基于單片機(jī)的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣自動(dòng)化學(xué)院，天津300130)

電動(dòng)汽車是指全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。目前主要有純電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)車和燃料電池汽車3種類型。電動(dòng)汽車目前常用的動(dòng)力來(lái)自于鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。

鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當(dāng)前比能量最高的電池。但正是因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏缺容^高，當(dāng)發(fā)生誤用或?yàn)E用時(shí)，將會(huì)引起安全事故。而電池管理系統(tǒng)能夠解決這一問(wèn)題。當(dāng)電池處在充電過(guò)壓或者是放電欠壓的情況下，管理系統(tǒng)能夠自動(dòng)切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節(jié)電池的壓差維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。此外，還具有過(guò)溫、過(guò)流、剩余電量估測(cè)等功能。本文所設(shè)計(jì)的就是一種基于單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)[1]。

1 電池管理系統(tǒng)硬件構(gòu)成

針對(duì)系統(tǒng)的硬件電路，可分為MCU模塊、檢測(cè)模塊、均衡模塊。

1.1 MCU模塊

MCU是系統(tǒng)控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號(hào)的單片機(jī)。該系列所有的MCU均采用增強(qiáng)型M68HC08中央處理器(CP08)。該單片機(jī)具有以下特性：

(1)8 MHz內(nèi)部總線頻率；(2)16 KB的內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器；(3)2個(gè)16位定時(shí)器接口模塊；(4)支持1 MHz～8 MHz晶振的時(shí)鐘發(fā)生器；(5)增強(qiáng)型串行通信接口(ESCI)模塊。

1.2 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊中將對(duì)電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)模塊分別進(jìn)行介紹。

1.2.1 電壓檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)中，單片機(jī)將對(duì)電池組的整體電壓和單節(jié)電壓進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于電池組整體電壓的檢測(cè)有2種方法：(1)采用專用的電壓檢測(cè)模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路。采用專用的電壓檢測(cè)模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過(guò)程比較復(fù)雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測(cè)。10串錳酸鋰電池組電壓變化的范圍是 28 V～42 V。采用 3.9 MΩ和 300 kΩ的電阻進(jìn)行分壓，采集出來(lái)的電壓信號(hào)的變化范圍是2 V～3 V，所對(duì)應(yīng)的 AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為 409和 614。

對(duì)于單體電池的檢測(cè)，主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示[2]，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。

如圖1所示，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。

以上6節(jié)電池可以用2個(gè)三通道開(kāi)關(guān)切換陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX309為1片4選 1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現(xiàn)通道的選擇。開(kāi)關(guān)S5、S6、S7負(fù)責(zé)將電池的正極連接至飛電容的正極。開(kāi)關(guān)S2、S3、S4負(fù)責(zé)將電池負(fù)極連接至飛電容的負(fù)極。三通道開(kāi)關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與四通道開(kāi)關(guān)切換陣列類似，只是通道數(shù)少1路。工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出通道選址信號(hào)，讓其中1路電池的正負(fù)極與電容連接，對(duì)電容進(jìn)行充電，然后斷開(kāi)通道開(kāi)關(guān)，接通跟隨放大器的開(kāi)關(guān)，單片機(jī)對(duì)電容的電壓進(jìn)行快速檢測(cè)，由此完成了對(duì)1節(jié)電池的電壓檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓小于2.8 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測(cè)線斷路，單片機(jī)將馬上發(fā)出信號(hào)切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過(guò)程，單片機(jī)即完成對(duì)本模塊所管理的電池的檢測(cè)。

1.2.2 電流采樣電路

電流采樣時(shí)，電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過(guò)流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當(dāng)電池放電時(shí)，用康銅絲對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差模放大器的放大，變?yōu)?～5 V的電壓信號(hào)送至單片機(jī)。如果放電的電流過(guò)大，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓信號(hào)比較大，就會(huì)驅(qū)動(dòng)三極管動(dòng)作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對(duì)于36 V的錳酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設(shè)定其保護(hù)電流是60 A?？点~絲的電阻是5 mΩ左右。當(dāng)電流達(dá)到60 A時(shí)，康銅絲的電壓達(dá)300 mV左右。為提高精度，將電壓通過(guò)放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測(cè)。

