基于主动均衡的纯电动汽车电池管理系统的研究_杜振新

基于主动均衡的纯电动汽车电池管理系统的研究杜振新1，高飞飞2（1.长安大学汽车学院，陕西西安710061；2.南昌大学机电工程学院，江西南昌330031）摘要：采用主从式结构设计了一种基于主动均衡的纯电动汽车锂电池管理系统，实时检测动力电池的各种运行参数:总电压、总电流、电池SOC、单体电压、电池包温度。硬件方面设计了可调恒流源和高效的主动均衡拓扑电路，提高了均衡电流和均衡效率。关键词：电池管理系统；主动均衡；均衡拓扑电路中图分类号：U469.7文献标识码：A文章编号：1671-7988(2016)05-134-03ResearchonbatterymanagementsystemofbladeelectricvehiclesbasedonactiveequilibriumDuZhenxin1,GaoFeifei2(1.SchoolofAutomotive,Chang’anUniversity,ShaanxiXi’an710061;2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanchangUniversity,JiangxiNanchang330031)Abstract:Anactiveequalizationlithiumbatterymanagementsystem(BMS)isbasedonamaster-slavestructure,itcanmonitorkindsofoperatingparametersofthepowerbatteryinrealtimesuchastotalvoltage,totalcurrent,thestateofcharge(SOC),singlecellvoltage,andtemperaturesofbatterypackage.Wedesignanadjustableconstantcurrentsourceandanewactiveequalizationtopologycircuittoincreaseequalizationcurrent,improveequalizationefficiency.Keywords:batterymanagementsystem;activeequalizationsystem;equalizationtopologycircuitCLCNO.:U469.7DocumentCode:AArticleID:1671-7988(2016)05-134-031、研究背景能源枯竭，环境污染，已经成为当前社会急需解决的问题，世界各企业和汽车生产大国都在开发电动汽车[1]。这就需要电池管理系统。目前电池管理系统具有以下基本功能：（1）数据采集：采集电池总电流、监测点温度以及单体电压等；（2）剩余电量（SOC）估计：估计方法有安时计量法、开路电压法、卡尔曼滤波法、模糊预测法等；（3）充电控制：单体之间的不一致性会导致充电的不均衡，影响电池的寿命和安全，所以提高单体一致性尤为重要[2-4]；（4）安全管理：包含热管理和故障诊断；（5）数据通信：实现模块间和整车之间的数据通信。目前均衡管理存在的显著问题有均衡拓扑电路效率低，均衡电流小。2、系统硬件设计本文设计了全新的电池管理系统，由主控板和均衡采集板构成。每块均衡采集板主要负责采集12节电池的单体电压、2个电池包温度监测点温度、对电池包的电池进行均衡管理和向主控板做数据通信。主控板主要负责采集母线总电流、计算电池总电压、计算SOC、控制充放电继电器、与整车ECU通信和BMS故障处理等。2.1均衡采集板硬件总体设计均衡采集板要能够以高精度采集单体电池电压和电池包新能源汽车作者简介：杜振新，就读于长安大学汽车学院。10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.044汽车实用技术1352016年第5期监测点温度，为了实现高效的均衡管理，应具有可控高效地均衡拓扑电路和较大的均衡电流。均衡采集板从功能上讲，它主要分为以下模块：MCU控制电路、电源模块、CAN通信模块、LTC6803电压和温度采集模块、主动均衡拓扑电路模块和恒流源模块。接下来我们详细介绍均衡采集板的主要功能模块。2.1.1LTC6803电压和温度采集模块单体电池的电压是均衡系统实现主动均衡的重要依据，单体电压值和温度信息经过均衡采集板的CAN1总线发送给BMS。BMS根据收到的信息来评估电池的工作状态，将异常情况及时反馈给用户，并且断电来保护电池包。LTC6803通过电阻和电容的RC滤波连接到电池增加采集精度，最后通过Cx引脚连接到LTC6803的采集引脚。2.1.2主动均衡拓扑电路模块本均衡系统的均衡电路拓扑结构以MOS管为开关器件，大电流二极管为单向电流控制器件的可控大电流主动充电回路的设计与实现。原理图如下图1所示。如果在整个电池组中BAT16电压最低需要进行补充充电，则控制电平将下端P型MOS管Q40和上端N型MOS管导通充电电流依次通过Q40，D40，BAT16，D28，Q28形成为电池BAT16进行充电的回路，给电池BAT16进行补充充电。为了防止MOS管被击穿时电池短路或恒流源短路，我们在各分支加入了大电流二极管。这个设计能够实现即使控制电路失效也不会因附加该电路引起电池组短路危险。图1均衡电路拓扑结构图2恒流源电路2.1.3恒流源模块恒流源原理图如图2所示，工作原理：检测电阻R151的分压经运放LM358的一级运放放大24倍，然后经过LM358第二级运放的比较电路，和可调电阻J1端子2的分压IN2-作比较，最后将比较结果的电平经过反馈引脚FB传递给XL4016。XL4016根据FB的电压信号来进行开关。若电压信号低于0.8V，则XL4016芯片开启；若电压信号高于3.3V，则XL4016芯片关闭。最终通过XL4016的不断开关和电感配合形成恒流源。