鎳氫動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的研究

鎳氫動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的研究

0電動(dòng)汽車(chē)電池管理方面近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展日益成熟，但仍存在許多問(wèn)題。例如，如何有效利用電池能量，延長(zhǎng)電池壽命，以及回收電動(dòng)汽車(chē)的能量。其中如何有效地使用電池是電池管理的首要問(wèn)題。電池自身的性能參數(shù)影響電池的壽命,電池外部因素也影響電池的壽命,如電池的充放電參數(shù),電池的溫度,對(duì)電池維護(hù)的方式和頻率。為了增加電池的壽命,了解電池當(dāng)前的狀態(tài),就要借助電池管理系統(tǒng)(BMS),優(yōu)化電池的外部參數(shù),大大提高電池的壽命,及時(shí)掌握電池的狀態(tài)。1bms硬件實(shí)現(xiàn)1.1基于分布式測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)量方案系統(tǒng)以鎳氫電池為對(duì)象,對(duì)于鎳氫電池,它的狀態(tài)與其端電壓、通過(guò)的電流及工作環(huán)境的溫度有關(guān)。所以,設(shè)計(jì)BMS的首要任務(wù)是對(duì)這些量的準(zhǔn)確采樣。這里采用集中式測(cè)量數(shù)據(jù)的方案,集中式數(shù)據(jù)檢測(cè)方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。相對(duì)于分布式測(cè)量來(lái)講,集中式測(cè)量對(duì)參數(shù)的測(cè)量速度較快,可靠性高,數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性好,系統(tǒng)的維護(hù)比較便利,成本低。BMS中電池組假定由24個(gè)單體(每個(gè)單體12V)串連而成的,一般情況下,其電壓為288V左右。所以,為了安全,電壓隔離開(kāi)關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)是很必要的。1.2供電、供電和溫度采樣1.2.1高效電路設(shè)計(jì)蓄電池組電壓在288V左右。以多個(gè)單體為一組,組成蓄電池模塊,測(cè)量電池模塊的電壓。每個(gè)電池的標(biāo)稱(chēng)電壓一般為12V左右。圖1中的電壓隔離開(kāi)關(guān)矩陣和邏輯控制單元構(gòu)成了串聯(lián)蓄電池組電壓測(cè)量的技術(shù)方案。原理如圖2所示。CPU通過(guò)邏輯控制單元,控制由高速光隔固態(tài)繼電器陣列組成的高壓通道,將被測(cè)電壓送到隔離放大單元的輸入端。隔離放大單元的輸出送CPU的A/D。其中固態(tài)繼電器選擇光電隔離繼電器AQW214,該繼電器隔離電壓為1500V,靈敏度高,無(wú)需專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)電路,并且響應(yīng)速度快,導(dǎo)通電阻穩(wěn)定,開(kāi)路漏電電流極低。邏輯控制單元由74IS138譯碼器及相關(guān)器件組成,要考慮誤操作時(shí)的自鎖特性。隔離放大單元選擇線性隔離放大器AD202。AD202是一種變壓器耦合、微型封裝的精密隔離放大器,它通過(guò)片內(nèi)變壓器耦合,對(duì)信號(hào)的輸人和輸出進(jìn)行有效的電氣隔離。1.2.2電流傳感器及運(yùn)算器電流的采樣是估計(jì)電池剩余電量(SOC)的主要依據(jù),因此對(duì)其采樣的精度,抗干擾能力、零飄、溫飄和線性度誤差的要求都很高。在這里采用的電流傳感器是LT308(LEM),該電流傳感器是基于霍爾原理的閉環(huán)(補(bǔ)償)電流傳感器,具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應(yīng)時(shí)間,同時(shí)也具有很好的抗干擾能力。供電電源為±12V或±15V。由于從LEM過(guò)來(lái)的電流是雙向的,因此其轉(zhuǎn)換得到的電壓是以地(GND)為中心變化的一個(gè)正負(fù)電壓,選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是單向的,所以要將其電壓提供至0V以上。為此,設(shè)計(jì)以一個(gè)加法器(前端的運(yùn)算放大器),它的功能是將以0V為中心的正負(fù)電壓提升至以3V為中心放大的正電壓。后端的運(yùn)算器為一個(gè)反相器,將有加法器得到地負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓,同時(shí)起到功率發(fā)大的作用。通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放,最終將信號(hào)變?yōu)?～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器。1.2.3線性模量測(cè)量的應(yīng)用蓄電池的工作狀態(tài)與其內(nèi)部溫度及工作的環(huán)境溫度都有著很重要的關(guān)系。溫度測(cè)量的方法一般有兩種。其一是用數(shù)字式溫度測(cè)量器件,如采用單總線的DS1820。但由于電池管理系統(tǒng)中要求多點(diǎn)測(cè)量溫度,各個(gè)溫度測(cè)量器件分布在電池箱體內(nèi),與總的控制主板間的走線較長(zhǎng),且汽車(chē)上的各種干擾較強(qiáng),采用數(shù)字式的測(cè)量方法時(shí),需要總線有一定的抗干擾能量。第二種放法是采用模擬信號(hào)測(cè)量。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),采用傳統(tǒng)的熱敏電阻作為溫度傳感器。