电动车电池管理系统设计及实现

摘要：本文介绍了电池管理系统的基本功能，提出了一种分散数据采集和集中数据处理的实现方法。实现了电动车电池电压、电流及温度等参数的监控，保证电池在正常状态下工作，延长了电池的使用寿命。
关键词：电动车；电池管理系统；监测；控制

0 前言
电动车的开发和研究是解决能源短缺和改善环境的有效手段之一，是当代汽车发展的重要方向，“十一五”期间被列入了“863计划”重大专项。目前，电动车技术越来越受关注，影响电动车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题。延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制。

1 基本功能及系统结构
1．1 基本功能
电池管理是基于微计算机技术、检测技术和自动控制技术对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余电量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态，进一步提高电池组的可靠性，达到延长电池使用寿命，降低运行成本的目的。电池管理要实现以下几个功能：
(1)数据采集：实时采集电动车电池组中的每块电池的端电压、温度和充放电电流。
(2)SOC(荷电状态)的估算：预报电动车电池的剩余容量，让用户了解电池的使用情况。
(3)电气控制：根据所检测的电池组中每块电池的有关数据，通过一定的运算处理，确定每块电池的充放电状态，当电池的充电达到额定容量时控制充电器停止充电，实现智能充电。当电池电量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命。当电池组的温度过高时，及时报警并停止电池放电。
(4)数据显示：实时显示电池组总电压、单体电压、电流及温度参数。
(5)数据共享：与外部设备进行通信，实现数据的共享。
1．2 系统结构
电池管理系统主要应用在电动车上，在设计上应尽量使系统结构先进，合理可扩展；功能完备，满足电动车的全面要求；各种参数检测精确度好，可靠性高。根据这一设计思路，本文提出一种分散数据采集和集中数据处理的方法，设计了电压、电流、温度采集电路，通过中央控制单元完成算法与控制。其结构框图如图1所示。

电池管理系统采用中央控制单元(CECU)和本地智能采集单元(LECU)两级结构，本地智能采集单元主要完成电池信息和状态检测，包括电压、电流、温度、充放电状态等的检测；中央控制单元完成数据的处理、SOC计算、逻辑判断和相应的控制。CECU和LECU的数据传输通过CAN总线通信，实现系统的集中管理与分布控制，方便电池在车上的分散布置，减少线束，提高系统的可靠性。
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2 系统硬件设计
2．1 单体电池电压测量
单体电池电压测量的基本原理是采用分时测量的方法，把串联电压统一连接到检测总线A、B上。测量时，不同的时刻检测总线A、B分别连接在串联电池组中某一个单体电池的两端，这样，当按照一定的时间策略扫描时，就能让串联电池组中每一个单体电池的电压都能在检测总线A、B之间依次出现一次，起到把单体电池电压剥离出串联电池组的目的。具体实现是采用一组由n+1个开关组成的开关阵(n为串联电池数)，开关阵与串联电池组的连接见图2，连接的原则是单号开关的一端依次接奇数号电池的负极，另一端接检测总线A点，双号开关的一端依次接偶数电池的负极，另一端接检测总线B点。

开关阵每次导通两个，次序为：K1K2、K2K3、…KiKi+1、…Kn-1Kn、KnKn+1，通过这种每次只导通相邻两个开关的策略可以将单体电池电压从串联结构中分离出来，送到检测总线A、B之间。当第i和i+1开关导通时，A、B上的电压分别为：

显然，A、B之间形成了一对双端差模信号，该信号含有很高的共模信号。为了把检测总线A、B之间的双端差分电压信号转换成对地的单端电压信号，同时消除单体电池差分电压中的共模信号。图1电路中采用运算放大器A1、电阻R1、R2、R3、R4构成一个差分放大器，取R1=R2 =R3=R4，该放大器的增益为1。这样，A、B之间的电压UAB为：

UAB经过跟随电路和绝对值电路后，被A／D转换电路采样，实现了电池电压的测量。
2．2 电流检测
电流采集采用闭环霍尔电流传感器。电动车额定工作电流为150A。为保证测量精度，电流传感器额定测量值为被测信号1-1．5倍较为合适，本文的霍尔电流传感器采用北京森社公司宇波模块CHB-200SF霍尔效应电流传感器。测量频率是0～100kHz，供电电压为正负15V，测量范围为0～200A，匝数比为1：2000，精度0．5％～1％，响应时间小于1 μs。其测量电路如图3所示。

传感器的输出电流经过采样电阻R5转换为电压信号。R5为精密金属电阻，R5=20Ω／2W。由于从传感器过来的电流是双向(-75mA-+75mA)的，因此其转换得到的电压是正负电压，这样不利于A／D采样。为此本文设计了一个加法器，它的功能是将以0V为中心的正负电压提升至以2．5V为中心的正电压(1～4V)，这个电压范围正好是A／D采样的范围。[p]
2．3 温度检测
电池温度的测量采用DALLAS公司的DS18B20温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司继DS18B20之后推出的增强型单总线数字温度传感器，其温度测量范围是-55～+125℃，用户可以通过编程实现9～12位的温度转化结果，即具有可调的温度分辨率，最高分辨率可达0.0625 ℃。DS18B20内部对采样的结果可提供0．5℃的分辨率，采样结果以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。

