基于單片機的純電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計分析

【文章摘要】

隨著能源危機以及環(huán)境污染問題的不斷加深，具有節(jié)能環(huán)保功能的電動汽車即將成為今后汽車行業(yè)中的發(fā)展趨勢。在這里，由于鋰電池在所有的二次電池里擁有最高的功率密度比以及能量密度比，所以它也就成為得到了最廣泛應(yīng)用的電動汽車電池。本文從電池管理系統(tǒng)的組成及功能、系統(tǒng)中硬件及軟件的設(shè)計以及對于功能的驗證等問題出發(fā)，對單片機的純電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】

單片機；純電動汽車；電池管理系統(tǒng)

近年來，我國的社會經(jīng)濟水平得到了飛速的發(fā)展，然而，經(jīng)濟得到發(fā)展的同時環(huán)境也受到了一定的破壞，隨之而來的大氣污染、水污染等成為人們重視的問題，尤其是近些年愈演愈烈的霧霾問題，也給人們敲響了警鐘。隨著能源危機以及環(huán)境污染問題的不斷加深，具有節(jié)能環(huán)保功能的電動汽車即將成為今后汽車行業(yè)中的發(fā)展趨勢。在這里，由于鋰電池在所有的二次電池里擁有最高的功率密度比以及能量密度比，所以它也就成為得到了最廣泛應(yīng)用的電動汽車電池。

1 電池管理系統(tǒng)的組成及功能

對于電動汽車來說，它所使用的動力源大都是由大量的單體鋰電池串聯(lián)形成的，考慮到體積以及配重的問題，電動汽車的電池組大都是被分成若干個串聯(lián)的模塊被分散安裝在車體中。對于電池系統(tǒng)來說，如果使用分布式的系統(tǒng)方案的話所耗費的成本就會過高，并且系統(tǒng)本身也會過于龐大；如果使用集中式的系統(tǒng)方案的話，BMS 的中心處理單元就會負(fù)擔(dān)過重， 所以，現(xiàn)在如果使用電動汽車的話，在電池管理系統(tǒng)中通常會使用一個折中的方案。即把12 個單體的電池集中到一起組成一個電池包，為每個電池包配備一個電池模塊的監(jiān)控單元即BMU，在這里，BMS 是由一個主控單元（CMU）與多個BMU 組成的，整個系統(tǒng)能夠被分成結(jié)構(gòu)上層的主控模塊以及下層中的監(jiān)控模塊。其中，監(jiān)控模塊與主控模塊之間可以通過SCI 的總線來進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的通訊，另外，主控模塊可以通過CAN 總線與系統(tǒng)的外部之間實現(xiàn)通訊。

2 系統(tǒng)中硬件及軟件的設(shè)計

在這個設(shè)計中，主控單元以及監(jiān)控單元分別使用了飛思卡爾16 位的9S12DG128 以及8 位的9S08DZ60 單片機作為系統(tǒng)中的處理器。在這里，BMU 的監(jiān)控單元能夠?qū)崿F(xiàn)兩種功能，一是對系統(tǒng)中的電池模塊里的電池單體的溫度以及電壓經(jīng)檢測，之后再把處理過的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給CMU，再對模塊內(nèi)可能存在的不均衡的現(xiàn)象進(jìn)行一定的管理；一種是對電池組中的電流以及總電壓進(jìn)行檢測工作，同時也負(fù)責(zé)對絕緣度來進(jìn)行檢測，在對檢測結(jié)果進(jìn)行一定的處理后把數(shù)據(jù)傳送給CMU。主控單元在接收到BMU 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息后，根據(jù)所采集到的電池數(shù)據(jù)對電池組的各項具體情況諸如荷電狀態(tài)等來進(jìn)行一定的估算，對電池組所發(fā)生的充放電等行為進(jìn)行保護，同時要與電動汽車的充電機以及整車控制單元之間進(jìn)行通信。對于汽車內(nèi)部的通訊工作，主要使用的是CAN 總線通訊。該系統(tǒng)的電池模塊監(jiān)控單元以及主控單元中都有CAN 控制器。在電池管理模塊上可以對外部提供CAN 總線的接口。在上位機的監(jiān)控系統(tǒng)通過CAN 總線收到測量所得的溫度、電流以及電壓等數(shù)據(jù)后，可將其直接表示或是使用曲線將其表示出來，再根據(jù)之前所設(shè)置的閾值條件來對故障進(jìn)行提示，同時，也可以把所需要的數(shù)據(jù)在事先存到文件中，以備不時之需。

3 對于功能的驗證

1）對于上位機的監(jiān)控測試。我們可以通過對上位機進(jìn)行一定的監(jiān)控測試來對上位機所使用的軟件的電壓顯示功能以及CAN 通訊功能來進(jìn)行一定的驗證。計算機經(jīng)過CAN 的總線實現(xiàn)了與電池管理系統(tǒng)之間的連接后，對上位機進(jìn)行監(jiān)控的軟件就能夠?qū)㈦姵毓芾硐到y(tǒng)中的各種變量實時的顯示出來，同時對相關(guān)的信息進(jìn)行采集。

2）靜態(tài)精度試驗。這種實驗使用的是由以12 個電池的單體串聯(lián)形成的電池組模塊，并和電池的管理系統(tǒng)之間相連接。這種實驗中所使用的電池是美國的A123 公司所生產(chǎn)的汽車鋰離子電池，它的額定電壓是3.3V。在實驗中，電池的管理系統(tǒng)使相應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN 在上位機上的監(jiān)控軟件中顯示出來并進(jìn)行儲存，與此同時用萬用表對其進(jìn)行實際測量并將電池單體中的單體電壓值記錄下來。

3）動態(tài)精度試驗。這種實驗是將Arbin 的實驗平臺對電池中單體電壓的測量作為條件，對充放電工況中的電池管理系統(tǒng)所體現(xiàn)出來的動態(tài)測量精度進(jìn)行對比分析。在電池的放電過程中，使用Arbin 實驗平臺以及電池的管理系統(tǒng)在相同的時間上對電池組收集每個電池單體的電壓值。把由Arbin 實驗平臺中所測得的測量值當(dāng)做參考基準(zhǔn)，再通過作圖比較，分析出電池組中相同的電池在兩組數(shù)據(jù)之間所表現(xiàn)出來的差異。

4 結(jié)束語

通過了上位機的測試，對這一系統(tǒng)的溫度、電壓采集功能以及系統(tǒng)中的通訊功能進(jìn)行了一定的驗證。同時，在其中的精度試驗里，靜態(tài)實驗電池在電壓測量中的結(jié)果顯示，它的最大誤差是0.32%，另外， 標(biāo)準(zhǔn)試驗臺所測得的電壓與動態(tài)試驗系統(tǒng)之間最大的誤差僅有0.14%，它的精度可以滿足相關(guān)的要求，因而也就證實了這一設(shè)計中數(shù)據(jù)采集的可靠性。

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