選用的熱敏電阻為NTC(負(fù)溫度系數(shù))型,它是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器,其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來(lái)表示:RT=RN×EXP[B(1/T-1/TN)]式中:RT,RN分別表示NTC在溫度T(K)和額定溫度K(TN)下的電阻值[Ω);T,TN為溫度,單位K(TN)=273.15+TN(℃);B,稱(chēng)作B值,NTC熱敏電阻特定的材料常數(shù)。這種溫度測(cè)量的方法可靠性高,熱敏電阻對(duì)溫度的變化靈敏度也很高,是一種經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的方法。1.3光催化器fpgav電池管理系統(tǒng)是一個(gè)含有多種元器件和許多子系統(tǒng)的典型單片機(jī)系統(tǒng)。外來(lái)電磁輻射,內(nèi)部元器件之間,子系統(tǒng)之間,各傳輸通道之間存在相互干擾。硬件的抗干擾,主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮:首先,是電路設(shè)計(jì)方面。對(duì)于與外部系統(tǒng)相連的信號(hào)做好相應(yīng)的隔離。對(duì)于數(shù)字信號(hào)可直接采用光耦進(jìn)行隔離,光耦兩端有不同的電源,以實(shí)現(xiàn)徹底的隔離。對(duì)于模擬信號(hào),我們采用了較為簡(jiǎn)單的FIV方式進(jìn)行隔離。電源是容易引起干擾的部分,在將外電源引入系統(tǒng)時(shí)也是需要經(jīng)過(guò)隔離的,在BMS中采用隔離型DC-DC隔離。其次是PCB布線方面。印刷電路板(PCB)是單片機(jī)系統(tǒng)非常重要的一部分。所以PCB在設(shè)計(jì)中必須采用有效的抗干擾措施?？刹捎秒p層板設(shè)計(jì),沒(méi)有獨(dú)立的電源層和地線層。在布置元件時(shí)盡量走最短的路線,以減少線阻和分布電容電感。為了防止不同區(qū)域的射頻電流相互耦合,采用功能分區(qū)的方式設(shè)計(jì)PCB是較為合理的。在地線問(wèn)題上,一般將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)走,最后在合適的位置將其連接在一起。2bms軟件2.1電池狀態(tài)判斷BMS的主要任務(wù)是檢測(cè)出電池的各個(gè)可測(cè)量。通過(guò)對(duì)其的分析,估計(jì)電池的剩余容量并對(duì)電池的狀態(tài)做監(jiān)測(cè),及時(shí)做出各種錯(cuò)誤報(bào)警。即:狀態(tài)檢測(cè)、剩余容量估計(jì)、錯(cuò)誤報(bào)警。狀態(tài)檢測(cè)是循環(huán)檢測(cè)電池的狀態(tài)參量,如電壓、溫度、電流等。電池剩余容量的估計(jì)和錯(cuò)誤的報(bào)告都基于此。電池的剩余容量的估計(jì)包括兩個(gè)部分:帶壓縮因子的安時(shí)容量和補(bǔ)償校正。兩部分共同確定了電池的剩余容量SOC。錯(cuò)誤報(bào)警主要包括電池的過(guò)充、過(guò)放,溫度過(guò)高、過(guò)低,電池一致性報(bào)警等。這些狀態(tài)的判斷都基于對(duì)電池電壓、電流、溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。BMS軟件是用51匯編來(lái)實(shí)現(xiàn),它的執(zhí)行效率高,且通用性好。圖3給出了BMS軟件結(jié)構(gòu)框圖。其中*1是實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)判斷和剩余容量補(bǔ)償?shù)闹饕糠?。DS12887是一個(gè)帶掉電保持RAM的時(shí)鐘芯片,利用它可以保存電池前一次使用后的剩余容量,并可以將一些數(shù)據(jù)保存其中。同時(shí),它也可以記錄電池停放的時(shí)間,為估計(jì)電池的剩余容量提供依據(jù)。系統(tǒng)自檢是指系統(tǒng)在上電時(shí)檢測(cè)其通訊及各測(cè)量點(diǎn)是否正確,并記錄有錯(cuò)誤的測(cè)量點(diǎn)。對(duì)應(yīng)蓄電池來(lái)說(shuō),過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)電池造成較大的損傷,有時(shí)甚至?xí)斐蓢?yán)重的事故性后果。因此,BMS必須準(zhǔn)確估計(jì)電池的容量狀況,并判斷是否存在過(guò)充、過(guò)放。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,應(yīng)及時(shí)將錯(cuò)誤信息發(fā)送給整車(chē)管理系統(tǒng),以做出相應(yīng)的處理。高溫對(duì)電池的工作也是有影響的。從圖4可以看到,在高溫下鎳氫電池的充電效率會(huì)明顯降低。(圖中曲線1為低溫時(shí)的充電效率,曲線2為高溫時(shí)的充電效率)因此,在實(shí)際中每個(gè)放置電池的箱子一般都設(shè)有一個(gè)風(fēng)扇,用于通風(fēng)。BMS根據(jù)電池溫度及電池環(huán)境溫度來(lái)控制風(fēng)扇的運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的溫度控制。如果電池內(nèi)部有異樣溫度產(chǎn)生,BMS也將此作為錯(cuò)誤信號(hào)及時(shí)發(fā)送給整車(chē)管理。2.2bms的動(dòng)態(tài)特性軟件抗干擾主要是:1)消除模擬輸入信號(hào)的噪聲(如數(shù)字濾波技術(shù));2)程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序重入正軌的方法。對(duì)于消除模擬信號(hào)的輸入噪聲。BMS在所有的A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)均采用均值濾波的方式,提高信號(hào)的抗干擾能力。防止程序運(yùn)行混亂的方法則有多種,如指令冗余、軟件陷阱的設(shè)置等。指令冗余CPU取指令過(guò)程是先取操作碼,再取操作數(shù)。單片機(jī)系統(tǒng)的軟件抗干擾措施較多,這里只使用很少的