电动汽车动力电池管理系统

陈志楚，潘 峰

（湖北汽车工业学院电信学院，湖北 十堰 442001）

在国内外大力发展纯电动汽车 (EV)、混合动力汽车(HEV)的过程中，高能量锂电池带来了电动汽车革命性的发展。电池管理系统(BMS)是动力和储能电池的必需配套。锂电池单体容量过大，容易产生高温，诱发不安全因素，因此大容量电池必须通过串并联的方式形成电池组。而单体电池本身的不一致性和使用环境的细微差别均会造成电池寿命的差别，大大影响整个电池组的寿命和性能。BMS作为实时监控、自动均衡、智能充放电的电子部件，具有保障安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能，是动力和储能电池组中不可或缺的重要部件[1-3]。

系统设计采用模块式分布结构，其中主要分三个单元：主控单元、强电控制单元、电压采集单元，系统结构如图1所示。

1 系统硬件原理与设计

1.1 主控制单元设计

主控单元主控制芯片采用当今流行的32位ARM微处理器，采用的是恩智浦公司的LPC2368微处理器。因为BMS需要大量的通信和数据处理能力，基于ARM的微处理器具有很强的串行通信能力，和DSP对比，ARM微处理器有性价比高的优势。

图2是485通信模块电路示意图，485通信芯片采用65LBC184芯片、6N137高速光耦、65LBC184差分数据线收发器，可以满足250 kb/s的传输速率，允许在总线上最多挂接128个类似器件，工作温度为－45～85℃，完全满足电动汽车的工作温度，并可完成超强的ESD保护。其中采用6N137高速光耦来进行隔离的作用在于，考虑到车内的工作环境，如果485通信出现故障，浪涌电压通过485信号传输进入单片机，有可能损坏处理器，所以进行光电隔离。

图3为CAN通信模块电路示意图，CAN通信芯片采用TAJ1040，该款芯片是NXP公司的一款高速CAN数据传输芯片。其中电容C20、C25的作用是控制电压斜坡，D7、D8、D9、D10、D11、D12的作用是防止静电与浪涌电压，提高电路的抗电磁干扰能力。

图4为系统模块所采用的电源电路，采用LM2596S-5.0，该款芯片为开关电源，输出电流高达3 A，并且具有功耗小、效率高、输出线性度好的特点，有效地解决了电源发热影响系统工作的问题。考虑到汽车上的低压直流电压有两个标准，一般小型车为DC 12 V，中型车或者大型车为DC 24 V，此开关电源可以在输入高达40 V的情况下，有效地稳压到5 V。由于RAM芯片供电电压为3.3 V，采用AMI1117-3.3稳压芯片，从5 V稳压到3.3 V，其中L2的作用是去耦电感，提高电源抗干扰能力。

图4 电源电路示意图

1.2 强电控制单元设计

强电控制单元采用ATmel公司的ATmega8-APU微控制器，考虑到价格和处理能力的因素，选择该款芯片。该款微控制器具有8路10位ADC，两个串行UART，三通道的PWM控制，512字节的EEPROM，8 k字节的系统内可编程Flash。

强电模块电路主要由电源电路、高压线绝缘监测电路、通信电路、电流检测电路、继电器信号输出电路等组成。电流检测采用开环霍尔电流传感器，该款霍尔电流传感器可用于测量直流、交流、脉冲电流，并且原边被测电流与副边输出电压电气隔离。

1.3 电压采集单元设计

电压采集单元控制器采用ATmel公司的ATmega16微控制器，该微控制器的特性在于比上文介绍的ATmega8内部可编程Flash大，达到16 k，并且多出1路PWM端口，达到四路PWM。

多块大容量动力电池串联时采集这些单体电压需要考虑到隔离问题，本设计采用的方法为光耦继电器法，采用松下公司的AQW212。这种光耦继电器具有开关速度快、导通电阻极小、使用寿命长的优点。用译码器分时导通光耦来采集对应单体的电压。

温度传感器采用常用的温度传感器DS18B20，该种传感器为一款数字芯片，可以使用单总线来访问内部ROM。采用此种传感器是考虑到接线简单，采集温度范围大 (－55～125℃)，并且具有较高的精度可以满足设计要求。

均衡功能采用主动均衡和被动均衡两种方式，主动均衡采用无损耗基于飞渡电容的均衡方式，主要在电动汽车放电过程中使用。被动均衡方式使用功率器件，进行耗电试均衡，可以达到大电流均衡，其最大缺点是能量损耗及发热，所以这种均衡方式主要在均衡充电时使用。

2 系统软件设计

2.1 软件设计概述

硬件电路确定以后，电池管理系统的主要功能将依赖于系统软件的实现。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计也是分不开的。在软件设计时，首先要根据控制系统要求分析软件实现的任务，进行软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。按整体功能分成多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块组合调试，实现软件的全部功能。考虑到系统结构和设计软件的易用性，本系统设计采用C语言编程，因为用到了ARM和AVR的微控制器，使用了两种开发软件，ARM的开发软件为IAR，AVR使用的是ICC的开发环境。

2.2 主控单元

主模块主程序的主要功能有：初始化系统所有参数、实现任务管理、液晶通信、485通信、CAN通信、数据处理、SOC估算、EEPROM读写等。主模块采用uCOS-II操作系统来进行对任务的管理，增强整个系统工作的稳定性。

(1)主机初始化。首先屏蔽所有中断，然后进行OS初始化，创建任务，对任务进行调度，来实现系统功能。

(2)图5所示为接受从机采集模块数据任务流程图，任务一是对485通信的调度，首先初始化485通信的各种参数，发送数据包到强电模块和电压采集模块等待回应，如果收到回应，证明通信成功，然后对从机进行初始化，查询从机地址，等待任务唤醒。任务唤醒后，状态1：读每个电压采集模块电池数量，进行建包；状态2：与强电模块通信，发送查询数据包，强电模块返回电流采集参数和绝缘监测结果数据包；状态3：发送查询数据包给电压采集模块，电压采集模块应答，返回电压参数和温度参数数据包。每次循环操作完成后再次等待任务唤醒。

