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电动汽车电池包管理控制系统研究

电动汽车电池包管理控制系统研究摘要: 【摘要】本文主要对电动汽车的电池包管理控制系统进行研究,在分析电池包管理控制需求的基础上完成控制器的硬件系统及功能模块的设计,通过将AD7280A菊花链型链接应用到分控制器模块的外围电路中实现隔离器数量的减…

【摘要】本文主要对电动汽车的电池包管理控制系统进行研究,在分析电池包管理控制需求的基础上完成控制器的硬件系统及功能模块的设计,通过将AD7280A菊花链型链接应用到分控制器模块的外围电路中实现隔离器数量的减少,进而使控制电路得以简化,在降低运行成本的同时显著提升电池组的稳定性及安全性,最终实现对电池包的有效管理和控制过程。

【关键词】电动汽车;锂电池组管理系统;控制器;菊花链型连接

新能源汽车得到了迅速的发展,尤其是在节能环保的大背景下,以电动汽车为代表的新能源汽车已成为国内外汽车企业研究的重点,电动汽车具备无污染和低耗能等优势,以动力电池作为主要能源,电动汽车整车性能受到动力电池的直接影响,电池及电池管理系统(BMS)成为发展电动汽车的关键影响因素,电池安全合理的使用基于成熟的电池管理技术。本文主要完成电动汽车电池包管理控制系统的设计,以期为提升电动汽车性能提供参考。

1需求分析

随着汽车行业的快速发展以及环境与能源危机等问题的凸显,新能源汽车应运而生,以电源作为动力源的电动汽车能够兼顾使用需求及节能环保需求。电动汽车具备较高的能量利用率、无废气排放等优势,完善电动汽车相关技术已经成为解决上述问题的有效手段。电动汽车的发展和完善需基于先进的技术,大功率充放的锂离子电池具备污染小、无记忆效应等优点,锂离子电池可有效满足电动汽车对能量使用、安全稳定性、循环寿命等方面的需求,研究动力电池管理系统(BMS)在发展电动汽车产业中意义重大。电池组的安全性取决于电池管理系统,电动汽车运行或充电过程通过电池管理系统实现实时监控功能,系统发现故障后会立即向CAN总线反馈,由集成控制器采取相应措施从而确保电池组及整车的安全[1]。

2电池包管理控制系统设计

2.1电池包管理控制系统架构设计

本文采用分布式结构完成了电池包管理控制系统架构的设计,结构框图具体如图1所示,主要由主控制器和分控制器两部分构成,主、从控制器结构分别如图2、图3所示,主控制器主要负责对来自分控制器的数据(包括电池组电压、温度、充放电电流等方面的数据)进行采集和处理,在此基础上完成故障监测及报警等功能,并向整车控制器传输相关数据(通过CAN网络完成),整车控制器进一步处理接收到的数据后向主控制器反馈相关控制信息,从而实现对BMS的相对控制。该系统使用了3个分控制器,负责对电池组电压进行监管,并负责主控制器的部分运算,分控制器的主要功能为信息采集,能够对144个电池组(由单体锂电池串联组成)进行有效管理。各分控制器均包含8个AD7280A,科均衡48个单体锂离子电池,负责对48个单体锂离子电池的温度点进行监测[2]。

2.2CAN通信网络的设计方案

电动汽车电池包管理控制系统的硬件功能设计主要基于3个CAN模块(MC9S12XEQ512自带)。第一个模块为CAN通信模块(即主、分控制器间的通信),属于内部局域网络,分控制器在接收到由主控制器传送的执行命令后再向主控制器反馈相关数据信息(包括基本数据、计算结果、故障信息等)。第二个模块为CAN网络,负责电池包管理控制系统同整车控制器间的连接,实现相关信息和命令在车载控制器间同电池管理系统间的相互传递。第三个模块为内部局域CAN网络,主要负责完成主控制器通上位机、显示设备间的通信过程,此外还负责记录电池基本信息(包括剩余容量估测值、故障诊断等)。这3个功能不同的模块采用相同的接口电路,均以PCA82C251(飞利浦公司)作为接口电路收发器[3]。

