【正文】 MAX1898 外接限流型充電電源和 P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管，可以對(duì)單節(jié)鎳氫電池進(jìn)行安全有效的快充，它的最大特點(diǎn)是在不使用電感的情況下，仍仍 能做到很低的功率損耗，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電具有過(guò)壓和過(guò)溫 的保護(hù)功能，它的最長(zhǎng)充電時(shí)間限制為鎳氫電池提供的二次保護(hù)。 充電機(jī) 選用的充電芯片是 MAX1898，它的內(nèi)部電路包括輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。工作時(shí)，首先用手指或其它物體觸摸安裝在 顯示器 前 端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標(biāo)或菜單位置來(lái)定位選擇信息輸入。觸摸屏目前是 最新 和 最潮流 的 輸入設(shè)備， 同時(shí) 它 不僅特別 簡(jiǎn)單 而且還 方便 自然 ，利索當(dāng)然的它是 人機(jī) 相互交流的 方式。 CRD S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 03 . 3 VI OG N D 保護(hù)電路 BMS 采集鎳氫電池的電壓、溫度等參數(shù)，每次充放電都會(huì)使電池的壽命發(fā)生變化，電池出現(xiàn)故障時(shí)，這些參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，主控制芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊的輸入通道是單極性的 ，因此在電壓變化的情況下，要把外界電路輸入端改變一下，從 DSP 的安全角度出發(fā)同時(shí)也是為了 BMS 系統(tǒng)的安全運(yùn)行，所有模擬信號(hào)在送達(dá)DSP 時(shí)先經(jīng)過(guò) AD 保護(hù)電路。 所有的電池都有自己安全工作的溫度范圍，工作過(guò)程中電池的溫度一直都在變化，為避免電池過(guò)熱而影響電池的狀態(tài)和功能，可以設(shè)定電池工作溫度范圍的上下限，電池出現(xiàn)故障，電池的溫度發(fā)生不正常的現(xiàn)象，對(duì)所有電池的溫度 進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)可以及時(shí)直到電池發(fā)生了故障，及時(shí)更換可以避免不必要的損失。 電流采集 電流既是 判斷電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)流的依據(jù)又是根據(jù)電流、時(shí)間的庫(kù)侖計(jì)量來(lái)估計(jì)電池 SOC 的重要依據(jù)。用可編程邏輯器件 CPLD 來(lái)實(shí)現(xiàn)光耦 合 隔離的開(kāi)通和關(guān)斷控制的信號(hào) 。 系統(tǒng)要隔離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的通信，可取用線性光耦，就會(huì)把前面的電池采集到的電壓信號(hào)分開(kāi)，后面的處理當(dāng)中要把大電壓依照有關(guān)規(guī)定變小，這樣就可以把電池的電壓該變量及時(shí)準(zhǔn)確地傳給主控芯片，然后再經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)后送到微處理器中處理。 監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量電池的關(guān)鍵參數(shù)電壓、電流、溫度，估計(jì)電池模塊的 SOC 和 SOH。 T M ST D IT D OT C KE M U 0T R S T+ 5 V+ 3 . 3 VE M U 1135791 11 324681 01 21 4 TMS 是表示模擬的輸入信號(hào)，當(dāng) TCK 達(dá)到上升沿的時(shí)候， TMS 狀態(tài)就可以決定 TAP 將執(zhí)行什么工作狀態(tài)； TCK 表示的是測(cè)試時(shí)鐘，它是用來(lái)提供適中的為寄存器與控制器， 它們會(huì)隨著 TCK 同步信號(hào)串行移入數(shù)據(jù)和指令； TDI 是數(shù)據(jù)寄存器和指令的串行輸入端，當(dāng) TCK 達(dá)到上升沿的時(shí)刻，系統(tǒng)就會(huì)對(duì) TDI 引腳數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并將結(jié)果傳送到寄存器中； TDO 跟 TDI 的操作模式一樣，區(qū)別是 TDO 是在 TCK 下降沿而不是上升沿發(fā)生改變。 + 3 . 3 V1234B I O / I O P C 1C L K O U T / I O P E 0123D S PA 0A 2A 1V S SV C CW PS C LS D A2 4 L C 1 68765 該芯片需要提供 伏的電壓供電 ， 因此不用顧及它與主控制芯片的電平之 間的裝換，芯片里面的 WP 是硬件的寫(xiě)保護(hù)管教，當(dāng)這一端是高電平的時(shí)候，關(guān)閉寫(xiě)操作，這一端是低電平的時(shí)候允許讀寫(xiě)操作，芯片內(nèi)的 SCL 表示串行時(shí)鐘輸入端，它的功能是控制數(shù)據(jù)的傳輸， SDA 表示串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出的復(fù)用段，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中把 A0A1A2 設(shè)置為片選引腳，將它們接地， 24LC02 的工作方式是經(jīng)字節(jié)去選擇器件內(nèi)部地址還有選擇進(jìn)行何種操作。 EEPROM 有兩種，一種是并行它的儲(chǔ)量相當(dāng)大，讀寫(xiě) 方法容易而且迅速，他讀寫(xiě)素需要的時(shí)間跟 RAM 差不多，然而其消耗很大，成本也不低，重要的是一個(gè)是它的速度很不快，但是串行 ROM 它的特征是占用空間小 ，既省錢(qián)又小功率損耗，然而它的缺點(diǎn)是讀寫(xiě)的時(shí)候很麻煩，運(yùn)行起來(lái)很慢慢，一般在字節(jié)數(shù)跟寫(xiě)入的次數(shù)少的這樣的情形下使用。它的電路圖如圖所示。 ，中斷管理功能既 多又靈敏，符合電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜的管理要求。 硬件設(shè)計(jì) 總 體方案設(shè)計(jì) 主控制板芯片選取 TMS320LF2407A 芯片介紹 本 電池管理系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，有很多接口方式和數(shù)據(jù)類型，這樣就對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)性功能提出的要求很高，所以在選取核心控制器芯片的時(shí)候要優(yōu)先考慮運(yùn)算快速、高集成度和大的存儲(chǔ)量的芯片， 選用的芯片是 TMS320LF2407 DSP，此 芯片采用 的 優(yōu)點(diǎn)有 ： 字節(jié)的數(shù)據(jù)程序 ram 和 32K 字節(jié)的 FLASH 程序控制器，還有 455 字節(jié)的雙 口 ram， 2K 字節(jié)的單口 ram，有著非常大的存儲(chǔ)空間。 每種電池都 有自己的溫度的工作范圍，鎳氫電池的范圍是 [30℃ ,50℃ ]，但 溫度降到太低的時(shí)候這個(gè)時(shí)候電池就不能工作了 ，太高的時(shí)候表明它已經(jīng)出故障了，不能再用了，應(yīng)該及時(shí)更更換新電池。 SOH 表示的是電池內(nèi)部的不可逆反應(yīng)，它是一個(gè)變化很慢的變量，所以無(wú)需對(duì)它進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。 首先，按照前面已經(jīng)介紹的安培小時(shí)定律，電池充放電容量與充放電電流的關(guān)系式為 t0C idt?? ?? 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的充電電流，進(jìn)而在 它的 時(shí)域上進(jìn)行積分，這樣就能得到時(shí)間段△ t 上的積分即電池的容量變化，僅需知道電池的初始容量，那么它的剩余容量表示式是： 0( ) ( )C t C C t??? 這種方法不僅簡(jiǎn)單而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很容易，僅電流采樣點(diǎn)路就可以了，最重要的問(wèn)題是初始值的確定，一般情況下電池充滿電量后以滿充容量當(dāng)做初始值來(lái)計(jì)算，剩余容量會(huì)受到別的其他因素的影響，因此應(yīng)該改正這些情況。分散式系統(tǒng)比較適合于大電池。電池組出現(xiàn)故障時(shí)解決的唯一辦法把整個(gè)電池組替換，集中式結(jié)構(gòu)適用于只有 一個(gè)電池組組成的車用動(dòng)力電源系統(tǒng)。 