图5 主控单元软件流程图

(3)任务二如图5中的液晶控制流程图所示。主机初始化后，等待任务唤醒。任务唤醒后，初始化显示参数，每次通信之前读取液晶当前界面，识别当前液晶信息之后，确定状态标志，然后进行数据发送供液晶显示。

2.3 485通信子程序

如图6所示，在进入从机通信任务后，主机发送查询数据包，等待从机回应。如果从机不回应超时，则返回失败函数不返回数据；从机回应，进行CRC校验。CRC校验正确后，进行数据解包，返回数据；若CRC校验不成功，再次发送查询数据包，直到CRC校验正确为止。

图6 485通信流程图

2.4 电压采集单元软件设计

电压采集模块程序流程图如图7所示，首先进行系统初始化，控制器对译码器进行操作，等待进入AD中断，进入AD中断以后读AD采样值。若主机发来查询命令，每次进入AD中断后，读取AD采样值，建包发送采样值给主机，在每次扫描完电压值以后，发送温度采样值给主机，如上进行循环。

2.5 强电控制单元软件设计

图8 强电控制单元软件流程图

强电模块程序流程如图8所示，首先进行系统初始化，然后等待主机命令。当主机检测到故障出现时会发送命令进入中断程序，中断程序为输出继电器信号。若没有严重故障发生时，跳过中断，等待状态标志，进行电流采集，绝缘监测，然后建包通过485发送数据给主机。

2.6 软件抗干扰设计

因为主模块控制采用了uCOS-II操作系统，其本身具有很高稳定性，但是在调试过程中，偶有出现通信不稳定的情况，后来发现是从机模块出现问题，导致主机一直通信不上。在把从机都加上看门狗以后，通信成功率得到了提高。

在处理电流显示时，往往出现电流突然变化、瞬间变化上百安的情况。经过分析应该是采集电流时，电流传感器离电机比较接近，偶尔会出现干扰，导致电流突然变化，在加入了数字滤波器以后，有效解决了这个问题，电流出现的瞬间变化情况消失。

3 系统调试

3.1 电路板制作

本次设计严格按照汽车工业标准来印制电路板，在画板时充分考虑到电磁兼容的问题。接插件方面选择工业用航空接插头，通信线缆选用工业标准的屏蔽双绞线RVSP进行485通信和CAN通信。下面对本次电路板设计执行的标准进行简要的介绍。

对地的处理，数字地和模拟地采用电源单点接地，在IC的电源方面大量使用电感和电容，增强电源的去耦性能，去耦电容必须接近IC电源端口。地线的布线严格按照电流的流动方向布线。

在元器件的布局方面，采用低速、中速、高速分开布局的方法来减小模块之间的互扰。安排电路时尽可能使布线最短，保证不适用长距离平行线。

在布线方面，走线采用45°走线，尽量不采用直角走线。减少过孔数量，尽量少用或者不用树形信号线。采用大面积铺地来增强系统的抗干扰能力。

3.2 系统装车调试

为了装车实际测量，本次调试安装在一辆东风小康K17改装的纯电动汽车上。该车使用的是45串100 Ah的磷酸铁锂电池，其标准工作电压为2.8～4.0 V。

因为本次设计的电池管理系统电压采集模块可以采集16块锂电池，该车串联电池组为45块，所以本次采用3个电压采集模块，每个电压模块管理15块锂电池、4个温度采样点。表1为电池组1电压采集测试结果。

本次测量的电池为刚采购的电池，所以电池组的单体一致性很好，测量结果达到预期效果（精度±5 mV）。

温度采样值如表2所示，当用手握紧温度传感器时，液晶显示数值有明显上升趋势，当上升到31℃左右时停止上升，达到预期效果。

电流传感器安装在高压总线上以后，启动电动车，踩下加速踏板以后，可以检测到电流值，电流从0线性变化到58 A，因为多方面原因，没有上路测试，所以在没有负荷的情况下，不方便测量大的放电电流。在液晶报警设置界面中设置放电切断电流为50 A时，当踩下加速踏板时，电流值50 A以后，强电模块马上输出开关信号闭合连接上的DC 12 V继电器，达到预期测试效果。

表1 电池组1电压采集测试结果

表2 电池组1温度采样结果

绝缘检测时，当用一根铜线连接高压总负，使其搭铁时，液晶马上显示出报警图标，验证成功，达到预期效果。

4 结语

随着我国电动汽车产业的快速发展，电动汽车动力管理系统作为电动汽车的核心电子产品，正在受到越来越多的重视。本设计使用ATmega16和LPC2368为核心的控制平台，完成电池的电压、电流、电量及温度等多个参数的检测，而且测量数据和报警参数可在LCD上显示。系统还通过软件对传感器的非线性、温度等影响进行修正和补偿，并具有声光报警功能，具有较高的实用价值。在后期的研发工作中，还需要对系统进行长时间的大量测试，来获得实际运行参数，以提高其可靠性和稳定性。另外，在产品的包装方面还有待升级完善，外壳尺寸需要减小，以便于在小型车内进行安装。

[1]孟良荣，王金良.电动车电池现状与发展趋势[J].电池工业，2006，11(3)：202-206.

[2]卢汉辉.串联电池组电压巡检模块的设计[J].现代电子技术，2007，16：53-60.

[3]文明，方凯.电动车辆电池电量检测仪的设计[J].工业仪表与自动化装置，2007，3：21-22.