【導讀】電池技術和電池能量管理系統(tǒng)的研究成為解決這一問題的關鍵，越。本文針對目前性能穩(wěn)定的磷酸鐵鋰動力電池,設計了電動。斷和組間均衡控制以及故障時報警等相關功能。系統(tǒng)參數(shù)通過人機接口進行動態(tài)。系統(tǒng)通過NCU_BUS總線與整車其他系統(tǒng)進行信息交互。試驗結果表明，系統(tǒng)的電池電壓、電流測量精度為1%，SOC預測精度為。5%，系統(tǒng)各個功能模塊運行穩(wěn)定可靠。

　　

【正文】 池電壓、電流、溫度等 數(shù)據(jù)的精確測量 ，二級保護負責 SOC 估計、系統(tǒng)、電池組均衡等。 整個系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如 下 圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)的結構 框圖 電池能量管理系統(tǒng)的主要目的就是要最大限度地利用有限的車載能量，增加行駛里程，保護電池，延長電池使用壽命。 電池管理系統(tǒng)的主要任務如下： 整車 CAN 網(wǎng)絡 整車控制系統(tǒng) 測量采集模塊 電池保護模塊 電池箱 管理 ECU CAN 通訊接口 電池管理系統(tǒng) MCU CAN 通訊接口 NCU_BUS 通訊接口 可同時掛接多個電池組 整車 NCU_BUS 網(wǎng)絡 一級保護 二級保護 電機控制器 均衡模塊 溫度控制模塊 充放電控制模塊 20 表 32 電池管理系統(tǒng)的主要任務 任務 傳感器輸入的信號 執(zhí)行器件 防止過充 電池電壓、電流、溫度 充電機 避免過放 電池電壓、電流、溫度 電動機功率轉換器 溫度控制 電池溫度 冷熱空調 (風扇等 ) 電池組件電壓和溫度的平衡 池電壓和溫度 平衡裝置 預測電池的 SOC和剩余行駛里程 電池電壓、電流、溫度 顯示裝置 在以上任務中，其關鍵的任務主要有兩個，一個是電池充電狀態(tài) (SOC)的預測，一個是高效的電池均衡方法。這兩個問題一直是電池能量管理系統(tǒng)是的熱點問題，也是最復雜的兩個問題。 中央控制單元 (CCU)電路設計 SST89E516RD2 芯片介紹 整個電路以單片機為中心，所有功能圍繞它展開，所以它既是控制的中心，也是各功能電路之間的紐帶。 隨著技術的發(fā)展，單片機開發(fā)手段也越來越先進，而價格卻不斷下降。當 FLASH 型單片機被廣泛應用后，采用軟件模擬加寫片驗證成為一種經濟實用的實驗方法。而近年來很多單片機都具有了 ISP 功能，只要一根下載線即可以編程，不再需要編程器。美國 SST公司推出的 SST 系列單片機更是集成了仿真功能，配合 Keil 軟件，可使用戶的目標板直接具有仿真功能，將單片機的易用性推向一個新的高度。 21 圖 33 芯片引腳圖 因此本系統(tǒng)采用 美國 SST 公司 的 SST89E516RD2 單片機。該單片機非常的小巧，包含 44 個管腳， 主要具有以下資源和特點 : ● 通用 8 位 8051 系列兼容微處理器。 與 8051 的軟件完全兼容，開發(fā)工具兼容，封裝與引腳兼容 ● 工作電壓為 ，工作頻率 040MHz ● 內部 RAM 共有 1Kbyte(256Byte 寄存器 +768Byte 數(shù)據(jù) RAM) ● 內含兩塊高性能 SuperFlash 存儲器（ EEPROM） 64Kbyte 的主存儲塊 +8Kbyte 的次存儲塊 用 SoftLock 可以獨立地對每個塊進行安全加鎖。 實現(xiàn)應用中再編程（ IAP: InApplicationProgramming） ,兩塊可同時操作。 在 IAP 過程中可實現(xiàn)存儲器的覆蓋，支持中斷響應。 ● 支持最大 64Kbyte 外部程序和數(shù)據(jù)存儲器 ● P1 的 7 等三個引腳可驅動大電流（每個可達 16mA） ● 3 個 16 位 定時 /計數(shù)器（ T0,T1,T2） ● 全雙工增強型串口通訊口（ UART） 幀錯誤識別 自動地址識別 ● 10 個中斷源， 4 個優(yōu)先級，提供 4 個外部中斷輸入 復位電路 和看門狗電路 本系統(tǒng)供電電壓有 3 種： +5V、 +12V、 12V， 復位電路包括上電復位電路和人工復位電路，使用施密特觸發(fā)器進行整形，提高抗干擾性并保證低電平的持續(xù)時間。 MAX706 片內看門狗定時器用于監(jiān)控 MCU 的活動。如果在 內 WDI 端沒有收到來自 MCU 的觸發(fā)信號，并且 WDI 處于非高阻態(tài)，則WDO 輸出變低。只要復位信號有效或 WDI 輸入高阻，則看門狗定時器功能就被禁止，且保持清零和不計時狀態(tài)。復位信號的產生會被禁止定時器，可一旦復位信號撤消并且 WDI輸入端檢測到短至 50ns的低電平或高電平跳變，定時器將開始 的計時。 WDI 端的跳變會清零定時器并啟動一次新的計時周期 ，可以保證單片機正常運行。原理圖 如圖 31: 22 圖 31 復位及看門狗電路 晶體振蕩器接口電路 本設計 為了保證整個電路的穩(wěn)定性，這里采用的是外接有源晶振，選用的頻率為 16MHz。 在晶振電源附近加上 的濾波電容保證晶振穩(wěn)定工作， 同時為了保證頻率的可靠性我們對晶振輸出的信號 進行 進一步整形。 圖 32 晶振硬件電路 存儲器擴展接口 因為我們選用的單片機 SST89E564RD 內部已集成了 ROM，不需要使用外部的 ROM，所以把 /EA 腳的電平直接拉高。單片機的內部 RAM 只有區(qū)區(qū) 256字節(jié)，所以要外接 RAM。 ，本設計中選用的是 Hitachi 公司的 32Kx8 型號為 HM62256B 的高速 CMOS 靜態(tài) RAM， 5V 供電，存取時間為 45ns。 它的容量是 32KB。 它與單片機可以直接連接，無需外加延時等待電路只需將 SRAM的地址線、數(shù)據(jù)線與單片機的地址線、數(shù)據(jù)線相連接，并輔以片選信號線和控制信號線選中該芯片即可。外擴 RAM 的接口電路如圖 32 所示。 23 圖 32 外擴 RAM 接口電路 外部 E2PRAM接口 EEPROM 是一種可在線擦除和再編程的存儲器，它既有 RAM 可讀可寫的特性，又具有 ROM 的非易性功能，其內部有擦除和寫入專用電路，一般其擦除 /寫入次數(shù)為一萬次，寫入數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保存十年，在斷電情況下， EEPROM 中的信息保持不變。 EEPROM 可分為并行和串行兩種，但并行 EEPROM 相對容量大，速度高、讀寫方法簡單，其讀出時間與 SRAM 相當，但它的功耗大，價格高，寫入速度較慢。而串行 EEPROM 芯片的特點是體積小、價格低、功耗小，但讀寫方法較復雜，工作速度較慢，通常用于所需字節(jié)數(shù)和寫入次數(shù)不多，且對寫入速度也要求不高的場合。 BMS 系統(tǒng)的工作周期長，需要存儲一些重要參數(shù)，這些數(shù)據(jù)要求在掉電情況下不丟失，由于需要存儲的信息量較少，并且從經濟的角度考慮，本系統(tǒng)采用 24LC64，它是 Microchip 公司生產的低功耗 COMS I2C 接口串行EEPROM，具有結構緊湊，且此接口相對簡單，硬件有寫保護功能，最高時鐘頻率可達 4OOKHz，最小的寫周期時間為 5ms。芯片具有 64Kbit 位 (8KB字節(jié) )電可擦除 EEPROM，由 8 個 256X8 位存儲器塊組成具有兩線串行接口，與 I2C 兼容?？