新型電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)----系統(tǒng)的總體設(shè)計(一)

3.1總方案

電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于混合電動車，平臺采用車載方式。在設(shè)計上應(yīng)盡量使管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進、合理、可擴展；系統(tǒng)功能上要完備，滿足電動車的全面要求：各種參數(shù)測量精度高、EMC合格、可靠性高等。根據(jù)這一總方案指導(dǎo)思想，研制出了新一代的鋰電池管理系統(tǒng)，具體功能如下：

• 電池信息實時采集，包括單體電壓、電池組總電壓、溫度、充放電電流；
• 存儲重要的電池信息及重要數(shù)據(jù)；
• 剩余電量估計功能及顯示；
• 提供數(shù)據(jù)傳送的接口，包括同上位機通訊和同整車通訊以進行車體控制；
• 安全、可靠、抗干擾性強、有良好的人機交互功能；
• 在充、放電過程中對單體電池進行均衡和診斷。

這套電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，用多單片和多CAN通訊系統(tǒng)。按積木化設(shè)計各個功能模塊并采用了5寸半液晶、標(biāo)準(zhǔn)CAN及RS232接口以及多種抗干擾措施，滿足了燃料電池大客車的基本要求：

• 實現(xiàn)了分布式結(jié)構(gòu)、模塊化、多CAN通訊及多功能。
• 測量實現(xiàn)了高精度，總電流與總電壓精度分別為0.5%和0.2%，使電量計量更加精確。
• 具有特色的鋰電池單體電壓測量電路，達到了108-126路，可以擴展至更多路，精度在（0.1-0.2）%.
• 實現(xiàn)了系統(tǒng)在車上的運行，解決了系統(tǒng)24V電源自動控制、抗靜電干擾、抗電機DC/DC干擾，抗高壓漏電等一系列問題

系統(tǒng)設(shè)計為分布式，主要由以下幾個部分構(gòu)成，即測量板、中央處理模塊、SOC估計模塊、專家系統(tǒng)模塊、與整車通訊模塊和顯示控制模塊。各模塊獨立工作，它們之間通過CAN總線相互通訊。電池管理系統(tǒng)的框圖參見圖3.1.

各模塊的主要功能如下：

• 測量板：主要完成單體電池電壓和溫度的測量，將數(shù)據(jù)傳到內(nèi)部CAN總線上；直接負責(zé)對均衡控制模塊發(fā)出接通和關(guān)閉分流電路的信號，同時接收中央處理模塊發(fā)來的組均衡控制信號。
• 啟分流裝置，調(diào)節(jié)充電電流，使電池組內(nèi)電池更加均勻和一致。
• 中央處理模塊：主要完成對總電流、總電壓、環(huán)境溫度的測量，同時負責(zé)對下一級9塊測量板之間的組均衡進行控制。
• 專家系統(tǒng)模塊：接受內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，對單體電池進行實時診斷，給出健康等級和報警信息，將結(jié)果傳給顯示控制模塊。
• SOC估計模塊：由一塊參數(shù)估計板構(gòu)成，根據(jù)接收中央處理模塊傳遞過來的數(shù)據(jù)，進行分析處理計算，計算出剩余電量和功率強度。
• 顯示控制模塊：顯示控制板接收內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，然后送到液晶顯示屏顯示。同時，顯示控制模塊外留RS232借口，可以傳輸數(shù)據(jù)給上位機。
• 與整車通訊控制模塊：接收內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，然后通過外部CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)給整車，同時接收整車發(fā)過來的信號。

系統(tǒng)中共包含9個測量模塊，它們都通過CAN總線與系統(tǒng)相連，實現(xiàn)分布式測量。為了同車體其它部分通訊且不干擾系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的通訊，系統(tǒng)采用了另一條獨立的CAN總線，這里我們叫做外部CAN總線?？梢钥吹剑c整車通訊模塊在這里同時是兩個CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，起到了網(wǎng)關(guān)的作用。模塊完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2。

3.2公共主板的特點：

80C552 80C552單片機是用CMOS工藝制造的80C51系列產(chǎn)品之一，具有和80C51相同的指令系統(tǒng)，80C552可以用TLL電平兼容的存儲器或接口電路進行系統(tǒng)擴展。

其特性如下：

• 80C51CPU；
• 8K字節(jié)ROM，可擴展至64K字節(jié)；
• 具有4個捕捉寄存器和3個比較寄存器的附加16位定時器/計數(shù)器；
• 2個標(biāo)準(zhǔn)的16位定時器/計數(shù)器；
• 256字節(jié)RAM，外部可擴展至64K字節(jié)；
• 能產(chǎn)生8路同步定時輸出；
• 8路模擬量輸入，10為A/D轉(zhuǎn)換器；
• 2路8位分辨率的脈寬調(diào)制（PWM）輸出；
• 5個8位I/O口，一個和模擬信號公用的8路輸入口；
• I²C總線接口；
• 和80C51兼容的全雙工異步串行口（UART）；
• 一個監(jiān)視定時器（Watchdog Timer）；
• 時鐘速率12MHz和16MHz；
• 寬的工作溫度范圍；
• 具有OTP一次編程器件；
• 兩種封裝形式LCC和QFP；

3.3單電池端電壓測量

單電池端電壓是對電池充放電方式選擇、剩余電量計算、運行狀態(tài)評估和對電池好壞分析的基本依據(jù)之一，因此一個行之有效的單電池端電壓測量方法是電池組監(jiān)控和診斷成功的前提條件。但是由于電池組中總電壓高、電池數(shù)目多和高精度的測量要求，使得它具有較大的難度。在以前系統(tǒng)中，電池端電壓測量采用普通光藕TP521，由于它存在諸多缺點，我們設(shè)計了全新的移位電路，在下面分別介紹之。

