新型電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統的研究與實(shí)現 — 系統調試和運行結果及總結

8.1系統調試及試運行

管理系統的調試分為各種功能模板的調試，軟件功能調試及系統的整體調試。系統運行正常后，再對電流、電壓、溫度等精度進(jìn)行校準。接著(zhù)進(jìn)行一段時(shí)間的臺架試驗。最后這套系統裝車(chē)，進(jìn)行整車(chē)性能試驗和試運行。在調試和運行的過(guò)程中，主要遇到了以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.系統抗干擾能力較差，當電池大電流放電或車(chē)上電機運轉時(shí)，CAN總線(xiàn)通訊會(huì )丟失數據或錯誤。

2.單電池電壓測量電路中的場(chǎng)效應管和運算放大器由于靜電原因和插拔的影響，會(huì )損壞。

3.2003年7月的5000公里運行實(shí)驗中，由于連續幾天陰雨天氣，導致環(huán)境濕度非常大，系統的CAN通訊完全中斷。經(jīng)深入檢查及測試后，發(fā)現CAN接口電路多數損壞，原因主要是電池組450伏高壓漏電所致。

針對以上問(wèn)題，我們主要采取了如下方法和措施。

1.改進(jìn)電路板，重新布線(xiàn)。電路板上數字與模擬部分要分開(kāi)布線(xiàn)，最后實(shí)現一點(diǎn)接地。電源及CAN接口部分與其他電路要建立足夠的隔離區，以避免電路的相互漏電干擾。在單電池測量電路上加上對場(chǎng)效應管和運放的保護器件。CAN接口芯片由82C250改為耐高壓的82C251.

2.濾波。BMS－Ⅲ系統中，系統供電入口端必須加一濾波器，濾波器的電流不要太大，一般為負載的2～3倍，這樣可防止外界騷擾對系統的沖擊。實(shí)驗中還發(fā)現，充電機的輸出端必須加一個(gè)濾波器，有效抑制高頻干擾，否則，單電池電壓測量不準。電池測量線(xiàn)的外面套一個(gè)磁環(huán)，對抑制干擾也起一定作用。

3.屏蔽。在實(shí)驗中發(fā)現，如果不用屏蔽線(xiàn)，當小電流充放電或者電機DC/DC沒(méi)有工作室時(shí)，CAN總線(xiàn)還能正常工作，電流一旦加大或電機開(kāi)始工作，CAN總線(xiàn)就有可能失靈。最后改用屏蔽線(xiàn)，并且整個(gè)CAN總線(xiàn)的屏蔽都接在一起，CAN總線(xiàn)才完全工作正常。電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)強干擾源的地方，能用屏蔽線(xiàn)的地方盡量用屏蔽線(xiàn)以防患于未然，這是非常值得注意的。

4.改進(jìn)供電系統。以前CAN總線(xiàn)由一點(diǎn)來(lái)供電，這樣當空氣潮濕時(shí)，電池組450伏高壓漏電很容易擊穿CAN接口電路。一方面將接口芯片改成耐高壓的器件，另一方面我們將供電系統改成一頭一尾兩點(diǎn)供電，大大提高了可靠性。

5.修改軟件。在軟件中我們加強了對CAN總線(xiàn)錯誤狀態(tài)的監測，一旦總線(xiàn)出錯，程序將自動(dòng)復位該CAN節點(diǎn)。從軟件方面增強抗干擾能力。

8.1運行結果

8.2.1精度實(shí)驗

在實(shí)驗室我們對系統的精度做了一次全面的試驗，結論是必須采取有效的抗干擾措施，單電池電壓精度才能達到15毫伏，圖8.1是14路單體電池電壓的精度試驗圖。



8.2.2均衡實(shí)驗

我們研制的旁路分流均衡模塊在實(shí)驗室進(jìn)行了42路均衡實(shí)驗?？刂扑惴ㄊ侨^(guò)程電壓均衡控制。按兩只單體電池為一單元進(jìn)行均衡，均衡精度約為正負0.02伏。圖8.2是均衡實(shí)驗圖。



8.2.3診斷實(shí)驗

在實(shí)驗室我們用8節鋰電池進(jìn)行了專(zhuān)家系統的診斷實(shí)驗。圖8.3是診斷實(shí)驗時(shí)在放電過(guò)程中采樣到的單電池端電壓變化曲線(xiàn)，圖8.4是電池診斷模糊專(zhuān)家系統給出的診斷結果。