稍陔娫措妷旱偷? 的條件下工作，等待電流和額定電流分別為 5uA 和 1mA。芯片內數(shù)據(jù)可反復擦寫 1， 000， 000 次，數(shù)據(jù)保持時間 (無電情況下 )大于 40 年。 本設計采用 標準的 8 引線 S0C 封裝。 24 圖 33 單片機與 24C64 接口電路 24C64 與單片機的硬件接口電路如圖 33 所示， 24C64 為 5V 供電， WP為硬件寫保護管腳，當它為高電平時，禁止寫操作。當為低電平時，則可以對整個存儲空間進行讀寫操作。 SCL 為串行時鐘輸入端，用于控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出。 SDA 為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出復用端。 當使用 24C64 時最多只可連接 1 個器件，所有地址管腳 A0、 A A2 都未用管腳， 所以接地既可 。24C64 通過控制字節(jié)來來選擇器件內部的地址及讀操作或寫操作。 電池 SOC 的預測方法 Ah 計量法 Ah 計量法是最常用的 SOC 估計方法。 Ah 法實際上是一種基于“黑箱”原理而設計的方法，把電池看作一個整體，即“黑箱”，“黑箱”與其外部進行能量的交換，通過對進出“黑箱”的電流在時間上進行積分從而記錄“黑箱”能量的變化。由于只需要計量進出電池的電能，不必考慮電池這個“黑箱”內部狀態(tài)的變化和其它因素的影響，該方法簡單易行。 Ah 計量法應用中若電流測量不準，將造成 SOC 計算誤差，長期積累，誤差越來越大；要考慮電池充放電效率；在高溫狀態(tài)和電流波動劇烈的情況下，誤差較大。 開路電壓法 開路電壓法 (OCV)是根據(jù)電池開路電 壓來判斷電池內部荷電狀態(tài)的方法。對于某些電化學體系，如鋰離子電池和鉛酸電池，電池的荷電狀態(tài)與開路電壓之間有一定的近似線性關系，因此可以通過測量電池的開路電壓來預測電池和狀態(tài)的大小。開路電壓法的顯著缺點是需要電池長時靜置，以達到電壓穩(wěn)定，電池狀態(tài)從工作恢復到穩(wěn)定，需要幾個小時甚至十幾個小時，這給測量造成困難；開路電壓法在充電初期和末期 SOC 估計效果好，常與 Ah 計量法結合使用。 阻抗法 25 電池內阻有交流內阻 (impedance 常稱交流阻抗 )和直流內阻(resistance)之分，它們都與 SOC 有密切關系。電池交流 阻抗為電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，是一個復數(shù)變量，表示電池對交流電的反抗能力，要用交流阻抗儀來測量。直流內阻表示電池對直流電的反抗能力，等于在同一很短的時間段內，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實際測量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流充電或放電，相同時間里負載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內阻。直流內阻的大小受計算時間段影響，若時間段短于 10ms，只有歐姆內阻能夠檢測到；若時間段較長，內阻將變得復雜。準確測量電池單體內阻比較困難，這是直流內阻法的缺點。內阻法適用于放電后期電池 SOC 的估計，可與 Ah 計 量法組合使用。 神經網(wǎng)絡法 隨 著 計 算 機 及 網(wǎng) 絡 的 飛 速 發(fā) 展 ， 人 工 智 能 (Artificial Intelligence,AI)這一新興學科得到了迅速的發(fā)展和廠泛的應用。