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 M?贅和300 k?贅的電阻進(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*,。
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：
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。
其中CRM為剩余電量,。令ΔCi=i×Δt,，表示?駐t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。