【導(dǎo)讀】電池技術(shù)和電池能量管理系統(tǒng)的研究成為解決這一問題的關(guān)鍵，越。本文針對目前性能穩(wěn)定的磷酸鐵鋰動力電池,設(shè)計了電動。斷和組間均衡控制以及故障時報警等相關(guān)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(jié)果表明，系統(tǒng)的電池電壓、電流測量精度為1%，SOC預(yù)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(zé) 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(jié)構(gòu) 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(wù)如下： 整車 CAN 網(wǎng)絡(luò) 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(luò) 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(wù) 任務(wù) 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(zhuǎn)換器 溫度控制 電池溫度 冷熱空調(diào) (風(fēng)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(yù)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(wù)中，其關(guān)鍵的任務(wù)主要有兩個，一個是電池充電狀態(tài) (SOC)的預(yù)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(fù)雜的兩個問題。 中央控制單元 (CCU)電路設(shè)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(shù)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(dāng) FLASH 型單片機被廣泛應(yīng)用后，采用軟件模擬加寫片驗證成為一種經(jīng)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(biāo)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(nèi)部 RAM 共有 1Kbyte(256Byte 寄存器 +768Byte 數(shù)據(jù) RAM) ● 內(nèi)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(yīng)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(yīng)。 ● 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(qū)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(fù)位電路 和看門狗電路 本系統(tǒng)供電電壓有 3 種： +5V、 +12V、 12V， 復(fù)位電路包括上電復(fù)位電路和人工復(fù)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(nèi)看門狗定時器用于監(jiān)控 MCU 的活動。如果在 內(nèi) 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(fù)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(fù)位信號的產(chǎn)生會被禁止定時器，可一旦復(fù)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(fù)位及看門狗電路 晶體振蕩器接口電路 本設(shè)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(nèi)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(nèi)部 RAM 只有區(qū)區(qū) 256字節(jié)，所以要外接 RAM。 ，本設(shè)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(nèi)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(dāng)，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(fù)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(jīng)濟的角度考慮，本系統(tǒng)采用 24LC64，它是 Microchip 公司生產(chǎn)的低功耗 COMS I2C 接口串行EEPROM，具有結(jié)構(gòu)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(nèi)數(shù)據(jù)可反復(fù)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(shè)計采用 標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)它為高電平時，禁止寫操作。當(dāng)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(fù)用端。 當(dāng)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(nèi)部的地址及讀操作或?qū)懖僮鳌? 電池 SOC 的預(yù)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(shè)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(nèi)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(yīng)用中若電流測量不準(zhǔn)，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(nèi)部荷電狀態(tài)的方法。對于某些電化學(xué)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(guān)系，因此可以通過測量電池的開路電壓來預(yù)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(fù)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(jié)合使用。 阻抗法 25 電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻 (impedance 常稱交流阻抗 )和直流內(nèi)阻(resistance)之分，它們都與 SOC 有密切關(guān)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(fù)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)阻。直流內(nèi)阻的大小受計算時間段影響，若時間段短于 10ms，只有歐姆內(nèi)阻能夠檢測到；若時間段較長，內(nèi)阻將變得復(fù)雜。準(zhǔn)確測量電池單體內(nèi)阻比較困難，這是直流內(nèi)阻法的缺點。內(nèi)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 隨 著 計 算 機 及 網(wǎng) 絡(luò) 的 飛 速 發(fā) 展 ， 人 工 智 能 (Artificial Intelligence,AI)這一新興學(xué)科得到了迅速的發(fā)展和廠泛的應(yīng)用。人工智能是以計算機為工具，通過模擬人腦的推理、設(shè)計、思考、學(xué)習(xí)等智能行為，解決和處理復(fù)雜問題的一種方法。人工智能技術(shù)的優(yōu)勢在于不需要精確的數(shù)學(xué)模型，僅通過一定時間的學(xué)習(xí)及訓(xùn)練，就能夠解決復(fù)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(yīng)用，并且已經(jīng)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(yīng)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(nèi)部狀態(tài)。電池模型的一般數(shù)學(xué)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(nèi)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(yīng)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(chǔ)和當(dāng)前國內(nèi)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(fù)合剩余電量預(yù)測法： 圖 34 SOC 預(yù)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(jié)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(jié)果對電池的實際容量進行校正，以達到準(zhǔn)確預(yù)測的目的。 因為動力電池的剩余容量預(yù)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(zhǔn)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(yīng)關(guān)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(shè)計 在電動汽車行駛過程中，電機等強電器設(shè)備將產(chǎn)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(zhǔn)確性，在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，采用了如下抗干擾技術(shù)： 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(zhuǎn)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(zhǔn)確性。 2）光電隔離技術(shù)。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