鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設(shè)計(jì)與研究 - 圖文-

1、2009年(第31卷第5期汽車工程Aut omotive Engineering2009(Vol .31No .52009092鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設(shè)計(jì)與研究33國家863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2006AA11A122資助。原稿收到日期為2008年10月13日,修改稿收到日期為2009年3月3日。何仕品,朱建新(上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所,上海200240摘要針對(duì)混合動(dòng)力汽車單體電池性能的不一致性造成的不利影響,設(shè)計(jì)了電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊。該系統(tǒng)采用單片機(jī),對(duì)電池組參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確采集并分析處理,再通過控制電路實(shí)現(xiàn)電池組的均衡充放電。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)不僅可使電池進(jìn)行

2、均衡充放電,而且能對(duì)電池的不一致性進(jìn)行有效補(bǔ)償,使各個(gè)電池都發(fā)揮出最優(yōu)性能。關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力汽車;動(dòng)力電池;電池管理系統(tǒng);均衡模塊Design and Study of Battery Management System andIts Equalizati on Module for L i 2i on BatteriesHe Sh i p i n &Zhu J i a nx i nInstitute of Auto m otive Electronic Technology,Shanghai J iaotong U niversity,Shanghai 200240AbstractI

3、 n vie w of the adverse effects caused by the perf or mance inconsistency bet w een individual battery cells in hybrid electric vehicles,a battery manage ment syste m with its equalizati on module are designed .The sys 2te m ,based on a single 2chi p m icr ocomputer,real 2ti m e and accurately acqui

4、res,analyzes and p r ocesses the para me 2ters of battery pack,and then the equalized charging and discharging of battery pack are realized thr ough contr ol cir 2cuit .The test results show that the syste m not only can assure the equalized charging and discharging of battery pack,but can als o eff

5、ectively compensate the perf or mance inconsistency of battery pack,making all battery cells bring their perf or mance int o full p lay .Keywords:hybr i d electr i c veh i cle;power ba ttery;ba ttery manage m en t syste m;equa li za ti on m odule前言動(dòng)力電池組是混合動(dòng)力汽車的輔助能量源和關(guān)鍵部件,其狀態(tài)好壞和壽命長短很大程度上決定了整車性能的優(yōu)劣,因此

6、對(duì)整個(gè)電池組實(shí)施有效的管理和監(jiān)測顯得至關(guān)重要?；旌蟿?dòng)力汽車的動(dòng)力電池一般由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成。但是由于制造誤差的存在,電池之間必然存在內(nèi)阻、端電壓、容量等參數(shù)的差異,而使用過程中電池之間的通風(fēng)散熱差異及電池的過充電、過放電更加劇了電池之間的不一致性1。因此,研究一種有效的均衡充放電方法,以彌補(bǔ)電池在使用過程中性能的不一致性,最大限度地發(fā)揮動(dòng)力電池的效用,對(duì)于混合動(dòng)力汽車的推廣應(yīng)用具有極其重要的意義。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰(L iFeP O 4電池因具有高比能量、高比功率、高安全性、長壽命、高性價(jià)比以及很寬的工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn),已成為混合動(dòng)力汽車的新型動(dòng)力電源。筆者研究的混合動(dòng)力電池包由90個(gè)12

7、A h 的單體L iFeP O 4電池組成,共分為6個(gè)電池組,每組由15個(gè)單體電池組成。研發(fā)的電池管理系統(tǒng)2009(Vol .31No .5何仕品,等:鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設(shè)計(jì)與研究445(BMS 的主要功用是:(1精確地監(jiān)測電池組的各種運(yùn)行參數(shù),如單體模塊電壓、電池組總電壓、電池溫度和電流等;(2通過測出的電池參數(shù)預(yù)計(jì)電池組的S OC 值、最大允許充放電電流、放電深度等;(3根據(jù)電池當(dāng)時(shí)的狀態(tài)決定采用適當(dāng)?shù)某浞烹娋獠呗?確保電池的性能發(fā)揮到最大程度。文中重點(diǎn)研究動(dòng)力電池組的均衡充電、放電,控制并且均衡電池組中的各個(gè)單體電池,以彌補(bǔ)電池在使用過程中出現(xiàn)的性能不一致性,使各個(gè)電池都

8、發(fā)揮出最優(yōu)性能,最大限度延長整個(gè)電池組的壽命。111系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池檢測均衡模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的電壓和溫度的測量,實(shí)時(shí)地向單片機(jī)傳送采集的數(shù)據(jù),并對(duì)電池的充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,對(duì)均衡模塊電路進(jìn)行過程控制。BMS 的主控CP U 單元負(fù)責(zé)總的電壓和電流的A /D 轉(zhuǎn)換、電池?cái)?shù)據(jù)的分析、S OC 值的估算及均衡充放電控制策略的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用來存儲(chǔ)所有的信息。通信單元采用多通道的CAN 總線通信,分別負(fù)責(zé)與整車通信、與采樣模塊以及上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)通信。 圖1電池管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖11111主控CP U主控CP U 選用高性能的Freescale HCS12系列16位單

