电动汽车动力锂电池组电源管理系统设计

张辉，李艳东，李建军，赵丽娜

(1.齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006；2.齐齐哈尔大学理学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

电动汽车动力锂电池组电源管理系统设计

张辉1，李艳东1，李建军2，赵丽娜1

(1.齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006；2.齐齐哈尔大学理学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

电动汽车的快速发展，对于动力锂电池进行管理是必不可少的。在电池进行充电时，对电池状态的监控及均衡充电可很好地保护电池的寿命和安全。在需要对大量电池进行管理时，可以通过CAN通信将需要监控的电池进行统一管理。为了更好的管理电池，采用了液晶显示器和上位机对电池进行监控。当电池充电发生故障或者电池充满时，通过电压组的均衡来保护电池组，并发出相应的提示信号。在控制设计方面，主控制处理器采用的是DSP处理器，芯片采用的是C语言编程，通信方式运用了SCI、SPI、CAN等传输形式。上位机是在LabVIEW开发平台上进行设计。

DSP；电池管理；上位机；CAN总线

为了缓解全国环境污染问题，纯电动汽车得到了快速的发展。而纯电动汽车发展的瓶颈之一却又在动力蓄电池方面，这给纯电动汽车在续航、动力和安全方面带来了很多麻烦，在蓄电池技术没有很大改进的前提下，对纯电动汽车提升性能方面目前最有效的方法是对电池的管理，使其在电池寿命、安全、续航等方面得到很大的改善，所以说一个好的电池管理方案对纯电动汽车是至关重要的[1]。

人们很早就对电池的管理开始进行了研究，并且取得了很大的成就。早在1997年日本青森工业研究中心就开始对BMS的实际应用进行研究，美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测，丰田、本田及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发重点[2-3]。

在国家“863”计划中，分别有北京理工大学、湖南神舟公司、苏州星恒电源有限公司也对相关课题进行研究。湖南大学研发的电动汽车采用集中式BMS结构，该BMS系统最大优点是采用电压合理开关矩阵提高数据采集可靠性和系统安全性[3-4]。

1 电池管理系统结构设计

系统总体结构如图1所示。

图1 系统结构框图

图1 系统结构框图

本系统主要功能是用于对纯电动汽车的锂离子电池组充电进行管理，在电池进行充电时，必须对电池的电压和温度实时监控，从而保护电池[5]。在电池组管理方案中，该设计选用了凌力尔特提供的电池组管理器LTC6804-1。电池监控采用两片凌力而特的电池管理芯片LTC6804-1进行菊链式通信，并与处理器通过SPI进行通信。当需要对多个电池组的数据监控时，可以通过不同电池组的CAN地址的不同来监控和管理任意电池，将所有的电池信息传送到处理器进行处理，再将数据传输到7寸触控屏显示，然后通过WiFi将数据传送到PC电脑终端。并且可以通过触控屏和上位机独立的修改报警温度和电压上下限及CAN、WiFi的开与关，当电池发生故障时，对电池进行均衡处理，并通过触控屏和电脑终端发生报警信号，以使电池得到保护。

2 系统硬件设计

2.1 电池监控单元

LTC6804-1是凌力尔特针对电池管理的第三代产品，在比较前两代产品上面，在功能上面和准确度方面都进行了很大的升级，在芯片内部采用了两个16位ADC测量，可以测量多达12节单体电池，因其采用具频率可编程三阶噪声滤波器的16位增益累加型ADC，其内部基准电压的绝对值被调高或者调低以补偿ADC中的增益误差，如果采用7 kHz进行测量时，测量误差最低可以减少到0.1mV。

ADC测量共有6种模式(27 kHz、14 kHz、3 kHz、2 kHz、26 Hz)针对不同的要求可以选择不同的测量模式，本次测量采用的是标准的7 kHz进行测量。在进行数据传输方面，提供了两种传输协议(I2C和SPI)，因为SPI在进行通信的过程中有四种时钟模式，本次采用的是SPI的第四种时钟模式。在进行大量电池采集时，每个LTC6804-1都提供了一个isoSPI接口，该接口可以实现高速、抗FR干扰的局域通信。多个LTC6804-1器件连接时采用菊链式连接以减少了数据在传输过程中受外界干扰而引起的误差。

