0 引言
蓄電池技術(shù)是下一代汽車——電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一。蓄電池是復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng),，國(guó)內(nèi)外對(duì)電池管理技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究,，取得了許多成果。一般認(rèn)為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集(包括溫度,、電壓,、電流等),；電池荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)的準(zhǔn)確估計(jì),；不健康電池的早期診斷,；對(duì)電池組安全運(yùn)行全面監(jiān)控，如防止電池的過(guò)充電和過(guò)放電等等,。
由于電動(dòng)汽車蓄電池組通常是由幾十個(gè)(上百個(gè))單體電池組成,，所以，每一個(gè)單體電池的工作狀態(tài)正常與否不僅反映電池組性能的好壞,，而且影響電池組的容量及剩余能量,。實(shí)踐表明，在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中,，如不及時(shí)檢測(cè),，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小,，壽命將縮短,，影響整個(gè)電池組的高效安全運(yùn)行。
電池工作狀態(tài)的檢測(cè)由電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,，BMS)完成,，而電池管理系統(tǒng)的其他功能(包括剩余能量的計(jì)算)都是建立在電池工作狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)之上的，研究蓄電池組工作狀態(tài)檢測(cè)方法對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有非常重要的意義,。
l BMS的基本結(jié)構(gòu)
湖南大學(xué)研發(fā)的電動(dòng)汽車(EV一3號(hào))采用的BMS結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,。該BMS由電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電池核電狀態(tài),、(SOC)系統(tǒng),、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)3部分構(gòu)成。傳感器,、電池監(jiān)控系統(tǒng)和SOC系統(tǒng)構(gòu)成底層系統(tǒng),，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)為上層系統(tǒng)，系統(tǒng)之間通過(guò)內(nèi)部CAN總線通信,。
2 蓄電池組工作狀態(tài)檢測(cè)方法
電動(dòng)汽車蓄電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的,，檢測(cè)比較容易,，而端電壓的檢測(cè)則比較麻煩。若只檢測(cè)電池組的端電壓,，方法很簡(jiǎn)單,，只需在電池組的兩端接上檢測(cè)電路即可，但這樣做是不行的,，因?yàn)殡m然可以得到總的工作電壓,，但無(wú)法判斷具體單體電池的端電壓,，而只要有一塊電池出問(wèn)題就會(huì)影響整組電池的正常工作和性能；另外,，對(duì)檢測(cè)電路精度要求高,。一個(gè)單體電池端電壓的正常工作范圍比較小，比如12V鉛酸電池的終止電壓在10V左右,，電壓變化范圍在2～3V之間,，檢測(cè)電路只要10％的精度即可檢測(cè)出1V的變化量。若24塊12V鉛酸電池串聯(lián),，額定電壓是288V,，放電終止電壓是240V，電壓的正常變化范圍是48V,，如果一塊電池的端電壓降至9V,，那么反映在總電壓上為285V，只變化了大約1％,?？梢?jiàn)，檢測(cè)電路的精度至少要達(dá)到1％以上才能檢測(cè)出幾伏電壓的變化,。而整組電池檢測(cè)很難發(fā)現(xiàn)單體電池的緩慢變化,，包括單體電池本身的老化和因單體電池一致性問(wèn)題而帶來(lái)的積累效應(yīng)。整組檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)電池及電池組實(shí)際容量,，無(wú)法篩選其中已老化的電池,。
