基于主动均衡的纯电动汽车电池管理系统的研究

杜振新，高飞飞（.长安大学汽车学院，陕西 西安 7006；.南昌大学机电工程学院，江西 南昌 33003）



基于主动均衡的纯电动汽车电池管理系统的研究

杜振新1，高飞飞2
（1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710061；2.南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031）

摘要：采用主从式结构设计了一种基于主动均衡的纯电动汽车锂电池管理系统，实时检测动力电池的各种运行参数:总电压、总电流、电池SOC、单体电压、电池包温度。硬件方面设计了可调恒流源和高效的主动均衡拓扑电路，提高了均衡电流和均衡效率。

关键词：电池管理系统；主动均衡；均衡拓扑电路

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-134-03

互联网的发展为企业发展带来了有利的一面，但同时网络安全也引起了人们的关注。企业通过网络作为媒介进行财务管理，就存在了相当大的安全风险。如果财务管理的机制有漏洞，可能会导致企业受到严重的经济损失。因此要健全风险管理机制，及时的规避因互联网网络安全问题造成的损失。

1、研究背景

能源枯竭，环境污染，已经成为当前社会急需解决的问题，世界各企业和汽车生产大国都在开发电动汽车[1]。这就需要电池管理系统。目前电池管理系统具有以下基本功能：（1）数据采集：采集电池总电流、监测点温度以及单体电压等；（2）剩余电量（SOC）估计：估计方法有安时计量法、开路电压法、卡尔曼滤波法、模糊预测法等；（3）充电控制：单体之间的不一致性会导致充电的不均衡，影响电池的寿命和安全，所以提高单体一致性尤为重要[2-4]；（4）安全管理：包含热管理和故障诊断；（5）数据通信：实现模块间和整车之间的数据通信。目前均衡管理存在的显著问题有均衡拓扑电路效率低，均衡电流小。

2、系统硬件设计

本文设计了全新的电池管理系统，由主控板和均衡采集板构成。每块均衡采集板主要负责采集12节电池的单体电压、2个电池包温度监测点温度、对电池包的电池进行均衡管理和向主控板做数据通信。主控板主要负责采集母线总电流、计算电池总电压、计算SOC、控制充放电继电器、与整车ECU通信和BMS故障处理等。

单体电池的电压是均衡系统实现主动均衡的重要依据，单体电压值和温度信息经过均衡采集板的CAN1总线发送给BMS。BMS根据收到的信息来评估电池的工作状态，将异常情况及时反馈给用户，并且断电来保护电池包。LTC6803通过电阻和电容的RC滤波连接到电池增加采集精度，最后通过Cx引脚连接到LTC6803的采集引脚。

2.1.3恒流源模块

2.1.1LTC6803电压和温度采集模块

本均衡系统的均衡电路拓扑结构以MOS 管为开关器件，大电流二极管为单向电流控制器件的可控大电流主动充电回路的设计与实现。原理图如下图1所示。如果在整个电池组中BAT16 电压最低需要进行补充充电，则控制电平将下端P型MOS管Q40和上端N型MOS管导通充电电流依次通过Q40，D40，BAT16，D28，Q28形成为电池BAT16进行充电的回路，给电池BAT16 进行补充充电。为了防止MOS管被击穿时电池短路或恒流源短路，我们在各分支加入了大电流二极管。这个设计能够实现即使控制电路失效也不会因附加该电路引起电池组短路危险。

2.1均衡采集板硬件总体设计

从马克思历史哲学视野分析和把握马克思以“世界历史”理论形式阐发的全球化思想，其内在逻辑理路主要体现为三个有机统一的层面:

主控板采用ST公司的STM32F207VET6处理器；采用低功耗实时时钟芯片DS1302保证时间的精确度；采用标准SDIO接口协议进行快速实时存储。总电流采样选用闭环型霍尔电流传感器，采集正负电流信号，再转换成0-3V的电压信号。霍尔传感器可以产生-15V~+15V的感生电动势，经过LM358的一级运放电路缩小10倍，再经过第二级的加法器将-1.5V~+1.5V变为0-3V。

2006年，中国美院副院长主持的杭州市城市色彩规划研究也公布了结果。此研究把灰色定为杭州城市的主要色调，同时总结出了城市色彩的总谱。选择灰色主要是想将杭州打造成水墨江南。重庆大学城市建筑与规划学院通过几年的研究，也完成了重庆城市色彩的规划，重庆主城区城市色彩以淡雅明快的暖灰色为主要色调，辅助以局部的冷灰色调。

图2　恒流源电路

均衡采集板要能够以高精度采集单体电池电压和电池包监测点温度，为了实现高效的均衡管理，应具有可控高效地均衡拓扑电路和较大的均衡电流。均衡采集板从功能上讲，它主要分为以下模块：MCU控制电路、电源模块、CAN通信模块、LTC6803电压和温度采集模块、主动均衡拓扑电路模块和恒流源模块。接下来我们详细介绍均衡采集板的主要功能模块。

恒流源原理图如图2所示，工作原理：检测电阻R151的分压经运放LM358的一级运放放大24倍，然后经过LM358第二级运放的比较电路，和可调电阻J1端子2的分压IN2-作比较，最后将比较结果的电平经过反馈引脚FB传递给XL4016。XL4016根据FB的电压信号来进行开关。若电压信号低于0.8V，则XL4016芯片开启；若电压信号高于3.3V，则XL4016芯片关闭。最终通过XL4016的不断开关和电感配合形成恒流源。通过调节J1端子2的分压改变比较电路的输入电压阈值从而可以调节恒流源的电流大小（0-6A可调）；通过调节可调电阻J2电阻大小便可以调节恒流源的输出电压值。