2.2 电池组管理功能设计

2.2.1 单体电池采集电路

每节电池的电压准确采集是很重要的，采集电路如图2示。

为了尽量减少测量误差，在设计采用的是差分电容器滤波电路，基本的ADC准确度与R和C的选择有关，在采集电路上面采用了通过RC来对输入的信号进行最优采集，具体RC选择对输入误差的影响如图3所示，根据图3可知，当R选择100W和C选择10 nF时可以实现误差的最小化，所以如图3在电路设计上面选择了R164为100W和C101为10 nF/25 V对电路输入进行滤波。在图2中，CELL2_9和CELL2_8分别接到每节单体电池的正负极，通过R164和C101构成的RC电路输入到LTC6804-1的CS2_18引脚对电池电压进行采集。

图2 单体电池采集电路

图3 测量误差RC关系曲线

2.2.2 电池均衡电路

在电池进行充电过程中，当电池电压大于该电池的标准最大电压，为了保证电池的安全和可靠性，当电池电压超过了设置的最大安全电压，必须对电池进行均衡放电，使电池通过均衡回到一个安全范围。LTC6804-1自带了两种均衡方案，均衡方案分为内部均衡和外部均衡，由于考虑到电池电流大以免对芯片产生大电流冲击等因素，均衡选用了外部均衡方案，均衡电路如图2所示，在CS2_18和CS2_17之间并入一个英飞凌的BSS308PE的OPTIMOS管和一个功率电阻，当电池电压过高时，通过控制LTC6804-1的CS2_17引脚进行控制，通过控制MOS管的栅极使源极和漏极导通，通过电阻R169的33W功率电阻对电池进行放电使电池电压达到平衡，LED33为均衡指示灯，可以直观的观察是否发生了均衡。BSS308PE工作温度范围在－55～150℃，功率为0.5W，可以很好地满足均衡要求。

2.2.3 电池组温度采样设计

为了更好地监视电池的状态，在设计中添加了对电池组的温度测量，因为LTC6804-1有5路模拟通道I/O，对于温度采集选用的是热敏电阻采样，通过精密电阻与热敏电阻分压，因为芯片提供了VREF2输出标准电压3.0 V，热敏电阻的分压采用的是第二基准电压供电，在数据处理上面，通过ADC将电压转换为数字数据，通过LTC6804-1与处理器进行SPI通信时将转换的数据传输给控制器，控制器经过相应的运算后把温度信息通过CAN、串口发送给相应的终端[6]。

2.3 通信及通信隔离设计

LTC6804-1自带有isoSPI接口(端口B)和标准的SPI接口(端口A)。多个LTC6804_1之间通信通过isoSPI菊链式连接。isoSPI采用了双线的差分信号来进行数据传输。两片LTC6804-1通过一个变压器来回地发送和接收差分脉冲以实现通信，数据输出的逻辑电平分为三种电平:+VA、0V和-VA[7]。在通信的脉冲长度方面，isoSPI采用了四种不同的脉冲(长+1脉冲、长-1脉冲、短+1脉冲、短-1脉冲)。如上所述，isoSPI采用四种脉冲方式进行通信，主控制器不必要生产isoSPI脉冲，主控制器与第一个LTC6804-1通过端口A进行标准的四线SPI通信，而第一个LTC6804-1的端口B通过其两线的isoSPI端口功能与下一个LTC6804-1的端口A连接，从而进行菊链式连接。

2.4 CAN网络通信

CAN总线是由两线组成的通信方式，最初设计是用于汽车上面的，在数据传输中具有效率高、数据不易出错、数据量大等优点，在汽车行业得到了很快的发展。CAN协议在通信层次中运用了两个层，分别是物理层和数据链路层，可以实现数据的处理，在数据传输可靠性上面，在校验方面采用的是CRC校验并且具有错误校验工，这样可实现数据的稳定准确[8－9]。在设计中，通过CAN总线将扩展电池组的数据一一采集到数据终端进行分析和处理，这样就可以很好地对所有的电池进行管理和监控。

本设计使用了Philips公司的TJA1040，可以很好的实现CAN通信的数据传输，TJA1040电路如图4所示，当外部CAN网络有CAN数据时，CANH和CANL上产生的差分信号符合CAN网络协议。

图4 CAN转换电路

2.5 触控屏基本介绍

本设计主要是用于电池充电进行管理，所有在显示部分选择了屏幕较大的7英寸1024*600图形点阵的65 k色串口屏。该屏工作电压范围6.0～42.0 V之间，具有大储存还支持SD卡等特点，在操作上面，可以设置为单纯的显示功能，也可以设置为具有触控功能的显示和手势感应功能，在性能上面完全能够完成系统要求。

