動(dòng)力電池管理系統硬件設計技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)是指全部或部分由電機驅動(dòng)的汽車(chē)。目前主要有純電動(dòng)汽車(chē)、混合電動(dòng)車(chē)和燃料電池汽車(chē)3種類(lèi)型。電動(dòng)汽車(chē)目前常用的動(dòng)力來(lái)自于鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。

鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當前比能量最高的電池。但正是因為鋰電池的能量密度比較高，當發(fā)生誤用或濫用時(shí)，將會(huì )引起安全事故。而電池管理系統能夠解決這一問(wèn)題。當電池處在充電過(guò)壓或者是放電欠壓的情況下，管理系統能夠自動(dòng)切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節電池的壓差維持在一個(gè)很小的范圍內。此外，還具有過(guò)溫、過(guò)流、剩余電量估測等功能。本文所設計的就是一種基于單片機的電池管理系統[1]。

1 電池管理系統硬件構成

針對系統的硬件電路，可分為MCU模塊、檢測模塊、均衡模塊。

1.1 MCU模塊

MCU是系統控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號的單片機。該系列所有的MCU均采用增強型M68HC08中央處理器(CP08)。該單片機具有以下特性：

(1)8 MHz內部總線(xiàn)頻率；(2)16 KB的內置FLASH存儲器；(3)2個(gè)16位定時(shí)器接口模塊；(4)支持1 MHz～8 MHz晶振的時(shí)鐘發(fā)生器；(5)增強型串行通信接口(ESCI)模塊。

1.2 檢測模塊

檢測模塊中將對電壓檢測、電流檢測和溫度檢測模塊分別進(jìn)行介紹。

1.2.1 電壓檢測模塊

本系統中，單片機將對電池組的整體電壓和單節電壓進(jìn)行檢測。對于電池組整體電壓的檢測有2種方法：(1)采用專(zhuān)用的電壓檢測模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構建電阻分壓電路。采用專(zhuān)用的電壓檢測模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過(guò)程比較復雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測。10串錳酸鋰電池組電壓變化的范圍是28 V～42 V。采用3.9 M?贅和300 k?贅的電阻進(jìn)行分壓，采集出來(lái)的電壓信號的變化范圍是2 V～3 V，所對應的AD轉換結果為409和*。

對于單體電池的檢測，主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示[2]，為電池組后4節的保護電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動(dòng)信號，控制MOS管的導通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。

如圖1所示，為電池組后4節的保護電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動(dòng)信號，控制MOS管的導通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。

以上6節電池可以用2個(gè)三通道開(kāi)關(guān)切換陣列來(lái)實(shí)現。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現通道的選擇。開(kāi)關(guān)S5、S6、S7負責將電池的正極連接至飛電容的正極。開(kāi)關(guān)S2、S3、S4負責將電池負極連接至飛電容的負極。三通道開(kāi)關(guān)切換陣列結構與四通道開(kāi)關(guān)切換陣列類(lèi)似，只是通道數少1路。工作時(shí)，單片機發(fā)出通道選址信號，讓其中1路電池的正負極與電容連接，對電容進(jìn)行充電，然后斷開(kāi)通道開(kāi)關(guān)，接通跟隨放大器的開(kāi)關(guān)，單片機對電容的電壓進(jìn)行快速檢測，由此完成了對1節電池的電壓檢測。若發(fā)現檢測電壓小于2.8 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護系統到電池的檢測線(xiàn)斷路，單片機將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復上述過(guò)程，單片機即完成對本模塊所管理的電池的檢測。