2.2主控板硬件设计

主控板硬件电路从功能上分为以下模块：CAN通信模块、充放电继电器控制电路、TF卡存储电路、实时时钟电路、母线电流采集电路。

约1 400 ℃熔融态粗镍铁合金由侧吹炉另一端两个放出口中的一个定期放出铸锭外卖，金属放出口采用泥炮开口机。

2.1.2主动均衡拓扑电路模块

3、系统软件设计

3.1均衡采集板软件设计

均衡采集板系统上电完成各模块的初始化，然后循环的进行电压温度采集、均衡处理和CAN1通信子程序。(1)采集子程序由均衡采集板主控MC9S08DZ60向LTC6803发送电压采集命令，LTC6803采集12块锂电池的单体电压和电池包温度，并发送给主控ECU。(2)均衡处理子程序找出8次采集中电压值最低的单体电池的位置，如果它比最高单体值小0.01V，主控ECU控制相应的充电回路导通，给欠压的锂电池均衡充电，反之则不做主动均衡。(3)CAN1通信子程序负责均衡采集板采集的电压、监测点温度并发送给主控板。

3.2主控板软件设计

由表8及图3可以看出，针对不同胎体材料或切削齿，存在最优的焊接材料，可以获得较高的焊接强度，对于列举的这几种胎体材料而言，其可焊性大致可排序如下：R6>R1>R10>PDC>W1。但焊接强度最高值与最低值有时会相差很大，如R6测得值，相差74%。对比其断面图的显微照片(图4)可以看出，较高焊接强度值的焊接断面呈现平整光亮的金黄色，而较低值焊接强度的断面含部分黑色气孔，这些气孔内部似乎存有焊剂残渣或杂质，由此可见，火焰焊接的焊接接触面必须进行打磨喷砂脱水等表面预处理，否则会严重影响焊接质量。

主控板系统上电完成各模块的初始化，然后循环地进行母线电流采集和计算SOC、CAN1通信、CAN2通信、数据存储和故障处理等子程序。(1)主控板结合母线电流和电池电压估算电池SOC；(2)CAN1通信子程序主要负责接受每块均衡采集板发送的电压、监测点温度等数据；(3)CAN2通信子程序主要负责与整车ECU发送数据，并且在汽车充电时发送指令给充电机；(4)数据存储子程序是将电池运行的历史数据进行记录；(5)故障处理子程序负责判断出电池的故障情况，包括电压过高、电压过低、过流、过温、电池不均衡、不匹配、CAN总线故障等方面。

根据任务要求，首先进行航线设计，设计完成后将航线信息以及拍照点坐标信息导入无人机导航和控制系统。其次在测区内架设一台GPS基准站，设置1s的数据更新间隔对GPS星座进行观测，航飞摄影时，无人机机载GPS接收机在摄像机拍照瞬间进行GPS定位。最后通过配套后处理软件进行解算，得到无人机拍照瞬间机载GPS的高精度坐标信息。

4、实验

实验中采用SP-LFP200AHA型200Ah磷酸铁锂电池，充放电高压箱，5KW/1Ω放电电阻，82.6V/30A/2KW充电机。测试采用12节锂电池串联的电池组，然后分别将放电电阻和充电机经充放电高压箱连接到电池组。主控板和均衡采集板均挂载到CAN1总线上，主控板连接到高压箱的充放电继电器和霍尔电流传感器，并对其进行充放电控制；均衡采集板经采集线束接口和均衡线束接口连接到电池组，最后把均衡电流调节至4A。

表1　均衡前后单体电压值

均衡实验经过9个小时的主动均衡，单体电压值前后数值如表1所示，从结果数据可以看到第1节最低电压值升高到了3.301V，第5节电压值升高到3.301V；最高单体电压与其它单体电压差值都小于0.01V，且均衡前电压均方差3.9417e-05，均衡后电压均方差下降到8.2431e-06，实验说明该主动均衡系统能够提高电池单体电压的一致性，有良好的均衡效果。

5、结论

本文设计的纯电动汽车电池管理系统,通过试验平台验证具有:实时检测电池各种运行参数、主动均衡效率高、均衡电流大、充电机实时控制、故障诊断，而且系统稳定可靠，可以提高电池的安全性、一致性和使用寿命。

参考文献

[1]张巍.纯电动汽车电池管理系统的研究[D].北京:北京交通大学,2008.

[2]王峣.电动车电池一致性配组技术[J].电器工业,2002,(06):010.

[3]刘富强. 电动汽车电池均衡充放电系统的研究与设计[D].北京:北京交通大学.2013.

[4]陈志.电动汽车电池均衡技术的研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.

Research on battery management system of blade electric vehicles based on active equilibrium

Du Zhenxin1, Gao Feifei2
( 1.School of Automotive, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710061; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Jiangxi Nanchang 330031 )

Abstract:An active equalization lithium battery management system (BMS) is based on a master-slave structure, it can monitor kinds of operating parameters of the power battery in real time such as total voltage, total current, the state of charge(SOC), single cell voltage, and temperatures of battery package. We design an adjustable constant current source and a new active equalization topology circuit to increase equalization current, improve equalization efficiency.

Keywords:battery management system; active equalization system; equalization topology circuit

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-134-03

作者简介：杜振新，就读于长安大学汽车学院。