9、片機(jī)MC9S12DP512。該單片機(jī)采用了高速互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體HC MOS 和利于C 語言優(yōu)化的復(fù)雜指令集計(jì)算技術(shù),數(shù)據(jù)處理能力達(dá)16位,系統(tǒng)頻率可達(dá)50MHz,具有較高的執(zhí)行速度、較低的功耗、較好的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能。片上包括16位中央處理單元、512kB 的Flash 、14k B 的RAM 、4kB 的EEPROM 、2個(gè)SC I 模塊、3個(gè)SP I 模塊、1個(gè)8通道增強(qiáng)型捕獲定時(shí)器、2個(gè)8通道10位A /D 模塊、1個(gè)8通道P WM 模塊、1個(gè)數(shù)字型字節(jié)鏈路控制器、29個(gè)位離散數(shù)字I/O 通道、20個(gè)具有中斷與喚醒能力的離散數(shù)字I/O 口隊(duì)列、5個(gè)CAN210模塊、1個(gè)I

10、2C 總線模塊,片上集成的PP L電路可以將功耗和性能調(diào)整到實(shí)際運(yùn)行的要求范圍內(nèi)2。11112電池均衡模塊電路電池均衡模塊電路是控制單體電池均衡充放電的核心電路,它主要由單片機(jī)、光耦繼電器AQW 212EH 和電阻網(wǎng)絡(luò)及外部5V 電源構(gòu)成。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)時(shí)序。繼電器控制電池的充放電,當(dāng)單體電池的電壓值不在某區(qū)間時(shí),單片機(jī)將控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)該電池進(jìn)行充放電。如圖2所示,接入4個(gè)電子開關(guān)(K1、K2、K3、K4,以實(shí)現(xiàn)電壓的正負(fù)交替轉(zhuǎn)換。當(dāng)采集到電池B2電壓高于某上限值時(shí),開關(guān)K 閉合,同時(shí)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中S2和S3閉合,電池與放電電阻R 形成閉合回路,進(jìn)行放電,其端電壓將下降;同理,當(dāng)電

11、池B2的電壓低于某下限值時(shí),開關(guān)S2和S3閉合,同時(shí)開關(guān)K1和K3閉合形成回路,使外部電源給電池B2額外單獨(dú)充電。由于每個(gè)單體電池均由繼電器開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制,因而更加靈活可靠。圖2電池均衡模塊電路原理圖11113電壓測量精確的單體電壓測量是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心,為均衡功能的順利實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ),同時(shí)為電池管理系統(tǒng)中S OC 值的精確計(jì)算提供了保證3。由于一組電池組中有15個(gè)單體電池,所以采用了高精度電壓浮地網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù),結(jié)合高速光耦繼電器AQW 212EH 陣列,以掃描的方式實(shí)現(xiàn)硬件分時(shí)復(fù)用,節(jié)省了硬件成本。測得的電壓值送入高速16位A /D 轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換結(jié)果由CAN 送出。11114溫度測量由

12、于在充放電過程中,可逆與不可逆的現(xiàn)象會(huì)446汽車工程2009年(第31卷第5期使電池溫度升高,過高溫度會(huì)引起電池性能惡化,并減短電池壽命,從而電池容量急劇變小4。為此,需將電池溫度控制在合適范圍內(nèi)。由于本課題已對(duì)電池通風(fēng)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì),保證了電池箱體內(nèi)溫度分布的均勻性,因此沒有必要對(duì)每個(gè)單體電池的溫度或每個(gè)電池模塊的溫度都進(jìn)行測量。為了反映電池組溫度分布情況,使用了12個(gè)溫度傳感器,分布在電池箱的各個(gè)部位。由于溫度變化較慢,所以選擇熱敏電阻傳感器,既滿足了要求又降低了成本。將熱敏電阻組成一個(gè)電橋,測量的信號(hào)送入單片機(jī)自帶的10位高精度A /D 轉(zhuǎn)換器。11115CAN 通信CAN 總線在汽車電

13、控裝置中應(yīng)用十分廣泛5。BMS 具備多路CAN 通信功能,一路CAN 總線接入 整車CAN 網(wǎng)絡(luò)后,可滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力總成各控制器之間的大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換與共享。本系統(tǒng)測量所得的單體電壓值、溫度值都是通過另一路CAN 總線和電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。由于該系統(tǒng)采用MC9S12DP512單片機(jī),其自帶5個(gè)CAN210A /B 模塊。T ouCAN 模塊是一個(gè)實(shí)現(xiàn)CAN 通信協(xié)議的通信控制器,即CAN 控制器。其最高傳輸速度可高達(dá)1Mb /s,并且同時(shí)支持CAN 協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)(11位和擴(kuò)展(29位I D 報(bào)文格式。具有16個(gè)用于發(fā)送和接收功能的消息緩沖器。此外,它還具有報(bào)文過濾器,用于比較接收到的報(bào)文

