锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究概要.docx

1、锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究概要2009年(第31卷第5期汽车工程Aut omotive Engineering2009(Vol .31No .52009092锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究33国家863计划电动汽车重大专项项目(2006AA11A122资助。原稿收到日期为2008年10月13日,修改稿收到日期为2009年3月3日。何仕品,朱建新(上海交通大学汽车电子技术研究所,上海200240摘要针对混合动力汽车单体电池性能的不一致性造成的不利影响,设计了电池管理系统及其均衡模块。该系统采用单片机,对电池组参数进行实时精确采集并分析处理,再通过控制电路实现电池组的均

2、衡充放电。试验结果表明,该系统不仅可使电池进行均衡充放电,而且能对电池的不一致性进行有效补偿,使各个电池都发挥出最优性能。关键词:混合动力汽车;动力电池;电池管理系统;均衡模块Design and Study of Battery Management System andIts Equalizati on Module for L i 2i on BatteriesHe Sh i p i n &Zhu J i a nx i nInstitute of Auto m otive Electronic Technology,Shanghai J iaotong U niversity,Shang

3、hai 200240AbstractI n vie w of the adverse effects caused by the perf or mance inconsistency bet w een individual battery cells in hybrid electric vehicles,a battery manage ment syste m with its equalizati on module are designed .The sys 2te m ,based on a single 2chi p m icr ocomputer,real 2ti m e a

4、nd accurately acquires,analyzes and p r ocesses the para me 2ters of battery pack,and then the equalized charging and discharging of battery pack are realized thr ough contr ol cir 2cuit .The test results show that the syste m not only can assure the equalized charging and discharging of battery pac

5、k,but can als o effectively compensate the perf or mance inconsistency of battery pack,making all battery cells bring their perf or mance int o full p lay .Keywords:hybr i d electr i c veh i cle;power ba ttery;ba ttery manage m en t syste m;equa li za ti on m odule前言动力电池组是混合动力汽车的辅助能量源和关键部件,其状态好坏和寿命长

6、短很大程度上决定了整车性能的优劣,因此对整个电池组实施有效的管理和监测显得至关重要。混合动力汽车的动力电池一般由多节单体电池串联而成。但是由于制造误差的存在,电池之间必然存在内阻、端电压、容量等参数的差异,而使用过程中电池之间的通风散热差异及电池的过充电、过放电更加剧了电池之间的不一致性1。因此,研究一种有效的均衡充放电方法,以弥补电池在使用过程中性能的不一致性,最大限度地发挥动力电池的效用,对于混合动力汽车的推广应用具有极其重要的意义。1系统设计磷酸铁锂(L iFeP O 4电池因具有高比能量、高比功率、高安全性、长寿命、高性价比以及很宽的工作温度范围等优点,已成为混合动力汽车的新型动力电源

7、。笔者研究的混合动力电池包由90个12A h 的单体L iFeP O 4电池组成,共分为6个电池组,每组由15个单体电池组成。研发的电池管理系统2009(Vol .31No .5何仕品,等:锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究445(BMS 的主要功用是:(1精确地监测电池组的各种运行参数,如单体模块电压、电池组总电压、电池温度和电流等;(2通过测出的电池参数预计电池组的S OC 值、最大允许充放电电流、放电深度等;(3根据电池当时的状态决定采用适当的充放电均衡策略,确保电池的性能发挥到最大程度。文中重点研究动力电池组的均衡充电、放电,控制并且均衡电池组中的各个单体电池,以弥补电池在使用

8、过程中出现的性能不一致性,使各个电池都发挥出最优性能,最大限度延长整个电池组的寿命。111系统的硬件设计硬件系统的框图结构如图1所示。电池检测均衡模块实现对电池的电压和温度的测量,实时地向单片机传送采集的数据,并对电池的充放电进行实时控制,对均衡模块电路进行过程控制。BMS 的主控CP U 单元负责总的电压和电流的A /D 转换、电池数据的分析、S OC 值的估算及均衡充放电控制策略的实现。数据存储单元用来存储所有的信息。通信单元采用多通道的CAN 总线通信,分别负责与整车通信、与采样模块以及上位机监视系统通信。 图1电池管理系统的硬件结构图11111主控CP U主控CP U 选用高性能的Fr

9、eescale HCS12系列16位单片机MC9S12DP512。该单片机采用了高速互补金属氧化物半导体HC MOS 和利于C 语言优化的复杂指令集计算技术,数据处理能力达16位,系统频率可达50MHz,具有较高的执行速度、较低的功耗、较好的稳定性和很强的数据处理功能。片上包括16位中央处理单元、512kB 的Flash 、14k B 的RAM 、4kB 的EEPROM 、2个SC I 模块、3个SP I 模块、1个8通道增强型捕获定时器、2个8通道10位A /D 模块、1个8通道P WM 模块、1个数字型字节链路控制器、29个位离散数字I/O 通道、20个具有中断与唤醒能力的离散数字I/O