触控屏与控制器之间通信选择了常用的115 200 bps。在对触控屏操作上面，有着严格的操作方式，包括数据帧头、数据长度、数据指令等数据。

在控制指令方面，触控屏具有很大的优势，其简化了开发的难度和开发的成本。

2.6 PC上位机监控介绍

为了更加方便和实时观测电池状态，本设计添加了PC上位机功能。常用的上位机可以通过VB、C、C++、labw indows/cvi、LabVIEW等软件开发。而VB、C、C++等是通过相应的程序代码编写，在编写和开发过程中难度较大，而且对于初学者上手周期长，但是LabVIEW的开发是通过图形化G语言编写的，表现出来的是程序的逻辑框图，LabVIEW是一种很常用的上位机软件，编程采用的是G语言，方便且简单[10]。

3 软件设计

3.1 主控系统程序设计

主控制器采用TI的TMS320F28055做为主控芯片，对电池电压和电池组温度进行测量监控，并且通过触控屏和上位机对其进行监控且对温度报警上限和均衡电压进行设置，上位机还具有对电压数据趋势曲线进行显示和存储的功能，方便对数据进行分析。主框架如图5所示。

3.2 电池数据采集程序设计

为了对电池更好地管理，对电池的数据采集是最为重要的一部分。

图5 系统主程序流程图

电池监控芯片通过自带的SPI功能与CPU之间进行数据传输。在数据传输速率上面，LTC6804-1支持的最大波特率为1MHz。当系统上电后，电池管理芯片处于开始的休眠状态，必须通过控制器给管理芯片发送芯片唤醒指令，通过指令唤醒管理芯片到工作状态，当芯片唤醒后，对管理芯片进行相应设置，包括ADC采用频率、均衡电压等配置信息。为了确保检验通信成功，采用了读取配置寄存器的方法来验证是否通信成功，通过相应的程序来读取单体电池的电压并进行数据处理和转换。

在对电池电压采集的基础上，配置完成寄存器和通信成功后，如图6所示，通过SPI发送相应的读取温度指令，读取温度电压值将其转换为实际温度。电路采用的是热敏电阻与一个10 k W精密电阻形成的串联电路来对温度进行采集，电源由管理芯片的第二基准电压提供。通过热敏电阻手册得出了电阻与温度的函数，具体处理如下所示。

图6 触控屏功能主界面

其中：V2为读取辅助寄存器中热敏电阻的分压值，R1为分压电阻的阻值，V0为读取第二基准电压的电压值，R2为热敏阻值，temperature1计算温度。通过上述算法，可以计算出电池组温度。

3.3 电池监控界面

控制器与触控屏之间是通过串口B进行数据通信。通过触控屏显示每一节单体电池的电压和电池组的温度，对电池进行监控，还可以通过触控屏对电池组的参数进行设置，包括温度上限、电压上限、电压下限、W iFi开关、CAN开关。显示如图6所示。

如图6所示，显示部分包括12节单体电池的电压、电池总电压、电池最高最低电压及其压差、电池组温度、WiFi连接状态、CAN连接状态、均衡状态。状态指示灯红色灯表示工作状态为关闭状态，绿色工作状态为正在工作中。根据不同的电池组有不同的设置参数，参数设置如图7所示。

图7 触控屏参数设置界面

参数设置部分分为两部分，如图7所示，通过右侧的设置显示部分可以显示数据是否已经被控制器接收，从而验证数据是否发送成功。在传输设置部分对数据的长度也进行了限制，如温度范围根据实际情况被设定在10～99℃之间的数值，而电压上限为1～5 V，电压下限为0～2 V之间，如果超出范围数据输入就无效，在数据设置方面，采用了两种设置方法，一种为+/-对数据进行设置，另一种为键盘设置参数。如果数据输入值不在限制范围内，则数据无法输入。

在设置界面如图7所示，关于控制按键介绍。

(1)如果取消设置的参数，通过“取消设置”可以取消输入的设置，设置为初始化的数据；

(2)WiFi和CAN开、关，用以设置W iFi和CAN的开关状态；

(3)参数数据设置完成，通过“确定设置”可以将设置的参数下发至控制器。

3.4 上位机程序设计

上位机是基于LabVIEW环境而设计，电池管理主控板通过WiFi与PC之间进行数据传输，数据传输协议采用Lab-VIEW的UDP网络协议进行数据交换，电脑可以通过360的W iFi共享功能建立W iFi热点。

