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纯电动汽车电池管理系统研究与设计


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5测控技术 62010年第 29卷第 9期

纯电动汽车电池管理系统研究与设计
冯 勇, 王 辉, 梁 骁
410082) (湖南大学 电气与信息工 程学院, 湖南 长沙

摘要: 在研究大量锂电池动态性能的基础上, 研发了纯电动汽车电池管理系统 ( BMS ba ttery m ana

gement , system)。该系统以 P IC18F4585为核心处理器, 可以实时监测母线电压、 母线电流、 电池单体电压、 温 度、 漏电流等参数。利用双线性 Z变换来实现二阶巴特沃斯低通滤波器的设计, 消除了高频扰动, 降低 了系统的成本。系统在线测试和硬件在环仿真结果表明, 温度控制的精度为 ? 0 5 e , 电压和电流的测 . 量精度为 0 5 。系统具有较高的可靠性和稳定性, 具有良好的应用价值。 . % 关键词: 电动汽车; 电池管理系统; 巴特沃斯低通滤波器; dSPACE + 中图分类号: TP274 . 2 文献标识码: A 文章编号: 1000- 8829( 2010) 09- 0054- 04

R esearch and D esign on Ba ttery M anagem en t Syste for E lectr ic Veh icle m
FENG Yong WANG Hu,i L I NG Xiao , A
( College of E lectr ica l and Informa tion Engineering H unan Un iversity Changsha 410082, China) , ,

Abstr act A battery management system ( B ) for electr ic vehic le is presented which is based on dynam ic : MS , capab ility of Li2ion battery The core of the system is the MCU P I 16F 4585 and th e generatrix voltage genera2 . C , , trix curren, single battery voltage te t , mperature leakage current can be measured by this system. A b ilinear Z2 , transform is used to design a second2order Butter orth lo w w2pass filter which can e li in ate high2frequency dis2 , m turbance and reduce the cost of the system. System online testin g and hardware2in 2the2loop si ulat ion test re2 m su lts sho that the prec ision of temperature control is ? 0 5 e , and the precision ofm easurement of voltage w . current is 0 5 . The syste is w ith good reliability and stab ility and has a good value for pract ical applica2 . % m , t ion . K ey w ord s electric veh icle battery management system; Bu tter orth lo : ; w w2pass filter dSPACE ; 能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶 颈。传统内燃机汽车尾气含有大量的废气, 危害城市 环境, 引发呼吸系统疾病, 造 成地表空气臭氧 含量过 [ 1] 高, 使城市环境转向恶化 。越来越多的国家开始实 行 / 绿色新能源计划 0, 寻求经济发展的新动力, 力求 解决环境问题。作为无污染的交通工具, 电动汽车越 [ 2] 来越受到人们的关注, 有着很好的发展前景 。 在电动汽车的研究开发与产业化的过程中, 蓄电 池及其管理系统作为主要的动力源部件是其中最为重
收稿日期: 2010- 03- 26 作者简介: 冯勇 ( 1984) ), 男, 湖南岳阳人, 硕士研究生, 主要研 究方向为电池管理系 统和电力电子技术; 王辉 ( 1960) ), 男, 湖 南阮江人, 教授, 博 士, 主要研 究领 域为电 力电 子变 流技术, 风 力发电技术和控制 工程; 梁骁 ( 1985) ), 男, 湖 北嘉 鱼人, 硕士 研究生, 主要研究领域 为控制 理论 与控制 工程、 力电子 控制 电 技术。

要的一个环节 。电 池管理系统能够实现实 时监测 电池参数并估计其荷电状态 ( SOC), 为驾驶员提供剩 余电量、 续驶里程等信息; 能防止电池 过充、 过放、 过 压、 过流、 过高温 , 其优劣直接决定着动力电池组的 使用寿命, 一个合适的电池管理系统能够在充分发挥 电池优越性能的同时, 给予电池最佳的保护, 保证电池 [ 5] 性能, 延长电池寿命, 降低电动汽 车运行成本 。本 文设计了一种电池管理系统, 实现了对锂电池进行实 时监测和控制的功能。
[ 4]

[3]

1 电池管理系统硬件设计
电池管理系统主要功能包括数据采集、 通信、 安全 [4] 控制、 热管理、 SOC估计等 。参考典型的 B 结构 MS [ 6] 框图 , 设计出电池管理系统结构框图, 如图 1所示。 该电池管理系统以 P IC18F4585单片机为核心处 2 理器, 其具有 10位 A /D、 内部 E PROM、 CAN 控制器、 UART等功能模块, 有利于简化系统设计, 提高系统可