3.3.1以前系統(tǒng)電池端電壓的測量方法

下圖3.3是用TP521光藕進行電池端電壓進行隔離和變換的原理圖：

主要的設(shè)計思想是，電池電壓U_in通過光耦的輸入二極管產(chǎn)生電流Ia，這個電流通過光耦的耦合作用產(chǎn)生輸出電壓U_out。只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光耦的輸入二極管的工作點，就可以使得U_in和U_out成正比關(guān)系。輸出電壓U_out作為單片機的A/D轉(zhuǎn)換端口的模擬輸入信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為0～1023（即10位二進制位）之間的數(shù)字量，再經(jīng)過標(biāo)度變換，將其轉(zhuǎn)換成電壓值。利用在不同輸入電壓下系統(tǒng)采樣得到的采樣值經(jīng)過最小二乘擬合就可以得到電壓變換函數(shù)。

光藕的線性區(qū)域較小，經(jīng)過大量實驗，證明該器件的線性區(qū)域為Ia∈[0.2，0.6]，應(yīng)合理選擇R₁和R₂，保證輸入和輸出的線性關(guān)系。P₁為變阻器，其目的是微調(diào)Ia，使得在同一輸入電壓下每塊電池采樣板的Ia完全相同，從而保證同一個電池在不同的采樣板上進行測量時能得到相同的結(jié)果。R₃和R₄的選擇也應(yīng)該保證光耦的三極管工作在線性區(qū)域。

此測量方法的最大缺陷是光藕的溫漂現(xiàn)象，下表3.1是幾節(jié)電池在不同溫度下的測量數(shù)據(jù)：

從上表的數(shù)據(jù)中可得出：當(dāng)電池端電壓處于工作常用電壓范圍時，以環(huán)境溫度22℃為基準(zhǔn)，環(huán)境溫度每上升一度，測量值受溫度的影響約為-0.06伏，溫度對測量的影響是很大的。

為了減少溫度對端電壓測量的影響，可采取以下兩種方法：

方法一：溫度補償。具體方法為：將測量板上所有光耦表面粘上同一根導(dǎo)熱性好的金屬條，目的是為了各個光耦上的溫度一致，再測量這根金屬條上的溫度，把這個溫度作為溫度補償用的環(huán)境溫度。單片機在計算端電壓時將這個溫度與基準(zhǔn)溫度的差乘上一個補償系數(shù)作為補償電壓。但這要求溫度測量準(zhǔn)確，何況不同光藕的溫度系數(shù)也不同。

方法二：總電壓校正。由于總電壓是各單電池端電壓之和，這樣就可以通過測量總電壓與單電池端電壓總和之差，將這個差值分?jǐn)傇诿總€電池的端電壓上，從而達到提高單電池端電壓絕對精度的目的。但這也有一個缺點：單電池測量電壓偏差大的電池經(jīng)總電壓校正后，偏差將更大。

總之，用以前測量單電池電壓的方法難以取得高的精度，并且調(diào)試難度很大，因為不同批出廠的光藕的特性都不一樣。新系統(tǒng)設(shè)計時，針對鋰電池，設(shè)計了全新的電路，測量性能大大提高。

3.3.2用移位電路實現(xiàn)單電池電壓測量

針對鋰離子電池最大電壓低于4.2V的特點，我們設(shè)計了下面移位電路圖3.4用于單電池電壓測量，此電路用低成本運放LM258和場效應(yīng)管BSS84及一些輔助元件組成，在很寬的溫度范圍內(nèi)有恒定的增益。

此電路專為鋰離子電池設(shè)計，對其他電池通過適當(dāng)修改電路參數(shù)來完成，下面是它的工作原理：設(shè)電池組最后一節(jié)電池為B₁，最上一節(jié)B_n，它們之間串連相接，系統(tǒng)中從B₃到B_n測量用移位電路，B2的測量用一個減法器來完成，B1直接送到A/D.現(xiàn)在來分析Bn節(jié)電池的測量，工作時，Vo↑→Vsg↓→i₁↓→V_RI↓→V₁↑→V_o↓。平衡時，i₁穩(wěn)定在一個值使得：

在單片機的軟件設(shè)計上，有一個校準(zhǔn)程序來減少初始誤差，校準(zhǔn)期間，用一個校準(zhǔn)電壓源代替電池，設(shè)此時的測量結(jié)果為E_Mn，可求得一校準(zhǔn)系數(shù)

移位電路誤差分析：

雖然校準(zhǔn)程序能減少因R₂/R₁帶來的誤差，但它不能減少溫漂帶來的誤差，設(shè)電阻的溫度系數(shù)是±100ppm，如果溫差ΔT=50℃，阻值將相差±0.5%.設(shè)計時如果R₁和R₂封裝在同一個阻排內(nèi)，則溫度對R₂/R₁的影響可忽略。

其他的誤差來源于運放，如輸入漂移電壓（Vos）、輸入漂移電流（Ios）及他們的溫漂。在下面的誤差分析中，n可以是移位電路中的任何一節(jié)電池，且只考慮Vos帶來的誤差，對Ios的分析同樣。

單片機用系數(shù)α校正測量結(jié)果得



測量誤差ΔV為：

LM258的最大Vos為±5mV，而校準(zhǔn)電壓E_Bn約為4V，Vos遠小于E_Bn，故

E_Bn與V_Bn的差值越大，誤差就越大，最大誤差發(fā)生在V_Bn = 1/2*E_Bn時，此時V＝0.5* Vos =±2.5mV，實際上，如果電池電壓低于2V，鋰離子電池已有故障應(yīng)當(dāng)更換，此時的測量精度已不重要。

由運放Ios引起的誤差分析同Vos，它的最大誤差為±2mV.總之，運放引進的誤差總共為±4.5mV.