實(shí)用的方法是檢測(cè)每一個(gè)單體電池。但對(duì)于串聯(lián)形成的電池組,，要自動(dòng)檢測(cè)每個(gè)單體電池的端電壓所遇到的主要問(wèn)題是測(cè)量參考點(diǎn)的選擇以及檢測(cè)電路與被檢測(cè)電池組的電隔離問(wèn)題,。電位參考點(diǎn)的選擇不僅如上所述影響測(cè)量精度，還對(duì)測(cè)量電路的測(cè)量范圍提出了很高的要求,。而被檢測(cè)電池組與檢測(cè)電路的隔離不僅涉及到系統(tǒng)的安全還影響檢測(cè)電路的復(fù)雜度和可實(shí)現(xiàn)性,。目前采用的主要是分布檢測(cè)和集中檢測(cè)兩種方法。
1)分布檢測(cè)法
所謂分布式隔離檢測(cè)技術(shù),，就是將單體電池電壓及溫度的檢測(cè)模塊化,、本地化，然后再通過(guò)一定的通訊手段將這些檢測(cè)模塊檢測(cè)的數(shù)據(jù)集中起來(lái),，最后統(tǒng)一處理,。這樣做的目的就是要解決集中檢測(cè)方法所存在的種種問(wèn)題。原理圖見(jiàn)圖2,。
其主要優(yōu)點(diǎn)是：
(1)連線簡(jiǎn)單,，省去了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，性能可靠,。
(2)測(cè)量精度較高,，比較符合汽車電器CAN總線化的發(fā)展趨勢(shì),。
(3)分布式模塊解決了參考點(diǎn)問(wèn)題，利用總線通信方式(采用光耦器件)解決了主控機(jī)與電池組的隔離問(wèn)題,。
但應(yīng)用分布式檢測(cè)技術(shù)還必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：
(1)由于檢測(cè)模塊直接從被測(cè)電池上持續(xù)取電,，不利于節(jié)能和安全。
(2)當(dāng)電池較多時(shí),，模塊數(shù)量也多,，使得成本和復(fù)雜度提高，并且要求通信總線有較高的帶載能力,。
從功能上看,，檢測(cè)模塊主要由檢測(cè)子模塊和通信子模塊兩大部分組成。檢測(cè)子模塊要完成數(shù)據(jù)的采集和調(diào)理任務(wù),，而通信子模塊則要溝通與主控電路的信息交流,，接收主控電路的指令，上傳由檢測(cè)子模塊提供的檢測(cè)數(shù)據(jù),。
因?yàn)槠囯娖鞯陌l(fā)展方向是采用CAN總線技術(shù),，所以，通信子模塊與主控電路之間應(yīng)該采用CAN總線連接,。
2)集中檢測(cè)法
集中檢測(cè)法(見(jiàn)圖3)是用一套檢測(cè)電路分時(shí)檢測(cè)各個(gè)單體電池,。檢測(cè)技術(shù)比較直觀，為了檢測(cè)每只電池的電壓,，需要將每只電池的電壓信號(hào)引入檢測(cè)設(shè)備(如果蓄電池組由n節(jié)單體電池組成,，需要引n+1條檢測(cè)線)，采用多通道切換的技術(shù),，即通過(guò)開關(guān)器件(繼電器)把多節(jié)單體電池的電壓信號(hào)切換到同一個(gè)差分放大器,，經(jīng)信號(hào)處理后用一只A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。 “開關(guān)切換”動(dòng)態(tài)地改變了參考點(diǎn),，保證每次測(cè)量都是一個(gè)單體電池的端電壓,；而差分輸入則保證了電池組與檢測(cè)電路不共地，雖然沒(méi)有做到全隔離,，但比共地連接要安全,。電池溫度的檢測(cè)一般可采用數(shù)字或模擬溫度傳感器，由于測(cè)溫過(guò)程與電池組沒(méi)有電連接且技術(shù)也比較成熟,，所以本文不再贅述,。另外，因電動(dòng)汽車要求的電流較大(幾十到幾百安),，所以對(duì)電池組充放電電流的檢測(cè),，一般采用非接觸式電流傳感器或變送器實(shí)現(xiàn),。
這種方法主要缺點(diǎn)是信號(hào)線較多,，增大了接線的難度和復(fù)雜度,，影響測(cè)試精度，降低了可靠性,。
3)集中／分布式檢測(cè)法
為克服分布檢測(cè)法和集中檢測(cè)法的缺點(diǎn),，我們提出“局部集中”、“整體分布”的檢測(cè)思路,，即將全部電池分成若干個(gè)小組,，每個(gè)小組用一個(gè)檢測(cè)模塊進(jìn)行“集中式”檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)檢測(cè)模塊通過(guò)CAN總線連接而成,。簡(jiǎn)言之,，集中／分布式檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是檢測(cè)單元部分模塊化、本地化,，數(shù)據(jù)靠總線傳輸,。集中／分布式檢測(cè)除了具有前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)之外，還有以下主要優(yōu)點(diǎn)：加強(qiáng)了組建系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)充性,；增加了系統(tǒng)的可靠性,；具有較高的性價(jià)比。