1.2.2 電流采樣電路

電流采樣時(shí)，電池管理系統中的參數是電池過(guò)流保護的重要依據。本系統中電流采樣電路如圖2所示。當電池放電時(shí)，用康銅絲對電流信號進(jìn)行檢測，將檢測到的電壓信號經(jīng)過(guò)差模放大器的放大，變?yōu)?～5 V的電壓信號送至單片機。如果放電的電流過(guò)大，單片機檢測到的電壓信號比較大，就會(huì )驅動(dòng)三極管動(dòng)作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對于36 V的錳酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設定其保護電流是60 A?？点~絲的電阻是5 mΩ左右。當電流達到60 A時(shí)，康銅絲的電壓達300 mV左右。為提高精度，將電壓通過(guò)放大器放大10倍送至單片機檢測。

1.2.3 溫度檢測

電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)， 這部分熱量不及時(shí)排除會(huì )引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鎳氫電池溫度超過(guò)55℃，電池特性就會(huì )變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì )被打破，繼而導致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對電池組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并進(jìn)行散熱處理。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導體電阻器，其電阻值隨著(zhù)溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來(lái)表示：

1.3 均衡模塊

電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統中，需要較多的I/O口驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而單片機的I/O口有限，所以采取整充轉單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開(kāi)關(guān)，Q2、Q3、Q5是控制單節電池充電的開(kāi)關(guān)。以10節錳酸鋰電池組為例，變壓器主線(xiàn)圈兩端電壓為42 V，副線(xiàn)圈電壓為電池的額定電壓4.2 V。剛開(kāi)始Q4導通，Q2、Q3、Q5截止，單節電池的電壓不斷升高，當檢測到某一節電池的電壓達到額定電壓4.2 V以后，電壓檢測芯片發(fā)出驅動(dòng)信號，關(guān)閉Q4，打開(kāi)Q2、Q3、Q5，整個(gè)系統進(jìn)入單充階段，未充滿(mǎn)的電池繼續充電，以達到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測試，電壓差值不會(huì )超過(guò)50 mV。

2 SOC電量檢測

在鋰離子電池管理系統中，常用的SOC計算方法有開(kāi)路電壓法、庫倫計算法、阻抗測量法、綜合查表法[3]。

(1)開(kāi)路電壓法是最簡(jiǎn)單的測量方法，主要根據電池開(kāi)路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開(kāi)路電壓與電池的剩余容量存在著(zhù)一定的對應關(guān)系。

(2)庫侖計算法是通過(guò)測量電池的充電和放電電流，將電流值與時(shí)間值的乘積進(jìn)行積分后計算得到電池充進(jìn)的電量和放出的電量，并以此來(lái)估計SOC的值。

(3)阻抗測量法是利用電池的內阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)測出電池的電壓、電流參數計算出電池的內阻，從而得到SOC的估計值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數是密切相關(guān)的。通過(guò)設置一個(gè)相關(guān)表，輸入電壓、電流、溫度等參數就可以查詢(xún)得到電池的剩余容量值。

在本設計中，從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮，采用了軟件編程的方法。綜合幾種方法，采用庫倫計算法比較合適。

(1)用C表示鋰電池組從42 V降到32 V時(shí)放出的總的電量。

(2)用η表示電流i經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，放出的電量與C的比值。

其中CRM為剩余電量。令ΔCi=i×Δt，表示?駐t時(shí)間內電池組以i放電的放電量；或者是以i充電的充電量，剩余電量實(shí)際上是對ΔCi的計算以及累加。設定合適的采樣時(shí)間Δt，測定當前的電流值，然后計算乘積，得到Δt時(shí)間內剩余容量CRM的變化量，從而不斷更新CRM的值，即可實(shí)現SOC電量的檢測。

3 試驗結果

通過(guò)電池管理系統對錳酸鋰電池組進(jìn)行充放電測試。圖4(a)為鋰電池組放電測試圖，放電電流為8 A，當電池組電壓降至32 V時(shí)，放電MOS管關(guān)斷。圖4(b)為充電的測試圖。充電結束4小時(shí)后，均衡完成。

本文的電池管理系統以M68HC08GZ16為核心，實(shí)現了對電池組單體電壓、電流、溫度信號的采集。充電電量平衡以