H C U主 控 模 塊C A NC A N觸 摸 屏 輸 入 和顯 示 模 塊CANC A NCAN采 集 模 塊 i 采 集 模 塊 nCAN采 集 模 塊 1 BMS CAN 模型結(jié)構(gòu) 整體設(shè)計(jì)方案 電池管理系統(tǒng)有三種不同的結(jié)構(gòu)，集中式結(jié)構(gòu)、集成式結(jié)構(gòu)和分散式結(jié)構(gòu)。 依照電池中最高電壓值充電到最大值所維持需要的時(shí)間來(lái)決斷是不是要終止 。在給蓄電池充電過(guò)程中對(duì)于那些容量較低的電池要用去硫化的充電模 式，使這些電池回到原先健康狀態(tài)，至于那些快要充滿的要繼續(xù)沖直到充滿為止，所以這一過(guò)程中的各項(xiàng)狀態(tài)都要達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這種方法可以應(yīng)用于所有 類型的電池，弊端是要對(duì)大量的數(shù)據(jù)測(cè)量計(jì)算處理。 所謂電池內(nèi)阻是指電池反抗直流電的 能力，它是指在同一時(shí)刻電壓的變化量同電流的變化量之比，實(shí)際中把電池在開(kāi)路狀態(tài)以恒定的數(shù)量值放電或者充電，在同一時(shí)間里負(fù)載的電壓減去開(kāi)路的電壓然后用這個(gè)差值與電流作比值就得到 了直流內(nèi)阻，在放電的后期鎳氫電池 ，很顯然直流內(nèi)阻會(huì)變大，這樣就可以用來(lái)估量電池的 SOC 值了。 計(jì)量法 估計(jì) SOC 的最常用方法是 Ah 計(jì)量法，假如充電的 最初 狀態(tài)是 SOC0,則 SOC的 現(xiàn)在的 狀 態(tài)是： ??? tC IdtSO CSO C N 010 ? 其中 I 是電池電流， NC 是額定容量； ? 是充電效率， 它是一個(gè)變量 ； I 是 鎳氫 電池 的充電 電流 。因此，我們制定了多段段恒流充電與脈沖放電相結(jié)合的充電策略，如圖 3． 8所示。 i / Au / Vuit 系統(tǒng) 充電方法 智能系統(tǒng) 充電 的特點(diǎn)是它的充電速度非?？?， 它的研究重點(diǎn)是怎么樣才能使電池在最少的時(shí)間內(nèi)快速穩(wěn)定地恢復(fù) 。 i / Au / Vtui0 變電壓 充電法 在繼上一種方法出現(xiàn)后科學(xué)家和工程師們 又 想出另一種類似的方法了這就是電壓出現(xiàn)變化的間隔充電法 (如圖 3． 7)。 剛開(kāi)始階段 的 每段 實(shí)行 電流 不恒定的階段性 充電 策略 ， 在這種情況下力求把給電池 充電 的 電流 值高一些 ， 目的就是在有限的時(shí)間之內(nèi)給電池沖進(jìn)去更 多的電量 。 在 充電脈沖 時(shí)間內(nèi) 蓄電池 可以 充電直到充滿為止 ， 蓄電池在非充電階段 化學(xué)反應(yīng) 階段出現(xiàn)的 的氧氣和氫氣 在這段時(shí) 間內(nèi) 重新 反應(yīng) ， 這樣就會(huì)順其自然解決 濃差和歐姆極化 問(wèn)題 ， 這樣也就緩解了 蓄電池 里面的壓強(qiáng) ， 這樣就會(huì)使下一個(gè)周期的恒值電流 充電 可以更加容易 ， 這樣電池就能儲(chǔ)存更多的電量 。在 電流 減小至默認(rèn) 值的 時(shí) 候 ， 充電過(guò)程從 第二階段 很快轉(zhuǎn)換至下一階段即 第三階段。 二階段 充電 法 是一種很快的充電方法，它把恒定的電壓值跟恒定的電流值 結(jié)合 起來(lái)一起充電 ，如圖 3． 3所示。 越來(lái)越多的 廠家推薦該充電方式，它是一種非常有效的充電方式，因?yàn)閷?duì)電池來(lái)說(shuō)低壓限流充電更有利 于 保護(hù)電池，因?yàn)樾铍姵氐某潆婋妷旱?末 期 電池的 電流 變得特別 小，所以電解液 基本上不產(chǎn)生氣泡，即使產(chǎn)生也會(huì)很少 ，既節(jié)省了電能又降 減小了 電池的溫 度上 ，保護(hù)電池的極板。 該充電法調(diào)整 外部 充電 機(jī)的 電壓， 調(diào)節(jié) 串聯(lián) 電池 的電壓，為的是使 充電 過(guò)程中的 電流不 在出現(xiàn) 變 化 。因?yàn)?在充電 的 后期 充電的 電流 變 小，控制 電池的 過(guò)充電 會(huì)變得很簡(jiǎn)單。 電池管理系統(tǒng)的功能 充電管理 充電管理 就要利用 合 適 的方法充電 ，適時(shí)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)以確保 電池安全 充電 和 良好的 效率。 鎳氫電池優(yōu)點(diǎn)有：功率密度和能量密度均高于鉛酸電池和 鎳鎘 電池，在電動(dòng)車用電池中循環(huán)使用壽命是最高的，深度放電性能和快速充電性能好，沒(méi)有重金屬污染，充放電效率很高。