14、I D 碼與預(yù)先設(shè)定的接收緩沖區(qū)I D 碼,從而確定該接收到的報(bào)文是否有效2。通過單片機(jī)結(jié)合高速隔離光耦6N137和CAN 收發(fā)器Phili p PCA82C250,設(shè)計(jì)了目前比較成熟的CAN 通信接口電路。總線接口電路如圖3所示。 圖3C AN 總線接口電路圖112系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)軟件均采用模塊化程序設(shè)計(jì),根據(jù)系統(tǒng)具有的功能分為若干子程序。電池系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了溫度、電壓數(shù)據(jù)采集,電池管理系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)CAN 通信功能。單片機(jī)程序建立在Freescale Code W arri or 平臺(tái)上,主要采用C 語言編寫,直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。同時(shí),也采用了匯編語言編程,以滿足實(shí)時(shí)性的要求。當(dāng)

15、程序編譯好后,再將自動(dòng)生成的機(jī)器語言下載到單片機(jī)的Flash 中。這些程序主要負(fù)責(zé)對(duì)單片機(jī)各個(gè)功能模塊的初始化、各種中斷處理、時(shí)鐘處理、數(shù)據(jù)采集的A /D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸送通信和所有的控制策略和控制算法等。軟件程序流程如圖4所示。當(dāng)判斷單體電壓與平均值之差大于設(shè)定值時(shí),啟動(dòng)均衡電路,對(duì)應(yīng)的光耦繼電器接通,對(duì)該單體電池單獨(dú)進(jìn)行充放電。圖4系統(tǒng)軟件流程圖界面顯示程序采用美國N I 公司的圖形化編程軟件Lab V I E W 編寫。通過US BCAN 接口卡將CAN 信號(hào)轉(zhuǎn)換成US B 信號(hào)與PC 機(jī)進(jìn)行通信,采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在界面上。該程序包括CAN 信號(hào)接口與US B 的轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)及接收模

16、塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。2009(Vol .31No .5何仕品,等:鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設(shè)計(jì)與研究4472結(jié)果與分析試驗(yàn)用的電池包有12A h 的單體L iFeP O 4電池90個(gè),共有6個(gè)電池組,每組由15個(gè)單體電池組成,電池組分裝在2個(gè)電池箱內(nèi),如圖5所示。 圖5試驗(yàn)電池包具體檢驗(yàn)該系統(tǒng)均衡性的試驗(yàn)步驟如下:(1在充電前,先將某單體電池補(bǔ)充電500mA h,目的是使該電池電量大于其他電池,使電池組不平衡;(2在正常車載模式下將電池包總充總放電3次,以10C 的恒流充放電,目的是使均衡系統(tǒng)自學(xué)習(xí),并檢測出電量高于其他電池的某電池及其電量;(3啟動(dòng)均衡控制

17、,反復(fù)均衡充放電幾次;(4再對(duì)電池包在正常車載模式下總充總放,某電池的電量漸漸回落,與其他電池趨于一致。同理,對(duì)某一電池先故意放電500mA h,進(jìn)行相同的充放電均衡試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以有效地防止單體電池過充電和過放電,保持各個(gè)單體電池之間的電壓誤差在20mV 之內(nèi),容量誤差在4%以內(nèi)。3結(jié)束語充放電均衡模塊是電池管理系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分6,它不僅防止了單體電池過充和過放,而且控制了電池的充電和放電電流,從而最大限度地延長電池的使用壽命,還保證了動(dòng)力電池充放電過程的安全高效性。該系統(tǒng)中的電池均衡模塊結(jié)構(gòu)簡單,成本低。它不僅精確地測量了單體電池的電壓、溫度等參數(shù),而且還能實(shí)時(shí)地進(jìn)行均衡

18、過程控制,有效地使各單體電池的能量趨于一致。但是,該均衡模塊對(duì)單體電池的能量轉(zhuǎn)移速度和效率還有待提高,均衡的功能還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。參考文獻(xiàn)1吳友宇,尹葉丹1基于CAN 總線的分布式動(dòng)力電池管理系統(tǒng)J .汽車工程,2004,26(5:5302533.2MC9S12XDP512Data SheetS.Freescale,2005.J .電源技術(shù),2004,28(10:6492651.4Ahmad A Pesaran,Andreas V lahinos,Steven D Bursh .Ther malPerf or mance of EV and HEV Battery Modules and

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20、,A llemang R,Zi m mer man R 1Para meter Esti m ati onTechniques forModal AnalysisC 1S AE Paper 79022113Le mbmgts F 1Frequency Domain I dentificati on Techniques for Ex 2peri m ental Multi p le I nput Modal Analysis D 1Dep t 1of Mech 1Eng 1,K ULeuven,Bel -gium,Dece mber,1988:260-26814Peeters B ,Van Der Auweraer Her man,Guillaume P,et al 1ThePoly max Frequency Domain Method:A Ne w Standard f or Modal Para meter Esti m ati on J 1Shock and V ibrati on,2004,(11:395-40915Guillaume P,Verboven P,V