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[电池材料] 基于单片机的纯电动汽车电池管理系统设计

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发表于 2020-7-20 10:49:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于单片机的纯电动汽车电池管理系统设计

辛 喆1,葛元月1,薄 伟2,张云龙3,李亚平1,杨建为4

(1. 中国农业大学工学院,北京 100083; 2. 北京全路通信信号研究设计院有限公司,北京 100073;3. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084; 4. 西北机电工程研究所,咸阳 712000)

【中国汽车材料网】摘 要:动力锂电池组的电源管理系统是延长电池循环寿命、维护电动汽车安全运行的关键。为延长电池的使用寿命,该文针对纯电动汽车,设计了一种以飞思卡尔单片机和电池管理芯片为核心的锂电池管理系统。实现对锂离子单体电池电压、电流等的检测及显示,对电池组充放电进行监控和保护,实现电池组的均衡及总电压、总电流、温度的检测,利用控制器局域网络CAN(controller area network)总线对其进行通讯设计。最后通过系统调试、精度试验和均衡试验等进行系统功能验证,证明了电池管理系统的有效性。该研究可为纯电动汽车电池管理系统设计与应用提供参考。
关键词:动力锂电池组;汽车;软件设计;电池管理;单片机
0 引 言
随着环境污染和能源危机的加剧,节能环保的电动汽车成为汽车行业未来发展的趋势。锂电池在所有二次电池中具有最高的能量密度比和功率密度比,因此成为应用最为广泛的电动汽车电池[1-3]。由于锂电池材料的固有特性,使其在过充电、过放电及过温时,电池组的性能会迅速衰减,最终导致电池组无法使用[4]。因此,根据锂电池特性,对动力锂电池进行有效管理,对于维护电池安全、保持电池性能、延长电池寿命具有重要的意义[5-8]。
目前国内外关于电池管理系统 BMS(battery management system)研究的功能和结构差异不大,主要功能有3块:电池数据采集、状态估计、均衡管理及充放电保护[9-12]。张巍[13]针对的是铅酸蓄电池设计了电池管理系统;南金瑞等[14]设计的电池管理系统,实现了数据采集、故障报警和通讯功能;罗森桥等[15]设计的电池管理系统能完成电池状态检测,电池荷电状态SOC(state of charge)估计,控制器局域网络CAN(controller area network)总线通讯和安全管理。上述3种故障管理系统都缺少电池均衡系统。刘再飞等[16]、刘斐[17]设计的电池管理系统能完成数据采集并实现了电池均衡,但其均衡功能采用被动均衡,能量耗散较大。近年来电池管理系统研究有较大发展,但仍有很多技术有待完善。尤其在数据采集的可靠性、安全管理以及均衡技术等方面有待进一步改进和提高。
本文针对纯电动汽车上的锂离子动力电池组,基于飞思卡尔系列单片机的分布式结构[18-21],设计了具有均衡功能的电池管理系统。采用纯电动汽车电池管理专用芯片bq76PL536[22],避免使用较多电子元器件,实现电池温度、电流、电压数据的采集和绝缘检测等功能,在此基础上实现电池管理系统和上位机软件通讯,同时利用变压器的能量传递设计均衡系统,实现集中式双向主动均衡功能,提升电池使用效率。
1 电池管理系统组成与功能
电动汽车用动力源一般由上百节单体锂电池串联组成,出于配重和体积的考虑,电池组一般都分成几个串联的模块分散在车内[23-27]。
用分布式系统方案成本过高且系统过于庞大,用集中式系统方案 BMS中心处理单元负担过重,因此现有电池管理系统一般采用折中方案。本文将 12个单体电池组成一个电池包(PACK),每个电池包配有一个电池模块监控单元BMU(battery management unit),BMS由多个BMU和一个主控单元CMU(control monitor unit)组成,整个系统采用图1所示的结构。
图1 电池管理系统的分布式结构
Fig.1 Distributed architecture of battery management system