通过调节J1端子2的分压改变比较电路的输入电压阈值从而可以调节恒流源的电流大小（0-6A可调）；通过调节可调电阻J2电阻大小便可以调节恒流源的输出电压值。2.2主控板硬件设计主控板硬件电路从功能上分为以下模块：CAN通信模块、充放电继电器控制电路、TF卡存储电路、实时时钟电路、母线电流采集电路。主控板采用ST公司的STM32F207VET6处理器；采用低功耗实时时钟芯片DS1302保证时间的精确度；采用标准SDIO接口协议进行快速实时存储。总电流采样选用闭环型霍尔电流传感器，采集正负电流信号，再转换成0-3V的电压信号。霍尔传感器可以产生-15V~+15V的感生电动势，经过LM358的一级运放电路缩小10倍，再经过第二级的加法器将-1.5V~+1.5V变为0-3V。3、系统软件设计3.1均衡采集板软件设计均衡采集板系统上电完成各模块的初始化，然后循环的进行电压温度采集、均衡处理和CAN1通信子程序。(1)采集子程序由均衡采集板主控MC9S08DZ60向LTC6803发送电压采集命令，LTC6803采集12块锂电池的单体电压和电池包温度，并发送给主控ECU。(2)均衡处理子程序找出8次采集中电压值最低的单体电池的位置，如果它比最高单体值小0.01V，主控ECU控制相应的充电回路导通，给欠压的锂电池均衡充电，反之则不做主动均衡。(3)CAN1通信子程序负责均衡采集板采集的电压、监测点温度并发送给主控板。3.2主控板软件设计主控板系统上电完成各模块的初始化，然后循环地进行母线电流采集和计算SOC、CAN1通信、CAN2通信、数据存储和故障处理等子程序。(1)主控板结合母线电流和电池电压估算电池SOC；(2)CAN1通信子程序主要负责接受每块均衡采集板发送的电压、监测点温度等数据；(3)CAN2通信子程序主要负责与整车ECU发送数据，并且在汽车充电时发送指令给充电机；(4)数据存储子程序是将电池运行的历史数据进行记录；(5)故障处理子程序负责判断出电池的故障情况，包括电压过高、电压过低、过流、过温、电池不均衡、不匹配、CAN总线故障等方面。（下转第139页）汽车实用技术1392016年第5期以明显看出，加入复合再生制动控制策略后，纯电动汽车运行过程中车速变化更加平稳，整体稳定性较好。表3是A、B纯电动汽车模型仿真结果对比。从表中可以看出，加制动能量回收之前，在FTP75工况下，A汽车模型的续驶里程为17.78km。加再生制动能量回收复合控制策略的B纯电动汽车模型，同样的条件下续驶里程为30.27km，比A纯电动汽车模型多行驶约60%里程。5、结论本文提出了适用于纯电动汽车的再生制动复合控制策略，通过对纯电动汽车模型进行仿真，验证了其较使用传统再生制动控制策略的纯电动汽车在能量回收方面具有很大优势，能有效地增加续驶里程，在节能和行驶稳定性方面优势明显，是比较理想的纯电动汽车再生制动控制策略。参考文献[1]林程,王砚生,孟祥峰.奥运纯电动大客车技术与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2001:2-3.[2]陈清泉,詹宜巨.21世纪的绿色交通工具—电动车[M].北京:清华大学出版社,2000:5-6.[3]叶敏,郭金刚.电动汽车再生制动及其控制技术[M].北京:人民交通出版社,2013:7-8.[4]余志生.汽车理论[M].第4版.北京:机械工业出版社,2006:108-109.[5]JingangGuo,XiaopingJian,GuangyuLin.PerformanceEvaluationofanAnti-LockBrakingSystemforElectricVehicleswithaFuzzySlidingModeController[J].Energies2014,7:6459-6476.[6]YeM,BaiZ,CaoB.RobustslidingmodelcontrolforregenerativebrakingofElectricVehicle[C].Proceedingsof2006InternationalPowerElectronicsandMotionControlConference.Shanghai,China,2006:1586-1589.[7]孙旭.轮毂电机驱动汽车复合制动动力学分析及控制[D].长春:吉林大学,2014.（上接第135页）4、实验实验中采用SP-LFP200AHA型200Ah磷酸铁锂电池，充放电高压箱，5KW/1Ω放电电阻，82.6V/30A/2KW充电机。测试采用12节锂电池串联的电池组，然后分别将放电电阻和充电机经充放电高压箱连接到电池组。主控板和均衡采集板均挂载到CAN1总线上，主控板连接到高压箱的充放电继电器和霍尔电流传感器，并对其进行充放电控制；均衡采集板经采集线束接口和均衡线束接口连接到电池组，最后把均衡电流调节至4A。表1均衡前后单体电压值均衡实验经过9个小时的主动均衡，单体电压值前后数值如表1所示，从结果数据可以看到第1节最低电压值升高到了3.301V，第5节电压值升高到3.301V；最高单体电压与其它单体电压差值都小于0.01V，且均衡前电压均方差3.9417e-05，均衡后电压均方差下降到8.2431e-06，实验说明该主动均衡系统能够提高电池单体电压的一致性，有良好的均衡效果。5、结论本文设计的纯电动汽车电池管理系统,通过试验平台验证具有:实时检测电池各种运行参数、主动均衡效率高、均衡电流大、充电机实时控制、故障诊断，而且系统稳定可靠，可以提高电池的安全性、一致性和使用寿命。参考文献[1]张巍.纯电动汽车电池管理系统的研究[D].北京:北京交通大学,2008.[2]王峣.电动车电池一致性配组技术[J].电器工业,2002,(06):010.[3]刘富强.电动汽车电池均衡充放电系统的研究与设计[D].北京:北京交通大学.2013.[4]陈志.电动汽车电池均衡技术的研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.