3控制器的设计与实现

3.1主控制器设计

(1)电流采集电路。电动汽车需使用到较多的单体电池,将这些工作电流相同的单体电池全部串联构成动力锂离子电池组后,仅需对串联后的总电流进行测量即可完成电流监测过程,在对电流进行采集时主控制器所采用的电流监测功能基于分流器实现,将一个康铜电阻(阻值较小)串联到监测电路中实现分流器功能,电流值以其两端的压降值为依据计算获取。考虑到该方法所获取的较小的康铜电阻的压降值无法完成A/D转换,需通过添加一个信号放大电路实现对信号的放大处理(数值不能超过5V)。为保护单片机还需将一个5V的稳压二极管接入到电路中,从而使电路故障得以有效避免。(2)显示器电路。选用NH12864S实现设备显示模块功能,通过通信接口电路(能够对电池组的系统数据、故障信息进行实时监测)的设计实现对电池组的调试检修功能,主控制器采用便携式的外接设备使检修及维护工作效率得到显著提高,接口电路对接便携式显示设备,在此基础上即可完成电池包检修工作。此外,报警系统在电池包管理控制系统数据异常时能够及时发出以声、光提示为主的报警信息,提示驾驶员采取措施。(3)串行通信接口电路。为防止通信设备出现意外,在车载通信系统采用CAN通信网络的基础上,增加了一个串行通信接口电路,其收发器选用了MAX487(具备功耗低、通信稳定的优势,工作电流120μA),以备紧急情况下使用,确保行车安全。(4)开关量控制电路。主要负责控制继电器的开关,开关控制过程采用MOS管(管型号为IRLR120)实现,并通过加入二极管对线圈续流,进一步确保了锂电池组的安全和稳定。MOS的源、极间的电压差可达100V,可有效满足对继电器开关量控制需求。(5)绝缘电阻检测电路。定期检测高压电路与底盘的绝缘性以确保整车安全,该电路以PIC12F675作为主芯片,主要对电池组对底盘的绝缘电阻值进行检测。

3.2分控制器设计

(1)AD7280A外围电路。考虑到构成电池组的各单体可能具有不同特点,因此通过均衡控制管理方法的使用实现电池容量及使用寿命的有效提升,对电池单体的均衡过程采用AD7280A(亚德诺公司)实现,并通过菊花链型单片完成各AD7280A间的链接,各单片可串联8片AD7280A,能够对6节串联的电池组进行监测。(2)菊花链型电路与CPU隔离电路。动力电池组的电压可达上百伏,而采用直流电的锂电池包管理控制系统的电压为12或24V,分控制器受到较大电压差极的影响极易被损坏,通过在隔离器中添加菊花链型测量电路可有效解决此问题。选用四通道高速隔离器(ADI公司)作为隔离器,具体通过ADuM5401配合使用ADuM1402实现CPU隔离电路功能。

3.3控制算法设计

充满电后的电池需及时停止充电。不及时停止充电易影响电池的使用寿命,造成不必要的电能浪费,因此电动汽车电池包管理控制系统需具备智能充电管理能力,在充满电后电池包管理控制系统及时做出停止充电的指令,确保完成对充电机的合理控制过程,在判断充电是否停止时具体采用电压电流曲线斜率法完成,即在电压曲线率达到具体值时确认为终止,智能充电具体控制流程为:系统先对电池组电压和Uol进行检测,并分别同充电电压级电流曲线上的点相对应,此时为t1时刻,智能充电系统对蓄电池按t1后的充电曲线进行充电,充电正常结束时刻为t2,记录整个充电时间(t1与t2的差值)。充电系统通过对蓄电池状态进行监测完成对充电蓄电池是的异常及极化现象的判断,实时保护充电电路,据此采取及时的修正措施。考虑到充电工程中的相关参数(包括电流、电压和温度)受到运行状态的影响而变动,增加了数学模型的复杂程度,在结合了多段恒流及脉冲充电方式的充电过程需对比采样和设定参数,并据此控制移相角输出,因此本文采用了不完全微分型PID控制方法,可有效满足对充电算法的控制需求。

4结束语

汽车已经成为日常出行必不可少的交通工具,汽车总保有量持续增长,受到不断减少的化石能源的影响,新能源汽车得到了迅速的发展,电动汽车以电池作为动力源,锂电池组的应用及管理技术成为影响电动汽车发展的直接因素。本文以电动汽车的锂电池包管理系统作为主要研究对象,完成了电池包管理控制系统的设计,详细介绍了主、分控制器电路的模块化设计过程,基于AD7280A菊花链型的分控制器使系统整体的电路模块得到进一步简化,通过锂电池包管理控制系统实现了对电池组的实时监测功能及对执行动作的有效控制功能,从而使电池组的安全性及使用寿命得到显著提高。

参考文献

[1]魏民祥,赵万忠,张凤娇,等.基于递推最小二乘法与模糊自适应扩展卡尔曼滤波相结合的车辆状态估计[J].中国机械工程,2017(6):750-755.

[2]谢立洁,杜森,徐梓荐,等.基于AURIX的电动汽车电池管理系统电源模块设计[J].汽车工程师,2018(6):25-29.

作者:郭辉 单位:陕西国防工业职业技术学院

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作者: 论文库

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