整个系统可分为上层的主控模块和下层的监控模块。监控模块又可分为电池单体监控和电池组监控。监控模块和主控模块通过 SCI(serial communication interface)总线进行内部通讯,主控模块通过CAN总线和外部进行通讯。图2表示了电池管理系统的功能结构分布。
图2 电池管理系统功能结构图
Fig.2 Function structure of battery management system

2 系统硬件与软件设计
本设计中,监控单元(BMU)和主控单元(CMU)分别采用飞思卡尔8位9S08DZ60[28]和16位9S12DG128[29]单片机作为处理器。
BMU监控单元可实现2种功能,一种对电池模块(PACK)内电池单体的电压、温度进行检测,经过处理后将数据传输给 CMU,并对模块内的不均衡进行管理;另一种对电池组(BLOCK)的总电压、总电流进行检测,并负责绝缘度的监测,经过处理后将数据传输给CMU。CMU接收BMU传来的数据信息,根据采集的电池数据估计电池组的荷电状态等,对电池组的充放电进行保护,并与电动汽车整车控制单元和充电机进行通信。
2.1 CAN通讯
汽车内部的通讯,主要采用 CAN总线通讯。本系统的主控单元和电池模块监控单元都集成了CAN控制器。电池管理模块对外提供CAN总线接口,上位机监控通过 CAN总线接收测得的电压、电流、温度等数据并直接显示或曲线显示,根据预先设置的阈值条件实现故障提示,同时可以将所需的数据存入文件中。因为电脑一般没有 CAN总线接口,所以通过CAN卡扩展出CAN接口,用于连接到CAN总线。在本设计中采用了双路智能CAN卡作为监控计算机端的接口,可以方便地连接到CAN总线上。
数据链路层的规定主要参考 CAN2.0B的相关规定。本设计采用 11位标准帧格式,报文分为数据帧(data frame)、远程帧(remote frame)、错误帧(error frame)和过载帧(overload frame)。
2.2 BMS主控单元(CMU)
CMU实时获取各BMU的数据,对电池组进行保护,保存历史数据并与外部设备进行通讯。因此,BMS主控单元硬件结构包含:电源管理模块,单片机最小系统,CAN总线接口,SPI(single program initiation)总线接口,IIC(inter-integrated circuit)总线接口,SCI总线接口,Flash(存放历史数据),继电器驱动接口单元。
本设计采用16位9S12DG128单片机作为主控芯片,总线频率25 MHz,128 K字节Flash内存,2路 MSCAN(motorola scalable controller area network)总线,2路SCI串行通讯接口,2路SPI串行外设通讯接口,1路IIC串行总线接口,2个8通道10位ADC。主芯片及外围电路包括供电电路,总线通信电路和驱动电路,如图3所示。
图3 主控单元结构框图
Fig.3 Structure diagram of master unit

