電動(dòng)汽車(chē)蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測(cè)

電動(dòng)汽車(chē)蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測(cè)

摘要：電動(dòng)汽車(chē)蓄電池組的工作狀態(tài)主要指各電池在工作時(shí)的端電壓、工作電流和溫度5個(gè)參數(shù)的變化情況。對(duì)電池工作狀態(tài)的檢測(cè)通常有集中式檢測(cè)法和分布式檢測(cè)法，采用“部分”集中、 “整體”分布的思路，將電池分成若干分組，每個(gè)分組集中檢測(cè)，各分組分布檢測(cè)，同時(shí)，采用“橋電容”技術(shù)解決了蓄電池組單體端電壓檢測(cè)中存在的參考點(diǎn)選擇和被測(cè)電池與檢測(cè)設(shè)備隔離的問(wèn)題，形成了一種具有完全隔離功能的集中／分布式檢測(cè)法。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該檢測(cè)法電壓、電流和溫度采集功能正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；汽車(chē)工程；電池；集中／分布檢測(cè)

0 引言
??? 蓄電池技術(shù)是下一代汽車(chē)——電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)(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(xiàn)通信。

2 蓄電池組工作狀態(tài)檢測(cè)方法
??? 電動(dòng)汽車(chē)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％。可見(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(xiàn)簡(jiǎn)單，省去了多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，性能可靠。
??? (2)測(cè)量精度較高，比較符合汽車(chē)電器CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?chē)電器的發(fā)展方向是采用CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn))，采用多通道切換的技術(shù)，即通過(guò)開(kāi)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(kāi)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(chē)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(xiàn)較多，增大了接線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?xún)r(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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(chē)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(huà)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(kāi)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?！皹螂娙荨钡?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/773/" target="_blank">工作原理是這樣的：MCU首先將雙刀單擲開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，模塊不會(huì)從電池取電。可見(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(kāi)關(guān)?？煽亻_(kāi)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(chē)輛的使用。各檢測(cè)模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)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(chē)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。