系统需要采集多点的电池温度，本文曾考虑过采用DS18B20的多点组网功能来实现单体电池温度采样，但是多点采样时需要识别每个DS18 B20独有的ROM码，影响采样速度，同时无法将ROM码同器件的实际物理位置关联起来，所以多点组网功能不适合单体电池温度的巡检。本文提出一种同时启动，分时读取数据的DS18B20多点温度采样方法。该方法中DS18B20的采样启动和数据读取都是跳过ROM码校验进行的。DS18 B20的连接方式如图4所示。

图中K1、K2、……Kn表示的是光电继电器，其通断情况同样由移位寄存阵控制。一开始K1、K2、……Kn全部闭合，MCU向所有DS18B20发送采样启动命令，启动命令发送完后断开所有光电继电器，然后逐个闭合K1、K2、……Kn，读取相应传感器的温度数据，实现分时读取数据。采用同时启动分时读取数据的多点温度采样方法，其所用时间仅比单点温度采样所用的时间多了数据读取的时间，所以其采样速度比较快。[p]

3 系统软件设计
3．1 LECU模块软件设计
本地智能采集模块负责将电池的各项信息采集后发送到中央管理模块。系统上电后，首先对各个变量、CAN通信和定时器进行初始化。各项初始化完成之后，开启两个定时中断Timer0和Timer1，进入死循环。Timer0产生定时中断后，进入中断服务程序启动电压数据采集，将采集到得数据存入指定的存储位置，中断时间为500ms。Timer1同样设置为500ms产生一个电断，进入中断后启动电流和温度数据采集，然后将采集到得电流、温度和单体电池电压数据一起通过CAN总线发给中央处理单元。本地智能采集模块的程序流程图如图5所示。

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3．2 CECU模块软件设计
中央管理模块完成对LECU模块采集的数据的分析、处理和显示。主要包括充放电状态判断，对电压、温度进行排序，判断电池电压、电流、温度是否异常 如果异常，对异常情况做相应的处理和报警；根据电池的各项参数对电池进行SOC估算，在LCD上显示电池组的工作状态，包括总电压、总电流、电池组的最高电压与最低电压、最高温度与最低温度、各单体电池的电源、电池剩余电量SOC、充放电状态、报警信息等。中央管理模块的程序流程图如图6所示。

4 SOC估算方法
本文采用了一种综合的电量估计方法，它以开路电压法和安时积分法为基础，充分考虑各种影响因素并进行补偿。
(1)开路电压法获取每次上电的初始剩余电量SOC0开路电压法利用电池的放电深度与电池的开路电压的关系，通过测量电池的开路电压来估算SOC。在实际运用中，电池管理系统实时所采集的电池端电压在电池充放电的过程中变化比较大，不能准确地对应电池的开路电压，所以我们无法在运行过程中利用端电压来估计电池的剩余容量。但是，电池在停止充放电后，其端电压会发生变化，随时间逐渐趋于稳定。当端电压稳定时，这时的端电压与容量的关系就比较明确。电池静置的时间越长，其端电压越能表征其内部容量。所以可以考虑将电池的静置时间t作为参数，在电池静置前的容量SOCn与电池稳定后其端电压所表征的容量SOCm做一定的加权，如式(4)。

式中：T为电池端电压稳定所需的时间；t为电池静置时间(即两次使用的间隔时间)；SOCn为电池静置前的剩余容量；SOCm为电池端电压稳定时的剩余容量。
理论上来说，T是一个无穷长的时间，但实际上，一般端电压的变化率小于一定值时就认为其是稳定的。电池稳定后其端电压所表征的容量SOC由电池供应商提供的电池参数确定。
(2)安时法确定放电状态下t时刻剩余电量SOCt假设在△t时间内，电池以恒定电流放电，在时刻n其电池时间容量为：

式中：△C(放电为正，充电为负)为△t时间内电池的充放电容量。
由C=Idt转化为积分形式后，即：

式中：Ct为t时刻电池的容量；C0为放电初始电池容量；i(t)为t时刻的电流。
由上式可估算出t时刻电池的剩余电量SOCt：

当然电池不是一个简单模型，它的电量受到温度、充放电电流、充放电循环次数、自放电等多种因素影响，其中有些因素对电量估计的影响很大。因此剩余电量的估算应该充分考虑各种因素的影响，并进行相应的补偿，如：充放电效率补偿、自放电及老化补偿、放电率补偿和温度补偿等。

5 总结
电池管理系统是电动车不可缺少的一部分，它运用各个学科的技术手段来实现电池状态的监控和管理，从而提高电动车运行的可靠性，延长电池的使用寿命，为电动车下一步的智能一体化提供了可扩展的平台。