电动客车动力电池管理系统的开发研究

司传胜

(淮阴工学院交通工程学院，江苏淮安223003)

0 引言

电动车的产业化关键在于动力电池及应用技术产业化的研发。目前制约电动车发展的主要瓶颈是电池及其应用技术。智能管理系统能够对动力电池组进行现场管理，还能够对每只电池进行监测和控制，能够方便地同主机系统联接、实现集中监控和数据传输。能够实时监测动力电池的性能参数，定时测量单个电池的端电压，以及电池温度和工作电流，将这些参数显示于液晶显示器，当电池的电压、电流、温度任一个超标时，切断电池组的控制回路，对电池的SOC(State of Charge)进行计算，通过液晶显示器显示。

电动车运行工况比较复杂，如环境温湿度变化、载荷量变化、气压变化、大气腐蚀、振动冲击、输入输出功率的骤变、静态放置等等，由此决定了电池的工况也比较复杂。要使电动车在各种工况下具有良好的工作特性，就必须对蓄电池管理系统结构进行规划和设计，来保证管理系统可靠、安全的实际应用，避免过充电和过放电，延长蓄电池的使用寿命，提高电池的综合性能。

1 电动客车动力电池管理系统设计总体方案

1.1 电池管理系统的主要功能

(1)精确监测电池组的各种运行参数，如模块电压、电池组总电压、电池温度、电池以及压力等;

(2)通过测出的电池参数预测电池的SOC、最大允许充放电电流、放电深度等;

(3)控制电池的充电，根据电池当时的状态决定可冲入或放出的电量，避免损害电池;

(4)模块电压采用高分布式采集方案，用CAN总线传输采集数据;

(5)电池管理系统采用高速CAN总线与整车控制系统通信，达到实时性，可靠性的要求;

(6)实时获得电池组的各种状态，在出现故障时发出不同等级的报警信息，并能够采取相应的措施，保障电池组的安全;

(7)电池组内所有单体电池的SOC和电压的均衡控制;

(8)电池组的热管理。

1.2 电池管理系统的基本结构

该电池管理系统结构图如图1所示。

图1 电池管理系统结构图

2 系统硬件设计

电池管理系统电路由电源模块、DSP芯片TMS320LF2407A、基于多个OZ890的数据采集模块、I2C通信模块、SCI通信模块、CAN通信模块组成。

2.1 电源模块

整车提供的电源为+12V，管理系统需要的电压包括:+3.3V(DSP，隔离电路用)、+5V(总线驱动等芯片用)、±15V(电流传感器)，可以通过DC－DC转换得到，这样不但可以满足各个芯片的供电需求，而且可以起到隔离抗干扰的作用。

2.2 数据采集模块

由DSP完成总电压、电流及温度的采集。电池单体电压的采集和均衡由OZ890芯片完成，并利用I2C总线发给DSP，本模块电路主要包括前端采集处理和均衡电路。

2.3 I2C 通信模块

OZ890采样模块将采集处理后的数据通过I2C总线发送到LF2407，由于LF2407自身不带I2C接口，本设计利用PCA9564扩展其I2C接口。为了防止电磁干扰影响I2C总线上数据的传输，必须对总线信号进行隔离，考虑到I2C总线是双向传输的，使用AduM1250双向隔离芯片进行隔离。

2.4 串口通信模块

电池管理系统将采集处理后的数据通过串口发送到PC机界面上，实现人机交互。通过串口界面，可以观察到电池的总电压、单体电压、电流、SOC、故障状态、充放电功率等参数，还可以通过串口发送实现管理系统的在线标定。

MAX232是+5V电源的收发器，与计算机串口连接，实现RS－232接口信号和TTL信号的电平转换，使BMS和PC机能够进行异步串行通讯。

为了防止电磁干扰影响串口上数据的传输，必须对总线信号进行隔离。串口是单向传输，所以利用6N137光电耦合较为方便。

2.5 CAN 通信模块

CAN通信是架接电池管理系统(BMS)与整车HCU之间的信息桥梁，BMS将电池的状态参数通过CAN总线发给HCU，HCU通过判断当前的电池状态来做出决策，分配电机和发动机之间的功率，控制电流的充放电。同时BMS还可以接收HCU发来的相关命令，做出相应的处理。其硬件方面主要是通过PCA82C250通用CAN收发器来提供对总线数据的差动发送能力和对通信总线数据的差动接收能力。

3 系统软件设计

动力电池组综合管理器软件系统从功能上分为系统初始化、人机接口、数据处理、故障诊断、通信与网络五个程序模块。系统初始化模块主要完成中央处理电路的诊断与启动以及系统变量的初始定义和设置;人机接口模块负责输入命令的处理和输出信息的显示;数据处理模块完成数据的采集和转换、电池组剩余电量预测算法实现等功能;故障检测与诊断模块实现对电池组异常状态的报警功能;通信与网络模块保障系统内部，及系统与其它车载控制单元间完成实时、高速而可靠的信息交互。

图2 剩余电量计算程序流程图

图3 CAN发送流程图

电池荷电状态SOC描述电池剩余电量的数量，是电池使用过程中的重要参数。因此SOC估算是电动汽车电池管理系统的重要功能。本系统中，CAN发送时中央处理器(CPU)必须将发送信息传送到发送缓冲区中，并置位命令寄存器中的发送请求标志。当整车控制器需要当前的剩余电量时，发出远程祯请求电池管理系统发送剩余电量，调用CAN发送模块，此时电池管理系统发送剩余电量数据祯。剩余电量计算程序流程图见图2;CAN发送流程图见图3。

4 结论

电池管理系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，电池组管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态(电池电压、电流和温度)，通过对这些参数的测量，预测蓄电池的SOC和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。目前，在对电池的工作参数测量中大多采用的是用机械继电器或光电继电器选通各节电池来进行测量，由于电池很多且主控板和电池有一定距离，最后不可避免的使连接线束过大且接线时容易出错，造成故障与安全隐患。因此我们设计了带CAN接口的智能测量节点对电池参数进行测量，然后利用CAN总线把各节点连接起来由一个上位机管理，接线简洁，可靠性高，而且更为重要的是还可以和车上其它CAN控制单元连接起来，实现信息的共享。

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