光耦設(shè)備，也不要求有獨(dú)立電源，僅需要一臺隔離變壓器HM2012NL就可以完成在二個級聯(lián)的MC33771之間的傳遞，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。菊花鏈通過差分信號傳輸數(shù)據(jù)，但因?yàn)榭梢宰龅組C33771與控制器之間的真正通訊，就必須通過MC33664的變換器件把差分信號變換成SPI信息。菊花鏈通信的系統(tǒng)示意圖在圖3中顯示。

3.2 BCU與BMU硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器采用ST公司生產(chǎn)的STM32F405RGT6。處理器使用的是32位的ARM架構(gòu)處理器，最高主頻可以達(dá)到168MHz，他的內(nèi)部自帶1M的Flash內(nèi)存，不需要外加內(nèi)存條，外部用的是64引腳的封裝，是由3路SPI總線和2路CAN總線組成，完全足夠系統(tǒng)的正常運(yùn)算需要。

3.2.2 CAN總線通信電路

BMU和BCU之間的信息傳遞是由CAN總線傳遞的，我們使用的時候TJ1040T芯片。儲存系統(tǒng)由多節(jié)單體電池串聯(lián)成一組電池，為了防止在不同電壓下CAN芯片損傷，我們在CAN他的通信接口和他的收發(fā)芯片兩者之間串入了ADUM1201BRZ雙向磁隔離器來隔離信號的干擾，而且我們把CAN收發(fā)器的輸入端與120Ω的電阻并聯(lián)起來，用來抑制回波反射現(xiàn)象。CAN總線通信電路如圖4所示。

4 BMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 初始化MC33771

為了更好地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，我們首先需要對MC33771進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，增加一些我們需要的功能。

4.2 電壓溫度采樣

完成初始化過程后，即可對MC33771下發(fā)信息收集的指令，而MC33771則主要收集各節(jié)電池的壓力和溫度等數(shù)據(jù)。先把切換指令輸入ADC_CFG寄存器中，迫使其中MC33771開始切換，待切換完畢后，再讀出對應(yīng)的MEAS_CELL或MEAS_AN寄存器中的數(shù)據(jù)，并利用此公式算出真實(shí)的電流和溫度信號。具體的采樣過程如圖5所給出。

4.3 電流采樣

電流采樣是通過Aducm331電流采樣芯片完成的，需要對Aducm331的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，具體流程如圖6所示。

4.4 試驗(yàn)分析

把2組14的串鈦酸鋰電池PACK用來進(jìn)行測試，來收集分析電池的電壓、電流以及溫度的精確度。由此可知，本系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

現(xiàn)在，各個國家都面臨著環(huán)境和能源問題，純電動汽車由于他的動力供給成為了各國發(fā)展的趨勢，無論是在節(jié)能還是環(huán)保等問題上，都有著燃油車無法比擬的優(yōu)勢。我國由于是一個石油進(jìn)口大國，每年都需要進(jìn)口大量的石油來保證我們國內(nèi)正常的工業(yè)生活所需。為了擺脫這種局面，發(fā)展新能源電車勢在必得。電池系統(tǒng)是電動汽車的最主要核心技術(shù)，電池管理系統(tǒng)的好壞決定了這個電車的發(fā)展。他是電動汽車?yán)m(xù)航高迪低的關(guān)鍵技術(shù)，主要負(fù)責(zé)電車剩余續(xù)航的測量、估算和預(yù)警等主要功能，為確保動力電池系統(tǒng)正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，提高電動汽車安全性，保證電池使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。

此次設(shè)計(jì)的BMS系統(tǒng)通過傳感器的零件可以實(shí)時精確監(jiān)控采集到電池的溫度、電壓、電流等一系類電池?cái)?shù)據(jù)，通過分析這一些數(shù)據(jù)，來對電池進(jìn)行有效檢測，避免電池故障的發(fā)生，也可以通過BMS系統(tǒng)來對電池進(jìn)行保護(hù)，避免超高溫度、超低溫度對電池的損害，發(fā)生事故。也可以對電池組剩余電量進(jìn)行檢測，對電池組SOC估算更加精準(zhǔn)，避免用戶對于電車?yán)m(xù)航的焦慮，以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

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