纯电动汽车电池管理系统研究与设计 靠性, 降低成本。系统硬件主要包括数据采集、 通信、 安全控制、 热管理等模块。

# 55# 1 3 安全控制模块设计 . 电动汽车动力电池总电压一般在 300 V 以上, 因 此必须设计安全控制模块。本设计的安全控制模块如 图 3所示。

图 1 电池管理系统结构框图

图 3 安全控制模块

1 1 数据采集电路设计 . 电压、 电流测量准确度将直接影响到 SOC估计的 [ 7] 精度 。图 2为电压采样电路图。母线正负极电压由 L1、 2 组成的初级滤波电路滤波后, 经过 R 1、 2、 3、 P L R R R 采样电路进行采样, 之后通过基于 LM258的放大电阻 转化成 0~ 5 V 电压, 送往单片机的 A /D 端口。由于 母线电压很高, 系统中加入了由 D1 D2组成的保护电 、 [ 8] 路, 以保证单片机安全工作 。

在电池接入车辆前, 系统使预加电传感器闭合, 将 一个大电阻 R 通过预加电继电器接入电池母线, 并检 测其他参数, 确保车辆运行正常后再断开预加电继电 器, 闭合母线继电器, 将电池直接接入车辆。 漏电流霍尔传感器用来检测系统漏电故障。将正 负母线同时穿过霍尔传感器, 若系统发生漏电故障, 则 通过正负母线的电流代数和不为 0 霍尔传感器输出 , 电流信 号。本 系统 中, 设 定当 电流 信号 大于 25 mA 时, 漏电检测电路向 CPU 发送中断请求。 CPU 响应中 断, 切断母线继电器, 并将故障信息发送给整车控制器 (VCU )。 1 4 热管理模块设计 . 电池包的位置及外部条件都可能导致不均匀的温

图 2 电压采样电路图

对电 池单体 电压进 行采 样时, 必须对 地进 行隔 离 。本设计中, 使用 AQW 214EH 光控 MOS 管开关 实现对电池单体进行循环采样, 在任意时刻, 都只采集 一个单体电压。不但提高了系统的可靠性, 而且降低
[ 7]

度分布。温度分布不均会引起电池单体之间的电压不 [ 9] 均衡, 从而影响电池及整车的性能 。 电池温度平衡的主要方法是通风处理和使用散热 板, 采用有限元方法对并行通风和串行通风进行分析, 结果表 明并行 通风的 效果要 明显高 于串 行通风 本设计中, 热管理模块如图 4所示。
[ 9]



了成本。电流的采样通过霍尔电流传感器实现。输出 的信号经分压、 比较、 放大后进入 MCU 进行处理。 1 2 通信模块设计 . 与一般的通信总线相比, CAN 总线的数据通信具 有突出的可靠性、 实时性和灵活性, 因而在汽车电子中 得到了广泛的应用。 系统的微处理器 P IC18F4585带有 CAN 控 制器, 同时以 PAC82C250芯片为 CAN 总线收发器, 电池管 理系统通过 CAN 与整车控制器 ( VCU ) 等其他控制模 块进行通信。为保证通信质量, 在 CAN 收发器与微控 制器之间加入了 6N 137芯片进行光耦隔离, 同时 CAN 专用电源对信号地和模拟地进行了隔离。此外, 为了 方便对系统进行参数调试, 预留了 UART端口与计算 机进行通信。

图 4 热管理模块

在电池包的不同位置共安置了 6个数字温度传感 器 DS18B20 。每隔 1 s 系 统就通 过总线 对 DS18B20 , 进行采样, 当检测到任一点的温度或者温度变化率高 于设定值时, 启动变速风机。仅当所有点的温度及其 变化率都低于设定值时, 停止变速风机。 1 5 硬件抗干扰设计 . 汽车其他设备和充电时的强电磁干扰, 会使电池

# 56# 管理系统出现大量数据误采集情况。因此采取以下防 干扰措施: ? 在电池包和汽车之间以及电池管理系统 电源接口电路中接入高频滤波旁路电容, 消除共模干 扰 ; ? 子 板和 模板 之间加 入高 速数字 隔离 器 ISO721 防止子板的过电压对母板的冲击。 ,
[ 10]