人工智能是以計算機為工具，通過模擬人腦的推理、設計、思考、學習等智能行為，解決和處理復雜問題的一種方法。人工智能技術的優(yōu)勢在于不需要精確的數(shù)學模型，僅通過一定時間的學習及訓練，就能夠解決復雜、不確定、非線性系統(tǒng)的建模及處理問題，且易于硬件及軟件實現(xiàn)。目前遺傳算法在電池性能檢測方面都有廣泛的應用，并且已經顯示出了獨特的優(yōu)勢。 卡爾曼濾波法 卡爾曼濾波 理論的核心思想，是對動力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計。應用于電池 SOC 估計，電池被看成動力系統(tǒng)， SOC 是系統(tǒng)的一個內部狀態(tài)。電池模型的一般數(shù)學形式為： 狀態(tài)方程： ????+1 ???????? ???????? ???? ?? ????,???? ???? 觀測方程： yk ckxk vk g xk,uk vk 式中 uk為 系統(tǒng)的輸入向量，通常包含電池電流、溫度、剩余容量和內阻等變 量； xk為系統(tǒng)的狀態(tài)量； yk為 系統(tǒng)的輸出，通常為電池的工作電壓，電池 SOC 包含在系統(tǒng)的狀態(tài)量 xk中。 f xk,uk 和 g xk,uk 都是由電池模型確定的非線性方程，在計算過程中要進行線性化。 26 卡爾曼濾波方法估計電池 SOC 的研究在近年才開 始， 該方法適用于各種電池，尤其適合于電流波動比較劇烈的電動汽車動力電池 SOC 的估計，它不僅給出了 SOC 的估計值，還給出了 SOC 的估計誤差。 上面介紹了動力電池剩余電量計算的幾種常用方法，由于不同動力電池的特性及影響動力電池性能的多種因素，它們在實際應用于電動車上都存在較大的誤差。根據(jù)我們在電池能量管理系統(tǒng)上原有的研究基礎和當前國內外的研究進展，同時綜合分析了上述各種方法的優(yōu)缺點，本文提出了復合剩余電量預測法： 圖 34 SOC 預測流程 本文將安時法、開路電壓法和卡爾曼濾波法法的方法結合起來，首先，由開路電壓法測出電池的初始容量，然后，用安時法和卡爾曼濾波法計算動態(tài)的電池剩余容量，并比較兩種方法的結果對電池的實際容量進行校正，以達到準確預測的目的。 因為動力電池的剩余容量預測的主要難點也就在于電池的實際容量難以確定，而單純采用安時法雖能準確計量進出電池的能量，但無法確定電池充放電的原點。開路電壓測量法是利用電池的開路電壓與電池的放電深度的對應關系，通過測量電池的開路電壓來估計電池27 的初始剩余容量，但不能用于動態(tài)的電池剩余容量估計。把卡爾曼濾波法法用于估計動力電池剩余容量，輸入是電池的溫度、電流、溫度、剩余容量等、輸出是工作電壓。用輸入和輸出對電池的狀態(tài)（包括 SOC）能作出夠有效的估計。但這種卡爾曼濾波法法的方法沒有考慮到動力電池的荷電狀態(tài)受電池老化等因素的影響 ， 這種估計方法會有一定的誤差。 系統(tǒng)的 抗干擾設計 在電動汽車行駛過程中，電機等強電器設備將產生大量的電磁聲和電波干擾。 從電池組采樣箱到駕駛室的主電路 之間有較長的距離，干擾較為嚴重，為了防止對系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和準確性，在系統(tǒng)硬件設計中，采用了如下抗干擾技術： 1）電流形式傳遞 信號。輸入通道中的信號如總電壓信號、各端電壓及溫度信號均通過傳感器采樣轉化為電流信號，以電流形式傳遞到主電路箱，從而防止在長線傳輸中干擾信號的竄入，提高信號傳遞的準確性。 2）光電隔離技術。為了防止輸出通道中干擾信號的串入，通過光電耦合器隔離主機系統(tǒng)和輸出通道，以切斷它們之間的電器聯(lián)系。 3） DC/DC 變換器。采用具有直流隔離功能的 DC/DC 變換器，使各部