電動汽車電池包管理控制系統研究

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【摘要】本文主要對電動汽車的電池包管理控制系統進行研究，在分析電池包管理控制需求的基礎上完成控制器的硬件系統及功能模塊的設計，通過將AD7280A菊花鏈型鏈接應用到分控制器模塊的外圍電路中實現隔離器數量的減少，進而使控制電路得以簡化，在降低運行成本的同時顯著提升電池組的穩定性及安全性，最終實現對電池包的有效管理和控制過程。

【關鍵詞】電動汽車；鋰電池組管理系統；控制器；菊花鏈型連接

新能源汽車得到了迅速的發展，尤其是在節能環保的大背景下，以電動汽車為代表的新能源汽車已成為國內外汽車企業研究的重點，電動汽車具備無污染和低耗能等優勢，以動力電池作為主要能源，電動汽車整車性能受到動力電池的直接影響，電池及電池管理系統（BMS）成為發展電動汽車的關鍵影響因素，電池安全合理的使用基于成熟的電池管理技術。本文主要完成電動汽車電池包管理控制系統的設計，以期為提升電動汽車性能提供參考。

1需求分析

隨著汽車行業的快速發展以及環境與能源危機等問題的凸顯，新能源汽車應運而生，以電源作為動力源的電動汽車能夠兼顧使用需求及節能環保需求。電動汽車具備較高的能量利用率、無廢氣排放等優勢，完善電動汽車相關技術已經成為解決上述問題的有效手段。電動汽車的發展和完善需基于先進的技術，大功率充放的鋰離子電池具備污染小、無記憶效應等優點，鋰離子電池可有效滿足電動汽車對能量使用、安全穩定性、循環壽命等方面的需求，研究動力電池管理系統（BMS）在發展電動汽車產業中意義重大。電池組的安全性取決于電池管理系統，電動汽車運行或充電過程通過電池管理系統實現實時監控功能，系統發現故障后會立即向CAN總線反饋，由集成控制器采取相應措施從而確保電池組及整車的安全[1]。

2電池包管理控制系統設計

2.1電池包管理控制系統架構設計

本文采用分布式結構完成了電池包管理控制系統架構的設計，結構框圖具體如圖1所示，主要由主控制器和分控制器兩部分構成，主、從控制器結構分別如圖2、圖3所示，主控制器主要負責對來自分控制器的數據（包括電池組電壓、溫度、充放電電流等方面的數據）進行采集和處理，在此基礎上完成故障監測及報警等功能，并向整車控制器傳輸相關數據（通過CAN網絡完成），整車控制器進一步處理接收到的數據后向主控制器反饋相關控制信息，從而實現對BMS的相對控制。該系統使用了3個分控制器，負責對電池組電壓進行監管，并負責主控制器的部分運算，分控制器的主要功能為信息采集，能夠對144個電池組（由單體鋰電池串聯組成）進行有效管理。各分控制器均包含8個AD7280A，科均衡48個單體鋰離子電池，負責對48個單體鋰離子電池的溫度點進行監測[2]。

2.2CAN通信網絡的設計方案

電動汽車電池包管理控制系統的硬件功能設計主要基于3個CAN模塊（MC9S12XEQ512自帶）。第一個模塊為CAN通信模塊（即主、分控制器間的通信），屬于內部局域網絡，分控制器在接收到由主控制器傳送的執行命令后再向主控制器反饋相關數據信息（包括基本數據、計算結果、故障信息等）。第二個模塊為CAN網絡，負責電池包管理控制系統同整車控制器間的連接，實現相關信息和命令在車載控制器間同電池管理系統間的相互傳遞。第三個模塊為內部局域CAN網絡，主要負責完成主控制器通上位機、顯示設備間的通信過程，此外還負責記錄電池基本信息（包括剩余容量估測值、故障診斷等）。這3個功能不同的模塊采用相同的接口電路，均以PCA82C251（飛利浦公司）作為接口電路收發器[3]。