1.2.3 溫度檢測(cè)

電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)，這部分熱量不及時(shí)排除會(huì)引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鎳氫電池溫度超過(guò)55℃，電池特性就會(huì)變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì)被打破，繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對(duì)電池組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行散熱處理。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導(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：

式中，RT、RN分別表示NTC在溫度T(K)和額定溫度 TN(K)下的電阻值；T、TN為溫度，單位 K(TN(k)=273.15+TN(℃))；B為NTC熱敏電阻特定的材料常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用比較精確的R-T曲線，或者用表格的形式來(lái)給定電阻/溫度關(guān)系。

1.3 均衡模塊

電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中，需要較多的I/O口驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而單片機(jī)的I/O口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開(kāi)關(guān)，Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開(kāi)關(guān)。以10節(jié)錳酸鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為42 V，副線圈電壓為電池的額定電壓4.2 V。剛開(kāi)始Q4導(dǎo)通，Q2、Q3、Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當(dāng)檢測(cè)到某一節(jié)電池的電壓達(dá)到額定電壓4.2 V以后，電壓檢測(cè)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉 Q4，打開(kāi) Q2、Q3、Q5，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達(dá)到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測(cè)試，電壓差值不會(huì)超過(guò)50 mV。

2 SOC電量檢測(cè)

在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的SOC計(jì)算方法有開(kāi)路電壓法、庫(kù)倫計(jì)算法、阻抗測(cè)量法、綜合查表法[3]。

(1)開(kāi)路電壓法是最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，主要根據(jù)電池開(kāi)路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開(kāi)路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)庫(kù)侖計(jì)算法是通過(guò)測(cè)量電池的充電和放電電流，將電流值與時(shí)間值的乘積進(jìn)行積分后計(jì)算得到電池充進(jìn)的電量和放出的電量，并以此來(lái)估計(jì)SOC的值。

(3)阻抗測(cè)量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)出電池的電壓、電流參數(shù)計(jì)算出電池的內(nèi)阻，從而得到SOC的估計(jì)值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過(guò)設(shè)置一個(gè)相關(guān)表，輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。

在本設(shè)計(jì)中，從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮，采用了軟件編程的方法。綜合幾種方法，采用庫(kù)倫計(jì)算法比較合適。

(1)用C表示鋰電池組從42 V降到32 V時(shí)放出的總的電量。

(2)用η表示電流 i經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，放出的電量與 C的比值。

Ci=表示時(shí)間 t內(nèi)放出的總的電量。

其中 CRM為剩余電量。令 ΔCi=i×Δt，表示 Δt時(shí)間內(nèi)電池組以i放電的放電量；或者是以i充電的充電量，剩余電量實(shí)際上是對(duì)ΔCi的計(jì)算以及累加。設(shè)定合適的采樣時(shí)間 Δt，測(cè)定當(dāng)前的電流值，然后計(jì)算乘積，得到 Δt時(shí)間內(nèi)剩余容量CRM的變化量，從而不斷更新CRM的值，即可實(shí)現(xiàn)SOC電量的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)錳酸鋰電池組進(jìn)行充放電測(cè)試。圖4(a)為鋰電池組放電測(cè)試圖，放電電流為8 A，當(dāng)電池組電壓降至32 V時(shí)，放電MOS管關(guān)斷。圖4(b)為充電的測(cè)試圖。充電結(jié)束4小時(shí)后，均衡完成。

本文的電池管理系統(tǒng)以M68HC08GZ16為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組單體電壓、電流、溫度信號(hào)的采集。充電電量平衡以后，單體電池的電壓差值不超過(guò)50 mV。整體系統(tǒng)運(yùn)行性能良好，能夠滿足電動(dòng)車動(dòng)力電池組應(yīng)用需要。

[1]吳志紅，吳庚澤，朱元，等.基于 XC164CS單片機(jī)的混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù)，2009(4).

[2]杜祺漳，梁柱揚(yáng).基于飛電容技術(shù)的動(dòng)力鋰離子電池組保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007，33(8).

[3]蘇玉剛，杜偉炯.鋰離子電池組快速智能充電技術(shù)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22(1).