新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现----系统的总体设计(一)

admin

3.1总方案
          电池管理系统应用于混合电动车，平台采用车载方式。在设计上应尽量使管理系统结构先进、合理、可扩展；系统功能上要完备，满足电动车的全面要求：各种参数测量精度高、EMC合格、可靠性高等。根据这一总方案指导思想，研制出了新一代的锂电池管理系统，具体功能如下：
           

       

•                 电池信息实时采集，包括单体电压、电池组总电压、温度、充放电电流；        
  
•                 存储重要的电池信息及重要数据；        
  
•                 剩余电量估计功能及显示；        
  
•                 提供数据传送的接口，包括同上位机通讯和同整车通讯以进行车体控制；        
  
•                 安全、可靠、抗干扰性强、有良好的人机交互功能；        
  
•                 在充、放电过程中对单体电池进行均衡和诊断。
  

         
        这套电池管理系统采用分布式结构，用多单片和多CAN通讯系统。按积木化设计各个功能模块并采用了5寸半液晶、标准CAN及RS232接口以及多种抗干扰措施，满足了燃料电池大客车的基本要求：
           

       

•                 实现了分布式结构、模块化、多CAN通讯及多功能。        
  
•                          
  
•                 测量实现了高精度，总电流与总电压精度分别为0.5%和0.2%，使电量计量更加精确。        
  
•                          
  
•                 具有特色的锂电池单体电压测量电路，达到了108-126路，可以扩展至更多路，精度在（0.1-0.2）%.        
  
•                 实现了系统在车上的运行，解决了系统24V电源自动控制、抗静电干扰、抗电机DC/DC干扰，抗高压漏电等一系列问题
  

           
          系统设计为分布式，主要由以下几个部分构成，即测量板、中央处理模块、SOC估计模块、专家系统模块、与整车通讯模块和显示控制模块。各模块独立工作，它们之间通过CAN总线相互通讯。电池管理系统的框图参见图3.1.
         
       
       
       
        各模块的主要功能如下：
           

       

•                 测量板：主要完成单体电池电压和温度的测量，将数据传到内部CAN总线上；直接负责对均衡控制模块发出接通和关闭分流电路的信号，同时接收中央处理模块发来的组均衡控制信号。        
  
•                 启分流装置，调节充电电流，使电池组内电池更加均匀和一致。        
  
•                 中央处理模块：主要完成对总电流、总电压、环境温度的测量，同时负责对下一级9块测量板之间的组均衡进行控制。        
  
•                 专家系统模块：接受内部CAN总线上的数据，对单体电池进行实时诊断，给出健康等级和报警信息，将结果传给显示控制模块。        
  
•                 SOC估计模块：由一块参数估计板构成，根据接收中央处理模块传递过来的数据，进行分析处理计算，计算出剩余电量和功率强度。        
  
•                 显示控制模块：显示控制板接收内部CAN总线上的数据，然后送到液晶显示屏显示。同时，显示控制模块外留RS232借口，可以传输数据给上位机。        
  
•                 与整车通讯控制模块：接收内部CAN总线上的数据，然后通过外部CAN总线将数据发给整车，同时接收整车发过来的信号。
  

         
       
         
       
        系统中共包含9个测量模块，它们都通过CAN总线与系统相连，实现分布式测量。为了同车体其它部分通讯且不干扰系统内部各模块的通讯，系统采用了另一条独立的CAN总线，这里我们叫做外部CAN总线。可以看到，与整车通讯模块在这里同时是两个CAN网络的节点，起到了网关的作用。模块完整的内部结构图如图3.2。
           
          3.2公共主板的特点：
          80C552 80C552单片机是用CMOS工艺制造的80C51系列产品之一，具有和80C51相同的指令系统，80C552可以用TLL电平兼容的存储器或接口电路进行系统扩展。
       
        其特性如下：

       

•                 80C51CPU；        
  
•                 8K字节ROM，可扩展至64K字节；        
  
•                 具有4个捕捉寄存器和3个比较寄存器的附加16位定时器/计数器；        
  
•                 2个标准的16位定时器/计数器；        
  
•                 256字节RAM，外部可扩展至64K字节；        
  
•                 能产生8路同步定时输出；        
  
•                 8路模拟量输入，10为A/D转换器；        
  
•                 2路8位分辨率的脉宽调制（PWM）输出；        
  
•                 5个8位I/O口，一个和模拟信号公用的8路输入口；        
  
•                 I2C总线接口；        
  
•                 和80C51兼容的全双工异步串行口（UART）；        
  
•                 一个监视定时器（Watchdog Timer）；        
  
•                 时钟速率12MHz和16MHz；        
  
•                 宽的工作温度范围；        
  
•                 具有OTP一次编程器件；        
  
•                 两种封装形式LCC和QFP；
  

           
        3.3单电池端电压测量
          单电池端电压是对电池充放电方式选择、剩余电量计算、运行状态评估和对电池好坏分析的基本依据之一，因此一个行之有效的单电池端电压测量方法是电池组监控和诊断成功的前提条件。但是由于电池组中总电压高、电池数目多和高精度的测量要求，使得它具有较大的难度。在以前系统中，电池端电压测量采用普通光藕TP521，由于它存在诸多缺点，我们设计了全新的移位电路，在下面分别介绍之。
       