進(jìn)入 90年代后伴隨著電動(dòng)汽車尤其是混合動(dòng)力汽車研究的需要高能量動(dòng)力電池成為鎳氫電池迅速發(fā)展的方向。 SOH 反映電池的預(yù)期壽命是一個(gè)相對(duì)量， SOH= MNCC ， NC 指蓄電池標(biāo)稱容量， MC 指蓄電池預(yù)測(cè)容量。 流過(guò)電池內(nèi)部的電流受到阻力電壓會(huì)降低，這個(gè)阻力就是電池內(nèi)阻。 （ 1） 電流率：指電池以某種電流強(qiáng)度放電量是額定容量的倍數(shù)。 （ 3）額定容量：電池按照一定標(biāo)準(zhǔn)在放電條件下放出的最低限度容量。 （ 3）能量密度：電池組的每單位體積輸出的能量，單位是 Wh? /L 。 （ 3）開(kāi)路電壓：開(kāi)路時(shí)電池兩端的電壓，跟電池兩端的電動(dòng)勢(shì)近似相等。 電池管理系統(tǒng)是一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，所以在研制它之前首先要對(duì)監(jiān)控的對(duì)象非常熟悉。 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池一般有多個(gè)單體電池串聯(lián)組成一個(gè)電池模塊，加上微控制器為核心的電池管理系統(tǒng)組成一個(gè)車用電池組。 BMS 的主要工作原理可簡(jiǎn)單歸納為：首先數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，再由電子控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，向外界傳遞信息。 整車的能量管理是指動(dòng)力系統(tǒng)中為滿足駕駛員期望工況而進(jìn)行的功率和能量的平衡，要完成這個(gè)任務(wù)電池管理系統(tǒng)要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)，硬件、軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。 （ 8）保證充電功能 電池能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池 的工作狀態(tài)，特別是對(duì)煤質(zhì)電池的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在充電前通知充電機(jī)即車與機(jī)的對(duì)話，告訴充電機(jī)電池組的工作狀態(tài)和每只電池的技術(shù)狀態(tài)，“落后”電池和“先進(jìn)”電池的性能差異。熱量管理的目的是使電池單體溫度平衡并保持在一定的范圍內(nèi)，使高溫電池降溫，使低溫電池溫度升高。在行車過(guò)程中系統(tǒng)可以隨時(shí)計(jì)算車輛能耗給出ＳＯＣ值，供能源管理系統(tǒng)進(jìn)行功率配置和確定控制策略，使駕駛員知 道車輛的續(xù)駛里程，及時(shí)作出決定到充電地點(diǎn)充電防止半路拋錨，ＳＯＨ告訴駕駛員電池的壽命。電動(dòng)汽車的充電、運(yùn)行等功能與電池相關(guān)參數(shù)協(xié)調(diào)工作是通過(guò)對(duì)電池箱內(nèi)電池模 塊的監(jiān)控工作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它的功能有計(jì)算并發(fā)出指令，執(zhí)行指令，提出警告。 （ 3）北京交通大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng) 主 控 制 器顯 示按 鍵歷 史 記 錄日 歷 時(shí) 鐘遠(yuǎn) 程 監(jiān) 控輸 出 接 口電 流 檢 測(cè)檢 測(cè)模 塊檢 測(cè)模 塊檢 測(cè)模 塊檢 測(cè)模 塊電 池模 塊 1電 池模 塊 2電 池模 塊 3電 池模 塊 n電 流 環(huán) 通 訊 網(wǎng) 絡(luò) 這個(gè) 電池和管理系統(tǒng)是在國(guó)家“ 863”計(jì)劃支持下 由北京交通大學(xué) 完成的用于動(dòng)力鎳氫蓄電池監(jiān)測(cè)及管理的 系統(tǒng) 裝置， 在 2021 年 12 月科技部 驗(yàn)收了這個(gè)電池管理系統(tǒng)項(xiàng)目 。 電 流電 池 模 塊 3電 池 模 塊 2電 池 模 塊 1電 池 模 塊 4 電 池 模 塊 5電 池 管 理 系 統(tǒng) 控 制 模 塊U 1U 2U 3 U 4U 5上 位 機(jī) 診 斷 模 塊充 電 機(jī) 顯 示 模 塊 速 度 調(diào) 節(jié) 模 塊溫 度 調(diào) 節(jié) 模 塊 該電池管理系統(tǒng)是目前國(guó) 際上功能比較全、技術(shù)含量比較高的電動(dòng)