對(duì)于鉛酸電池,，由于其單體電壓較高,、體積較大、數(shù)量較少,，所以可給每2個(gè)或每4個(gè)電池配一個(gè)檢測(cè)模塊,。而對(duì)于像鋰電池這類單體電壓較低、體積小但數(shù)量多的電池組,，可將2～8個(gè)電池分為一組,。圖4是集中／分布式檢測(cè)框圖。
為了降低成本,、縮小體積,、簡(jiǎn)化電路，電池檢測(cè)模塊應(yīng)由單片機(jī)完成,。單片機(jī)選型的主要條件是：至少有4路10位精度以上的A／D轉(zhuǎn)換器(因?yàn)橐粔K電池至少需要電壓和溫度2路檢測(cè)),；帶有CAN總線控制器。
我們選用微芯公司(MICROCHIP)的PICl8系列用于前端的檢測(cè)模塊,。該系列的PICl8F248／258和PIC18F2585／2680都是28腳雙列直插封裝,，PIC18F248／2587蒂有5路10位A／D轉(zhuǎn)換器；PICl8585／26801帶有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器,，并具有納瓦電源管理技術(shù)使芯片的功耗進(jìn)一步降低,。PICl8F2585／2680還具有在線串行編程技術(shù)，允許單片機(jī)在嵌置到電路板之后進(jìn)行編程,，為使用提供了極大的方便,。
在我們的課題中采用了24節(jié)12V鉛酸電池,，分為三組擺放在車內(nèi)，兩邊的行李箱位置各擺放6節(jié)電池,，尾部行李箱位置擺放12節(jié)電池,，2節(jié)電池共用一個(gè)檢測(cè)模塊，即一個(gè)檢測(cè)模塊集中檢測(cè)2塊電池的狀態(tài),。最后需要說(shuō)明的是,，由于溫度傳感器與電池沒(méi)有電接觸，所以檢測(cè)示意圖中沒(méi)有畫出溫度檢測(cè)部分,，但每個(gè)檢測(cè)模塊都有溫度檢測(cè)功能,。
為了克服模塊從電池上持續(xù)取電的問(wèn)題，我們將所有模塊統(tǒng)一供電,，由一個(gè)總開關(guān)控制,。這就牽涉到供電回路與電池的隔離問(wèn)題。為解決該問(wèn)題,，我們采用“橋電容”技術(shù),。圖5是模塊內(nèi)部框圖。“橋電容”的工作原理是這樣的：MCU首先將雙刀單擲開關(guān)K1合上,，則電池對(duì)電容C1充電,，由于時(shí)間常數(shù)很小，電容端電壓很快達(dá)到電池端電壓,；然后MCU斷開K1合上K2,，從A／D上就可采集到C1的端電壓，也就是電池的端電壓,；最后MCU斷開K2,。從而完成一次采集任務(wù)。另外,，當(dāng)模塊不加電時(shí),，兩組開關(guān)是斷開的，模塊不會(huì)從電池取電,?？梢?jiàn)，這種方式不但解決了參考點(diǎn)問(wèn)題,，而且完全隔離了電池與檢測(cè)電路,，其主要缺點(diǎn)是每個(gè)模塊增加了兩組可控開關(guān)?？煽亻_關(guān)選用光耦繼電器AQW212,。模塊的成本在200元左右，非常適合電動(dòng)車輛的使用。各檢測(cè)模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線上傳給主控機(jī),。由主控機(jī)進(jìn)行處理并顯示出來(lái),，供駕駛員參考。
3 結(jié)束語(yǔ)
(1)采用集中／分布式檢測(cè)方法對(duì)蓄電池組參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),，較好地克服了集中式和分布式檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，更適合電動(dòng)汽車電池組的檢測(cè),。
(2)利用“橋電容”技術(shù)傳遞所采集的蓄電池電壓信號(hào),，可有效地解決蓄電池和檢測(cè)電路間的隔離問(wèn)題。
(3)通過(guò)在24塊12V鉛酸電池組上的試驗(yàn),，由12個(gè)檢測(cè)模塊和1個(gè)主控機(jī)構(gòu)成的集中／分布式檢測(cè)系統(tǒng)工作正常,，電壓、電流和溫度的檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,、可靠,，表明集中／分布式檢測(cè)方法切實(shí)可行，具有較高的應(yīng)用價(jià)值,。