        3.3.1以前系统电池端电压的测量方法
           
          下图3.3是用TP521光藕进行电池端电压进行隔离和变换的原理图：
         
       
       
         
       
        主要的设计思想是，电池电压Uin通过光耦的输入二极管产生电流Ia，这个电流通过光耦的耦合作用产生输出电压Uout。只要适当地调节光耦的输入二极管的工作点，就可以使得Uin和Uout成正比关系。输出电压Uout作为单片机的A/D转换端口的模拟输入信号，经A/D转换后为0～1023（即10位二进制位）之间的数字量，再经过标度变换，将其转换成电压值。利用在不同输入电压下系统采样得到的采样值经过最小二乘拟合就可以得到电压变换函数。
       
        光藕的线性区域较小，经过大量实验，证明该器件的线性区域为Ia∈[0.2，0.6]，应合理选择R1和R2，保证输入和输出的线性关系。P1为变阻器，其目的是微调Ia，使得在同一输入电压下每块电池采样板的Ia完全相同，从而保证同一个电池在不同的采样板上进行测量时能得到相同的结果。R3和R4的选择也应该保证光耦的三极管工作在线性区域。
       
        此测量方法的最大缺陷是光藕的温漂现象，下表3.1是几节电池在不同温度下的测量数据：
         
       
       
         
       
        从上表的数据中可得出：当电池端电压处于工作常用电压范围时，以环境温度22℃为基准，环境温度每上升一度，测量值受温度的影响约为-0.06伏，温度对测量的影响是很大的。
       
        为了减少温度对端电压测量的影响，可采取以下两种方法：
           
          方法一：温度补偿。具体方法为：将测量板上所有光耦表面粘上同一根导热性好的金属条，目的是为了各个光耦上的温度一致，再测量这根金属条上的温度，把这个温度作为温度补偿用的环境温度。单片机在计算端电压时将这个温度与基准温度的差乘上一个补偿系数作为补偿电压。但这要求温度测量准确，何况不同光藕的温度系数也不同。
       
        方法二：总电压校正。由于总电压是各单电池端电压之和，这样就可以通过测量总电压与单电池端电压总和之差，将这个差值分摊在每个电池的端电压上，从而达到提高单电池端电压绝对精度的目的。但这也有一个缺点：单电池测量电压偏差大的电池经总电压校正后，偏差将更大。
       
        总之，用以前测量单电池电压的方法难以取得高的精度，并且调试难度很大，因为不同批出厂的光藕的特性都不一样。新系统设计时，针对锂电池，设计了全新的电路，测量性能大大提高。
           
          3.3.2用移位电路实现单电池电压测量
          针对锂离子电池最大电压低于4.2V的特点，我们设计了下面移位电路图3.4用于单电池电压测量，此电路用低成本运放LM258和场效应管BSS84及一些辅助元件组成，在很宽的温度范围内有恒定的增益。
       
        此电路专为锂离子电池设计，对其他电池通过适当修改电路参数来完成，下面是它的工作原理：设电池组最后一节电池为B1，最上一节Bn，它们之间串连相接，系统中从B3到Bn测量用移位电路，B2的测量用一个减法器来完成，B1直接送到A/D.现在来分析Bn节电池的测量，工作时，Vo↑→Vsg↓→i1↓→VRI↓→V1↑→Vo↓。平衡时，i1稳定在一个值使得：
         
       
       
         
       
        在单片机的软件设计上，有一个校准程序来减少初始误差，校准期间，用一个校准电压源代替电池，设此时的测量结果为EMn，可求得一校准系数
         
       
       
       
        移位电路误差分析：
          虽然校准程序能减少因R2/R1带来的误差，但它不能减少温漂带来的误差，设电阻的温度系数是±100ppm，如果温差ΔT=50℃，阻值将相差±0.5%.设计时如果R1和R2封装在同一个阻排内，则温度对R2/R1的影响可忽略。
       
        其他的误差来源于运放，如输入漂移电压（Vos）、输入漂移电流（Ios）及他们的温漂。在下面的误差分析中，n可以是移位电路中的任何一节电池，且只考虑Vos带来的误差，对Ios的分析同样。
           
         
       
        单片机用系数α校正测量结果得
       
       
       
        测量误差ΔV为：
       
       
         
        LM258的最大Vos为±5mV，而校准电压EBn约为4V，Vos远小于EBn，故
         
       
        EBn与VBn的差值越大，误差就越大，最大误差发生在VBn = 1/2*EBn时，此时V＝0.5* Vos =±2.5mV，实际上，如果电池电压低于2V，锂离子电池已有故障应当更换，此时的测量精度已不重要。
       
        由运放Ios引起的误差分析同Vos，它的最大误差为±2mV.总之，运放引进的误差总共为±4.5mV.