8.2.4臺架實(shí)驗

系統樣機在電池實(shí)驗室斷續調試運行了近3－4個(gè)月，2002年9月末開(kāi)始在整車(chē)組進(jìn)行現場(chǎng)臺架試驗。改進(jìn)后的樣機裝在燃料電池平臺車(chē)上調試和試運行。

在臺架上進(jìn)行了不同倍率的充電和放電試驗，記錄了充放電過(guò)程中的溫度、電壓、電流變化曲線(xiàn)。特別是收集了大量的單電池電壓的變化曲線(xiàn)，分析了電池組的一致性，對靜態(tài)SOC進(jìn)行了標定和測試，考核了系統的可靠性。圖8.5是臺架試驗過(guò)程中單電池充電時(shí)電壓變化曲線(xiàn)，圖8.6是1/2C放電初期時(shí)的電壓變化曲線(xiàn)，圖8.7是1/2C放電后期的電壓變化曲線(xiàn)。



8.2.5運行實(shí)驗這套系統裝在燃料電池大客車(chē)上，完成了整車(chē)電路調試，進(jìn)行了整車(chē)性能試驗和1600公里的運行，圖8.8是車(chē)輛行駛過(guò)程中的放電電流及電量曲線(xiàn)。



圖8.9和圖8.10是2003年10月25日車(chē)上實(shí)驗的數據曲線(xiàn)。初始走車(chē)時(shí)，路面比較平穩，坡少且坡度都不大，汽車(chē)運行平穩。由下面兩圖可以看出，當汽車(chē)處于平穩運行狀態(tài)時(shí)，蓄電池處于小電流充電狀態(tài)，總電壓變化不大，單體電池電壓也基本處于不變狀態(tài)。



這套管理系統經(jīng)過(guò)了實(shí)驗室性能試驗、近4個(gè)月的臺架試驗和整車(chē)調試及5000公里的實(shí)際運行。在整個(gè)過(guò)程中，系統運行基本正常。在單電池電壓測量、總電壓、總電流、溫度測量及SOC估計和其他功能方面均達到了整車(chē)的要求。對均衡方案和模糊專(zhuān)家診斷也進(jìn)行了研究。結果表明，這套系統具有較高的可靠性和實(shí)用性。取得的主要成果如下：

1.系統實(shí)現了分布式結構、模塊化、多CAN通訊及多功能的先進(jìn)系統。

2.測量實(shí)現了高精度，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。

3.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）%.

4.對鋰電池的均衡電路和均衡算法進(jìn)行了研究和設計，對鋰電池的模糊診斷專(zhuān)家系統進(jìn)行了基本的實(shí)驗。

5.新的SOC估計方法充分考慮各種因素包括一致性對電量估計的影響，加入了各種補償，提高了電量估計的精度。

6.實(shí)現了系統在車(chē)上的運行，解決了系統24V電源自動(dòng)控制、抗靜電干擾、抗電機DC/DC干擾，抗高壓漏電等一系列問(wèn)題。通過(guò)了臺架實(shí)驗并完成了5000公里的整車(chē)實(shí)際運行試驗，解決了出現的一系列技術(shù)問(wèn)題，工程化水平和可靠性有了很大的提高。

同時(shí)系統也不可避免地也存在一些不足，對于系統下一步的改進(jìn)，有如下幾點(diǎn)建議：

1.考慮到將來(lái)診斷系統的擴展以及在混合車(chē)上對SOC的長(cháng)期跟蹤，建議更換CPU.可考慮采用Philips的32位ARM系列嵌入式微控制器，在兼顧性能與成本的基礎上，建議采用32位微控制器LPC2129，LPC2129具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車(chē)、工業(yè)控制應用以及醫療系統和容錯維護總線(xiàn)。這不僅可以降低成本，還可以縮小測量電路板的體積，對于電池管理系統真正走向市場(chǎng)具有重要的意義。

2.均衡電路還只是作了初步的研究，采用了簡(jiǎn)單的旁路分流法，控制算法是全過(guò)程電壓均衡。究竟選用一種什么樣的均衡電路及控制算法才能讓能量的損耗最小，充電均衡還是放電均衡都是很值得研究的問(wèn)題。

3.模糊診斷專(zhuān)家系統離真正實(shí)用還有一定的距離，故障診斷所用規則以及各隸屬度值的確定還需要與電池專(zhuān)家深入探討，并且通過(guò)大量的實(shí)驗不斷調整。

目前系統的診斷以靜態(tài)或慢變化為主，對于實(shí)際車(chē)上的動(dòng)態(tài)診斷還需在數據獲取和SOR評估算法上作進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。