10、口队列、5个CAN210模块、1个I 2C 总线模块,片上集成的PP L电路可以将功耗和性能调整到实际运行的要求范围内2。11112电池均衡模块电路电池均衡模块电路是控制单体电池均衡充放电的核心电路,它主要由单片机、光耦继电器AQW 212EH 和电阻网络及外部5V 电源构成。单片机负责控制继电器的开关状态时序。继电器控制电池的充放电,当单体电池的电压值不在某区间时,单片机将控制开关网络对该电池进行充放电。如图2所示,接入4个电子开关(K1、K2、K3、K4,以实现电压的正负交替转换。当采集到电池B2电压高于某上限值时,开关K 闭合,同时开关网络中S2和S3闭合,电池与放电电阻R 形成闭合回路

11、,进行放电,其端电压将下降;同理,当电池B2的电压低于某下限值时,开关S2和S3闭合,同时开关K1和K3闭合形成回路,使外部电源给电池B2额外单独充电。由于每个单体电池均由继电器开关网络控制,因而更加灵活可靠。图2电池均衡模块电路原理图11113电压测量精确的单体电压测量是整个电池管理系统的核心,为均衡功能的顺利实现提供了基础,同时为电池管理系统中S OC 值的精确计算提供了保证3。由于一组电池组中有15个单体电池,所以采用了高精度电压浮地网络测量技术,结合高速光耦继电器AQW 212EH 阵列,以扫描的方式实现硬件分时复用,节省了硬件成本。测得的电压值送入高速16位A /D 转换芯片,转换结

12、果由CAN 送出。11114温度测量由于在充放电过程中,可逆与不可逆的现象会446汽车工程2009年(第31卷第5期使电池温度升高,过高温度会引起电池性能恶化,并减短电池寿命,从而电池容量急剧变小4。为此,需将电池温度控制在合适范围内。由于本课题已对电池通风方面进行了设计,保证了电池箱体内温度分布的均匀性,因此没有必要对每个单体电池的温度或每个电池模块的温度都进行测量。为了反映电池组温度分布情况,使用了12个温度传感器,分布在电池箱的各个部位。由于温度变化较慢,所以选择热敏电阻传感器,既满足了要求又降低了成本。将热敏电阻组成一个电桥,测量的信号送入单片机自带的10位高精度A /D 转换器。11

13、115CAN 通信CAN 总线在汽车电控装置中应用十分广泛5。BMS 具备多路CAN 通信功能,一路CAN 总线接入 整车CAN 网络后,可满足电动汽车动力总成各控制器之间的大量数据的实时交换与共享。本系统测量所得的单体电压值、温度值都是通过另一路CAN 总线和电池管理系统进行通信。由于该系统采用MC9S12DP512单片机,其自带5个CAN210A /B 模块。T ouCAN 模块是一个实现CAN 通信协议的通信控制器,即CAN 控制器。其最高传输速度可高达1Mb /s,并且同时支持CAN 协议中的标准(11位和扩展(29位I D 报文格式。具有16个用于发送和接收功能的消息缓冲器。此外,它

14、还具有报文过滤器,用于比较接收到的报文I D 码与预先设定的接收缓冲区I D 码,从而确定该接收到的报文是否有效2。通过单片机结合高速隔离光耦6N137和CAN 收发器Phili p PCA82C250,设计了目前比较成熟的CAN 通信接口电路。总线接口电路如图3所示。 图3C AN 总线接口电路图112系统的软件设计该系统软件均采用模块化程序设计,根据系统具有的功能分为若干子程序。电池系统软件实现了温度、电压数据采集,电池管理系统的控制和数据CAN 通信功能。单片机程序建立在Freescale Code W arri or 平台上,主要采用C 语言编写,直接实现对系统硬件的控制。同时,也采用

15、了汇编语言编程,以满足实时性的要求。当程序编译好后,再将自动生成的机器语言下载到单片机的Flash 中。这些程序主要负责对单片机各个功能模块的初始化、各种中断处理、时钟处理、数据采集的A /D 转换、数据输送通信和所有的控制策略和控制算法等。软件程序流程如图4所示。当判断单体电压与平均值之差大于设定值时,启动均衡电路,对应的光耦继电器接通,对该单体电池单独进行充放电。图4系统软件流程图界面显示程序采用美国N I 公司的图形化编程软件Lab V I E W 编写。通过US BCAN 接口卡将CAN 信号转换成US B 信号与PC 机进行通信,采集到的数据实时显示在界面上。该程序包括CAN 信号接