5测控技术 62010年第 29卷第 9期 但能提高滤波效果, 还能降低系统成本 。 考虑到 I BT和功率二极管导通截止等干扰的频 G 率都在 100 H z以上, 本系统采用双线性 Z变换实现了 一个二阶巴特沃斯低通滤波器, 以消除高频干扰。巴 [ 10] 特沃斯低通滤波器转移函数 如下
| G( j ) | 2 = 1 /[ 1 + ( w = w 2 ) ] wR ( 1)
[ 10]

2 电池管理系统软件设计
2 1 电池管理系统软件流程 . 本设计采用模块化的设计方法, 以实现对动力电 池的有效管理。从功能上将 系统软件设计分 为初始 化、 数据采集、 温度控制、 SOC估计、 CAN 通信和中断 服务几部分。软件流程如图 5所示。

1 /S = j /w R w 1 + ( - 1) n s2n

式中, wR 为截止频率; n 为滤波器阶数; S 为复频率变 量。 本设计为二阶滤波器, 即 n = 2, 系统的采样周期 T = 5 m s 数字滤波器的截止频率 fod = 50 H z 故二阶巴 , , 特沃斯低通滤波器原型连续滤波器为
G( s) = 1 /( 1 + 2s+ s2 ) = 2 /T tan(w od T /2) ( 2) = 400 rad/ s

式中, wod =

1 = 0 02 s。 . fod
2 2s s + ( )] 400 400

预弯曲变换的函数为
G ( s) = 1 / [ 1 + ( 3)

整理得
G( s) = 160000 /( 160000 + 565. 6s+ s2 ) ( 4)

对其进行双线性 Z变换得
S= 2 z- 1 z- 1 - 1250 T z+ 1 z+ 1 ( 5)

将式 ( 5)代入式 ( 4)中, 得
G( z) = = 1 + 2z + z2 8. 52 - 7. 04z + 2 52z2 .
0. 397 + 0. 794z 1 + 0. 397z- 2 - 1 1 - 2. 794z + 3. 381z 2

( 6)

式 ( 6)的差分方程为
Y( nT ) = 0. 397 ( nT ) + 0. 794X [ ( n - 1)T ] X + 0. 397X [ ( n - 2)T ] - 2. 794Y[ ( n - 1) T ] + 3. 381Y[ ( n - 2) T] 图 5 系统软件流程 ( 7)

系统中断响应服务程序包括过流、 漏电等外部中 断服务, 当预加电测试失败或者电池电压过高时, 系统 也会进入中断响应, 以保障车辆及乘员的安全。 考虑到电动汽车车内电磁环境较恶劣, 本设计完 全避免了使用多分支语句, 以减少电磁干扰对系统的 影响。通过 RS232与上位机相连, 以方便对系统参数 进行标定, 并观测电压、 电流、 温度及 SOC估计值等。 2 2 软件抗干扰设计 . 电池管理系统电磁环境恶劣, 极易受到各种电磁 信号, 如 IGBT和功率二极管频繁导通截止的干扰, 直 接影响数据采集的精度, 降低系统的可靠性和稳定性。 对于该类干扰信号在硬件抗干扰外加以软件滤波, 不

根据式 ( 7), 可以使用软件滤波代替硬件滤波来 消除时间序列中的高频干扰, 并降低系统成本。

3 系统测试试验
系统设计完成后, 采用 10 节额定电压为 3 2 V、 . 标称容量为 50 A# h的锂电池封装包进行周期性放电 试验。由于电压、 电流、 温度的真值难以确定, 为了验 证本设计电池管理系统的有效性和准确性, 在周期性 放电试验的同时进行了基于 dSPACE 的硬件在环仿真 测试试验。 dSPACE是德国 dSPACE 公司开发的建立在 M at2 lab /S il ulin k环境下的开发、 m 测试工作平台, 该平台可 实现与 Matlab /S i u link 的无缝连接, 测量精度高, 可 m

纯电动汽车电池管理系统研究与设计 以作为真值参考。本试验中, 将电池管理系统测量的 结果通过 UART 输送到 PC机与真值进行比较。 表 1给出了 7组随机采样的电压、 电流、 温度的测 试值、 真值以及测量误差。
表 1 周期性放电试验结果
采样点 1 2 3 4 5 6 7 测量值 /V 33 90 . 33 44 . 33 17 . 32 79 . 32 17 . 31 31 . 30 65 . 电压 真值 /V 误差 /% 电流 测量值 真值 /A /A 5 27 . 6 10 . 5 66 . 5 15 . 4 83 . 5 85 . 4 97 . 5 25 . 5 68 . 误差 /% 0 38 . 0 35 . 温度 测量值 真值 /e /e 32 7 . 38 5 . 35 6 . 35 3 . 37 8 . 34 9 . 39 5 . 误差 /e