3控制器的設計與實現

3.1主控制器設計

（1）電流采集電路。電動汽車需使用到較多的單體電池，將這些工作電流相同的單體電池全部串聯構成動力鋰離子電池組后，僅需對串聯后的總電流進行測量即可完成電流監測過程，在對電流進行采集時主控制器所采用的電流監測功能基于分流器實現，將一個康銅電阻（阻值較小）串聯到監測電路中實現分流器功能，電流值以其兩端的壓降值為依據計算獲取。考慮到該方法所獲取的較小的康銅電阻的壓降值無法完成A/D轉換，需通過添加一個信號放大電路實現對信號的放大處理（數值不能超過5V）。為保護單片機還需將一個5V的穩壓二極管接入到電路中，從而使電路故障得以有效避免。（2）顯示器電路。選用NH12864S實現設備顯示模塊功能，通過通信接口電路（能夠對電池組的系統數據、故障信息進行實時監測）的設計實現對電池組的調試檢修功能，主控制器采用便攜式的外接設備使檢修及維護工作效率得到顯著提高，接口電路對接便攜式顯示設備，在此基礎上即可完成電池包檢修工作。此外，報警系統在電池包管理控制系統數據異常時能夠及時發出以聲、光提示為主的報警信息，提示駕駛員采取措施。（3）串行通信接口電路。為防止通信設備出現意外，在車載通信系統采用CAN通信網絡的基礎上，增加了一個串行通信接口電路，其收發器選用了MAX487（具備功耗低、通信穩定的優勢，工作電流120μA），以備緊急情況下使用，確保行車安全。（4）開關量控制電路。主要負責控制繼電器的開關，開關控制過程采用MOS管（管型號為IRLR120）實現，并通過加入二極管對線圈續流，進一步確保了鋰電池組的安全和穩定。MOS的源、極間的電壓差可達100V，可有效滿足對繼電器開關量控制需求。（5）絕緣電阻檢測電路。定期檢測高壓電路與底盤的絕緣性以確保整車安全，該電路以PIC12F675作為主芯片，主要對電池組對底盤的絕緣電阻值進行檢測。

3.2分控制器設計

（1）AD7280A外圍電路。考慮到構成電池組的各單體可能具有不同特點，因此通過均衡控制管理方法的使用實現電池容量及使用壽命的有效提升，對電池單體的均衡過程采用AD7280A（亞德諾公司）實現，并通過菊花鏈型單片完成各AD7280A間的鏈接，各單片可串聯8片AD7280A，能夠對6節串聯的電池組進行監測。（2）菊花鏈型電路與CPU隔離電路。動力電池組的電壓可達上百伏，而采用直流電的鋰電池包管理控制系統的電壓為12或24V，分控制器受到較大電壓差極的影響極易被損壞，通過在隔離器中添加菊花鏈型測量電路可有效解決此問題。選用四通道高速隔離器（ADI公司）作為隔離器，具體通過ADuM5401配合使用ADuM1402實現CPU隔離電路功能。

3.3控制算法設計

充滿電后的電池需及時停止充電。不及時停止充電易影響電池的使用壽命，造成不必要的電能浪費，因此電動汽車電池包管理控制系統需具備智能充電管理能力，在充滿電后電池包管理控制系統及時做出停止充電的指令，確保完成對充電機的合理控制過程，在判斷充電是否停止時具體采用電壓電流曲線斜率法完成，即在電壓曲線率達到具體值時確認為終止，智能充電具體控制流程為：系統先對電池組電壓和Uol進行檢測，并分別同充電電壓級電流曲線上的點相對應，此時為t1時刻，智能充電系統對蓄電池按t1后的充電曲線進行充電，充電正常結束時刻為t2，記錄整個充電時間（t1與t2的差值）。充電系統通過對蓄電池狀態進行監測完成對充電蓄電池是的異常及極化現象的判斷，實時保護充電電路，據此采取及時的修正措施。考慮到充電工程中的相關參數（包括電流、電壓和溫度）受到運行狀態的影響而變動，增加了數學模型的復雜程度，在結合了多段恒流及脈沖充電方式的充電過程需對比采樣和設定參數，并據此控制移相角輸出，因此本文采用了不完全微分型PID控制方法，可有效滿足對充電算法的控制需求。

4結束語

汽車已經成為日常出行必不可少的交通工具，汽車總保有量持續增長，受到不斷減少的化石能源的影響，新能源汽車得到了迅速的發展，電動汽車以電池作為動力源，鋰電池組的應用及管理技術成為影響電動汽車發展的直接因素。本文以電動汽車的鋰電池包管理系統作為主要研究對象，完成了電池包管理控制系統的設計，詳細介紹了主、分控制器電路的模塊化設計過程，基于AD7280A菊花鏈型的分控制器使系統整體的電路模塊得到進一步簡化，通過鋰電池包管理控制系統實現了對電池組的實時監測功能及對執行動作的有效控制功能，從而使電池組的安全性及使用壽命得到顯著提高。

參考文獻

[1]魏民祥,趙萬忠,張鳳嬌,等.基于遞推最小二乘法與模糊自適應擴展卡爾曼濾波相結合的車輛狀態估計[J].中國機械工程,2017(6):750-755.

[2]謝立潔,杜森,徐梓薦,等.基于AURIX的電動汽車電池管理系統電源模塊設計[J].汽車工程師,2018(6):25-29.

作者：郭輝 單位：陜西國防工業職業技術學院