16、口与US B 的转换模块、驱动及接收模块、信号转换模块、数据显示模块及数据存储模块等。2009(Vol .31No .5何仕品,等:锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究4472结果与分析试验用的电池包有12A h 的单体L iFeP O 4电池90个,共有6个电池组,每组由15个单体电池组成,电池组分装在2个电池箱内,如图5所示。 图5试验电池包具体检验该系统均衡性的试验步骤如下:(1在充电前,先将某单体电池补充电500mA h,目的是使该电池电量大于其他电池,使电池组不平衡;(2在正常车载模式下将电池包总充总放电3次,以10C 的恒流充放电,目的是使均衡系统自学习,并检测出电量高于其他

17、电池的某电池及其电量;(3启动均衡控制,反复均衡充放电几次;(4再对电池包在正常车载模式下总充总放,某电池的电量渐渐回落,与其他电池趋于一致。同理,对某一电池先故意放电500mA h,进行相同的充放电均衡试验。试验结果表明,该系统可以有效地防止单体电池过充电和过放电,保持各个单体电池之间的电压误差在20mV 之内,容量误差在4%以内。3结束语充放电均衡模块是电池管理系统中的一个重要部分6,它不仅防止了单体电池过充和过放,而且控制了电池的充电和放电电流,从而最大限度地延长电池的使用寿命,还保证了动力电池充放电过程的安全高效性。该系统中的电池均衡模块结构简单,成本低。它不仅精确地测量了单体电池的电

18、压、温度等参数,而且还能实时地进行均衡过程控制,有效地使各单体电池的能量趋于一致。但是,该均衡模块对单体电池的能量转移速度和效率还有待提高,均衡的功能还有进一步优化的空间。参考文献1吴友宇,尹叶丹1基于CAN 总线的分布式动力电池管理系统J .汽车工程,2004,26(5:5302533.2MC9S12XDP512Data SheetS.Freescale,2005.3刘有兵,齐铂金,宫学庚.电动汽车动力电池均衡充电的研究J .电源技术,2004,28(10:6492651.4Ahmad A Pesaran,Andreas V lahinos,Steven D Bursh .Ther malP

19、erf or mance of EV and HEV Battery Modules and PacksC .Pr o 2ceedings of EVS 214,1997.5邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计M .北京:北京航空航天大学出版社,1996.6Lee Yuang 2Shung,Cheng M ing 2W ang .I ntelligent Contr ol BatteryEqualizati on for Series Connected L ithium 2I on Battery Strings J .I EEE Transacti on I ndustrial Elec

20、tr onics,2005,52(5:129721307.(上接第443页2B r own D,A llemang R,Zi m mer man R 1Para meter Esti m ati onTechniques forModal AnalysisC 1S AE Paper 79022113Le mbmgts F 1Frequency Domain I dentificati on Techniques for Ex 2peri m ental Multi p le I nput Modal Analysis D 1Dep t 1of Mech 1Eng 1,K ULeuven,Bel

21、 -gium,Dece mber,1988:260-26814Peeters B ,Van Der Auweraer Her man,Guillaume P,et al 1ThePoly max Frequency Domain Method:A Ne w Standard f or Modal Para meter Esti m ati on J 1Shock and V ibrati on,2004,(11:395-40915Guillaume P,Verboven P,Vaulanduit S,et al 1A Poly -referenceI m p lementati on of t

22、he Least -squares Comp lex Frequency -do 2main Esti m at or C 1I n Pr oceeding of I M AC 21,Kissi m mee (F L ,US A,Feb,200316LMS I nternati onal 1LMS Test 1Lab Structural Testing Rev 7AEB /OL 1Leuven,Belgium,www 1l m sintl 1com,200717Test 1Lab 软件操作培训手册(1G1LMS 国际公司北京代表处,200618管迪华,彭会,范成建1轮胎模态试验分析的研究J

23、1汽车工程,2005,27(619沃德海伦,斯蒂芬拉门兹,波尔萨斯1模态分析理论与试验M 1北京:北京理工大学出版社,2001:24-32,66-72,88-94110管迪华1模态分析技术M 1北京:清华大学出版社,1996:52-69111傅志方,华宏星1模态分析理论与应用M 1上海:上海交通大学出版社,2000:15-28112Verboven P 1Frequency -Domain System I dentificati on f or ModalAnalysisD 1B russels,Belgium:V rije Universiteit,2002:99-151113周长路,等1微型客车白车身模态分析J 1汽车工程,2004,26(11