2.3 BMS监控单元(BMU)
BMU采集电池模块的电压、温度等信息,同时进行均衡管理。因此,电池监控模块BMU具备以下特性:多重电源隔离模块,CAN总线接口,SCI(serial communications interface)总线接口,单体电压采集接口,温度采集接口,电池均衡管理接口,绝缘检测单元,总电压检测单元,电流检测单元。
2.3.1 电压检测
本设计采用可同时监控多节电池的监控芯片bq76PL536。该器件的专有设计能够把多节电池串联起来,无需使用光电耦合器隔离,可实现串接电池组中每节电池的精准电压监视。模数转换器具有9个ADC(analog to digital converter)输入端口:6个用于电池单体电压输入,1个用于6个电池单体的总电压输入,2个用于温度输入,1个用于通用输入。本系统的电池组由 12节锂离子电池单体串联组成,一块电路板上采用2个bq76PL536芯片,每块芯片的可测量6节电池的电压。
2.3.2 温度采集
bq76PL536芯片能够采用ADC来测量两路差分输入电压。差分输入由一个外部热敏电阻和普通电阻组成的分压网络来得到。这可产生一个比例式结果,并可消除温漂对电路的影响。该器件拟与一个标称值为10 kΩ(在25℃时)的NTC(negative temperature coefficient)外部热敏电阻配合使用。应连接一个合适的外部阻容网络,以把热敏电阻的响应置于所关心的范围之内。
2.3.3 电流检测
电流参数是电池管理系统过流保护的重要依据,同时也是充放电模式的判断条件。本设计采用霍尔电流传感器。该传感器不与高压系统接触,不会带来共模干扰和高频噪声,传感器输出的电流信号通过精密的测量电阻变为电压信号,经过运放芯片(OP07CS)跟随后接入外扩的 A/D芯片(TLC7135CN)。
2.3.4 均衡功能
均衡功能子模块的功能是当电池组中的各个电池单体之间出现不一致时,将能量从较高的电池单体转移到较低的电池单体中,从而实现延长电池组寿命的目的。
均衡功能子模块的执行器是变压器。作为储能元件,它将能量在电池单体之间传递。基于反激式拓扑结构,变压器的两边被称为初级线圈和次级线圈。初级线圈连接到整个电池组两边,次级线圈连接到电池单体两边。
本设计的均衡变压器采用的是 EA0708101117型变压器,由一组初级线圈和14组次级线圈组成,结合本设计,只采用其中12组次级线圈。图4为执行主动均衡功能的硬件电路。一组次级线圈均衡电路如图 4a所示,T1B是一种 MOSFET(metaloxide-semiconductor field-effect transistor)管,起到控制该次级线圈开闭的作用。当 Sec0端为高电平时,T1B断开,反之,则T1B闭合,通过不断开闭,对该单体电池进行均衡。初级线圈电路如图 4b所示,初级线圈部分有2个开关T8和T7。T8是一个100 V的MOSFET管,T7是一个30 V的MOSFET管。为了更好的对称耦合,由2个相同的初级线圈并联连接。控制原理与次级线圈类似。初级线圈和次级线圈通过a、b端连接到变压器。
图4 主动均衡执行模块硬件电路图
Fig.4 Hardware circuit of active equalization execution module

2.3.5 绝缘检测
绝缘检测关系到整车的驾驶和乘坐的安全性。绝缘状况的好坏由电池组正负极相对于底盘的电阻值决定。本设计采用不平衡电桥的检测方法检测总的绝缘电阻。
2.4 软件设计
电池管理系统软件以 Code Warrior为开发环境,采用C语言编写,包括了主控模块和监控模块2个部分的软件设计。主控模块的任务主要有:通讯同步任务,数据采集任务、故障检测任务,故障记录任务、故障处理任务,信息发布任务,如图5a所示。
监控模块的任务主要有:通讯同步任务、A/D转换与数据处理任务、通讯接收任务、通讯发送任务、以及均衡执行任务,如图5b所示。
图5 控制模块软件流程图
Fig.5 Software flowchart of control module

其中,均衡模块的程序流程图如图6所示。当需要均衡的电池单体接收到均衡执行的指令时,通过指令内容判断均衡模式,然后通过初级与次级线圈开关的相互配合完成一次均衡周期。
3 功能验证
3.1 上位机监控测试
通过上位机监控测试可验证上位机软件 CAN通讯功能和电压显示功能。计算机通过 CAN总线与电池管理系统连接后,上位机监控软件能够实时显示电池管理系统中的变量并采集数据,如图 7所示,验证了上位机软件的CAN通讯功能。
图6 均衡模块软件流程图
Fig.6 Software flowchart of balanced module

图7 电池管理系统与上位机的CAN通讯界面
Fig.7 Interface of battery management system CAN communication with host computer

通过CAN总线通讯显示在上位机监控软件上的数据可以看到,各个电池的电压温度等模拟量的变化均在正常的范围内,电池单体的电压变化范围是2.0~3.65 V,模块电压的变化范围是24~43.8 V。
3.2 静态精度试验
静态精度试验是用上位机监控软件采集的电压对比万用表实际测量的电压,分析静态工况下电池管理系统的静态测量精度。
试验是用 12个电池单体串联组成电池组模块,与电池管理系统连接。试验用电池为美国A123公司的汽车锂离子电池,额定电压为3.3 V。电池管理系统将数据通过 CAN通讯在上位机监控软件中显示并存储,同时用万用表实测并记录电池单体的电压值。表1是电池组在静态工况下电池管理系统采集的数据和用万用表实际测量的数据比较。
表1 静态电压采集值与实测值比较
Table 1 Comparison of static voltage acquisition value with measured value