# 57# 电状态的估算算法, 以实现对电池电量的准确估计。 参考文献:
[ 1] ( 日 )电气学会 电动汽车驱动系统调查专门委员会. 电动 汽车最新技术 [M ]. 康 龙云, 译. 北京: 机 械工 业出版 社, [ 2] [ 3] 2008: 1- 6. 祝占元. 电动汽车 [M ] . 郑州: 黄河水利 出版社, 2007: 1 5. Ehsan iM, Gao Y M, Gay S E, et a.l M odern e lectr ic hyb ird , electr ic and fuel ce ll vehic les f , : unda entals theory and de2 m , , sign[M ]. CRC P ress 2005: 1- 17. , [ 4] [ 5] 陈清泉, 孙逢春, 祝嘉 光. 现代电动 汽车技 术 [ M ] . 北 京: 北京理工大学 出版社, 2002: 238- 248. Q iang J X, Yang L, Ao G Q, et a. B attery m anage ent sys2 l m te for e lectr ic veh icle application [ A] . I m EEE Internationa l Con ference on Vehicu lar E lectronics and Safe ty[ C ]. 2006: 134- 13 . [ 6] [ 7] W ang X P A modu la r battery m anage ent system for HEVS . m [ D]. The Un ive rs ity of Toledo 2002 , . Cha tzak is J, Ka la itzak is K, Voulgar is N C e t a . Des igning a , . l ne generalized ba ttery m anangem ent system [ J ]. I w EEE T ransactions on Industr ica l E lectron ics 2003, 50( 5): 990 , 999 . [ 8] P esaran A A. Battery ther a lmodels f hybr id vehicle si u2 m or m la tions[ J]. Jou rnal of Powe r Sources, 2002 110( 2) : 377 , 382. [ 9] 曹莹瑜, 齐铂金, 郑敏 信. 电 动汽车 电池管 理系统抗 干扰 设计 [ J] . 工业控制计算机, 2005 18( 12). ,

34 06 - 0 47 . . 33 57 - 0 39 . . 33 10 . 32 04 . 31 20 . 0 21 . 0 41 . 0 35 . 32 94 - 0 46 . .

33 1 - 0 4 . . 38 9 - 0 2 . . 35 3 . 34 9 . 37 7 . 39 3 . 0 3 . 0 4 . 0 1 . 0 2 .

6 13 - 0 49 . . 5 16 - 0 20 . . 4 84 - 0 21 . . 5 84 . 0 17 . 4 99 - 0 40 . .

35 3 - 0 4 . .

30 74 - 0 29 . .

由表 1可知, 该电池管理系统电压测量精度小于 0 5 , 电流测 量精度 小于 0 5 , 温 度误差 小于 . % . % ? 0 5 e 。测试表明, 该电池管理系统测量精度较高, . 功能完善, 运行稳定, 能够有效地提高锂电池性能。

4 结束语
本文设计了基于 P IC18F4585电动汽车电池管理 系统, 实现了数据采集、 通信、 安全控制、 热管理、 SOC 估计等功能。与传统电池管理系统相比, 该系统具有 预加电测试和防漏电功能, 更能有效保证乘员的安全, 并且系统精度高、 可靠性强, 有较强的应用价值, 对纯 电动汽车的发展有良好的促进作用。 在进一步的研究中, 将深入探讨电动汽车电池荷 (上接第 50页 ) 了基于 TMSF240DSP 的软件 控制 系 统, 充分 利用 了 DSP 的高速运算能力和丰富的片内外设资源, 提高了 软件系统的实时性、 准确性, 最后还详细分析了试验结 果, 对无轴承永磁同步电机控制系统的设计具有实用 的参考价值。 参考文献:
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t

(上接第 53页 )

5 结束语
本文针对该油田的实际生产状况设计了油井监测 系统, 基本满足了油田对于抽油机监控的需要。和市 场上现成的 RTU 组态方案相比, 具有系统资源利用 率高、 价格低廉、 便于维修等特点, 具有一定的应用价 值和市场前景。 参考文献:
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[ 5]

[ 3] [ 4] [ 5] [6]

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