W iFi模块在第一次上电RX(串口数据接收端)必须悬空或者低电平，所以在程序设计开始就对其拉低，通过延时25后，进行正常通信，在程序起初处理器同时对上位机的参数设置进行初始化。因为触控屏与上位机都同时起着数据监控的作用，所以两者是可以相互进行设置参数，设置数据是通过WiFi信号来进行。

图8 上位机电池监控主界面

上位机在基本显示部分和触控屏类似，如图8所示。在界面上，“本机IP地址”为电脑的网络IP地址，而“WIFI—IP”则为无线接入点WiFi模块的IP地址，数据传输通过相应的IP地址准确地传输到相应的部分，而“图形”、“设置”为数据观察和参数设置功能窗口。在功能上面通过点击“图形”功能按键进入图形功能区。

图形功能窗口用于观察曲线、柱状图形、数据表格三种形式来查取电池的电压和电池温度信息，数据还可以通过Excel表格将数据存储起来，这对电池的状态和寿命的研究提供了很大的方便。如图9所示，图形下方显示的为电池的电压走势曲线，电池组温度曲线采集的热敏电阻通过计算转换为的温度走势曲线，上方显示相应的柱状图。显示的电池电压走势、温度走势都可以通过数据表格显示和存储。

图9 上位机数据显示图形界面

前面板中的“参数设置”功能是为了实现同步上位机和触控屏之间的设置，通过上位机可以修改触控屏中参数，也可以通过触控屏修改上位机的参数。设置面板如图10所示。

参数面板用于显示设置的参数的具体数据，可以为系统初始化参数也可以为触控屏设置参数，也可以为上位机修改的参数。在设置参数面板，当设置的参数完成了修改，则相应的状态指示灯会亮2 s时间表示设置成功。图10中参数面板数据为系统初始化数据。

4 结论

系统功能主要通过TMS320F28055与LTC6804-1电池管理芯片进行数据的传输，将数据传输到上位机和下位机进行监控和管理，并对电池进行保护，本设计主要包括如下功能：(1)每块检测板最多可以坚持24节单体电池，电池测量最高电压可以达到5 V，测量的精度为0.1mV；(2)该系统可以通过CAN总线同时测量多组电池的电压和温度，通过不同的CAN地址可以准确地知道任意一块单体电池的状态；(3)通过WiFi将数据传输到电脑终端，对电池进行在线监控；(4)控制器通过RS-232与配载的7寸触控液晶屏通信，可以将电池的信息和数据显示到液晶屏，可以直观地了解所有电池的状态；(5)当电池在进行充电时，如果出现电池充电过电压或者电池欠电压，可以通过板上的外部均衡电路将电池恢复到正常状态。

[1]张永杰.纯电动汽车动力型锂电池管理系统的研究与设计[D].浙江：浙江工业大学，2012：23-33.

[2]朱峰.蓄电池管理系统批量生产用校准系统的研制[D].北京：北京交通大学，2009：79-79.

[3]张承宁，朱正，张玉璞，等.电动汽车动力电池组管理系统设计局[J].计算机工程与应用，2006，25：44-65.

[4]夏青松.电动汽车动力系统设计及仿真研究[D].武汉：武汉理工大学，2007：19-25.

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Powermanagementsystem design of lithium battery for electric vehicle

ZHANG Hui1，LIYan-dong1，LIJian-jun2，ZHAO Li-na1
(1.College ofComputerand Control Engineering，QiqiharUniversity，QiqiharHeilongjiang 161006，China;2.College ofScience，Qiqihar University，QiqiharHeilongjiang 161006，China)

For the rapid developmentofelectric vehicles，powermanagement for lithium battery is essential.When the battery is charging，the battery status monitoring and equalization charging can well protect battery life and safety. When needing to manage a large number of cells，the battery for unified management was monitored by communicating via CAN.In order to bettermanage the battery，the battery wasmonitored w ith a liquid crystaldisplay and PC.When the battery was faulty or the battery was fully charged，the battery pack was protected by the voltage equalizer，and the appropriate cues were issued.In the controldesign，a DSP processorwas used as themaster control processor;a C language programm ing was used as the chip;the SCI，SPI,CAN and other forms of transm ission were used as the communication system.PC was designed at the LabVIEW developmentplatform.

DSP;batterymanagement;positionmachine;CAN bus

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1407-05

2015-12-05

黑龙江省自然科学基金项目(F2015025)；黑龙江省教育厅科研项目(12531770)；齐齐哈尔大学青年教师科研启动项目(2012k-M 16)

张辉(1982—)，男，黑龙江省人，讲师，硕士，主要研究方向为电机与电气控制，检测技术与机器人技术。