从表1的数据可以看出,电池单体中BT1的误差最大为0.31%,小于国标要求的0.5%,符合国标要求;电池组的误差为 0.38%,小于国标要求的0.5%,也符合国标的要求。因此,从静态精度的角度看,电池管理系统提供的电池单体电压和电池组电压是准确可靠的。
3.3 动态精度试验
动态精度试验是借助Arbin试验平台能够测量电池单体电压的条件,来对比分析充放电工况下电池管理系统的动态测量精度。
在电池放电过程中,用Arbin试验平台和电池管理系统同时对电池组采集各个电池单体的电压。以Arbin试验平台的测量值作为基准,通过作图分析,比较电池组中同一节电池2组数据之间的差异。试验数据对比如图8所示。
通过MATLAB软件计算2条曲线的最大误差为0.15%,小于0.5%,满足国标要求。
图8 动态精度试验数据对比图
Fig.8 Comparison of static voltage measurement precision

3.4 均衡功能的验证
均衡功能的验证分为2个方面,一方面是微观上检测均衡电流是否存在及其大小,另一方面是宏观上电池单体电压是否收敛于平均电压。试验目的都是验证均衡功能的有效性。
3.4.1 微观验证
让电池组处于静置状态,对电池组中电压最低的电池单体做均衡。在这个过程中,使用霍尔电流传感器检测相应的次级线圈是否有均衡电流,测量后在示波器中显示电流值对应的测量电压值,如图9所示,图中主要观察通道2中的电流对应的测量电压。
图9 均衡电路的电压和电流测量图
Fig.9 Voltage and current measurement diagram of balanced circuit

图9中的示波器1通道显示初级线圈的电压状态(示波器×10档位);示波器2通道中,图9a为均衡电路中初级线圈充电电流对应的测量电压,图9b为次级线圈均衡电流对应的测量电压。通道1测量的是初级线圈 MOSFET开关两端的电压,当MOSFET开关闭合时,相当于短路状态,测得电压为0,并且此时变压器处于充电状态,有充电电流;当 MOSFET开关断开时,测得的是电池组加上变压器电路的总电压,60 V左右,并且变压器开始给次级线圈上连接的最低电压的电池充电,图 9b中可以得出次级线圈有均衡电流。通过观察到均衡电流验证了均衡的有效性。
3.4.2 宏观验证
按照上面的均衡方法,对电池组中电压最低的电池单体进行均衡,直到其电压值与其他电池的一致,在这段时间内,对采集到的数据进行分析。
图 10反映了被均衡电池的电压与电池组平均电压的关系,从图上可以看到,整体趋势是在下降,表明该电池的电压在均衡的作用下趋近于电池组的平均电压,电压差从开始的160 mV减小到20 mV,验证了均衡的有效性。
图10 平均电压与被均衡电池的电压的差值图
Fig.10 Difference between average voltage and voltage of balanced battery

4 结 论
本文的电池管理系统以飞思卡尔单片机为控制核心,设计了功能完善的电池管理系统。研究主要结论如下:
1)通过硬件设计和软件设计,实现了纯电动汽车锂离子电池组控制所必需的电压、电流、温度参数的采集,电池主动均衡,绝缘度的监测以及继电器控制和CAN通信等功能。
2)通过上位机测试验证了系统的通讯功能以及电压、温度采集功能。同时,在精度试验中,静态试验电池单体电压测量的最大误差为 0.31%,动态试验本系统与标准实验台的测量电压最大误差仅为0.15%,精度均满足要求,从而验证了该设计数据采集的可靠性。
3)进行了均衡功能试验验证。微观验证中通过检测到的均衡电流验证均衡有效性;宏观验证中,被均衡电池的电压与电池组电压均值的差值从160 mV减小到20 mV,验证了均衡的有效性。
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发表于 2020-7-24 09:51:58 | 显示全部楼层

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