一种高性能的轻型电动车蓄电池监控管理系统-论文.doc

一种高性能的轻型电动车蓄电池监控管理系统 摘要：本文介绍基于现场总线技术和蓄电池智能监测专用芯片DS2438实现的轻型电动车蓄电池管理系统。它具有低成本、高性能的优点。文中介绍了适用于电动自行车和电动摩托车的两种蓄电池管理系统设计方案和三个实验样车的概况，并提出将蓄电池管理和充电控制一体化的新方案，以及开发新型电动三轮车的设想。一、引言电动车是解决汽车大气污染的最有前途的举世瞩目的方案。近几年来我国轻型电动车（电动助力自行车、电动轻骑摩托车）的大规模产业化进展受到全世界的关注。电动车蓄电池管理系统（BMS）是一个集监测、控制与管理为一体的，复杂的电气测控系统。由于蓄电池充放电过程的复杂性，BMS应能全程监测蓄电池的端电压、电流、温度和充放电安时累计值，确保蓄电池不会因过度充电和过度放电而折寿，BMS还应给出比较准确的蓄电池剩余电量(SOCState 0f Charge) 估计。要实现上述功能，一般方案比较复杂，成本太高，使得售价较低的轻型电动车很难承受。近些年来，由于由蓄电池供电的便携式家用电器和仪器的大量使用，对蓄电池进行在线监测的需求猛增。国外推出了用于监测蓄电池的智能型专用芯片，如美国的DALLAS 系列芯片，它们具有集成度高、价格低廉（只几元人民币一片）和功能很强的优势。依托它能够开发出性能价格比很高的，适用于轻型电动车需求的新型BMS。二、专用芯片DS 2438介绍这里扼要介绍我们选用的DS 2438芯片的主要性能。DS2438是美国DALLAS公司近年生产的Battery Monitor系列芯片的一种专门用于电池检测的微电子芯片，该芯片内部集成了温度传感器、A/D转换器、电流积分器等电路，具有测量电池的温度、电压、电流和累计电量等多项功能。测量功能强大且价格低廉，是一种高性能价格比的测量芯片。 图1 DS 2438外观该芯片具有如下主要特点：l 独特的单总线工作方式，只需要一根数据 线，实现数据的输入 / 输出 ；l 为每个被测电池设置唯一的 64 位序号标记，通讯时通过查询序列号实现一条总线上与多个DS2438芯片通讯，不会混淆；l 通过一种片内集成的测温量传感器实现蓄电池壳温的测量，测量温度范围为 55到125，温度分辨能力为 0.03125 。电池的温升是蓄电池充放电过程的重要参数。l 内置十位的A/D转换器，用于测量电池的端电压，测量范围010V，分辨能力为10mv ；l 内置电流A/D转换器，可测量电池组的电流，通过外接电阻RSENS上的电压降或电流互感器提供的二次电压采样以 36.41 次/秒的速度至电流寄存器中，测量蓄电池充放电电流值等于寄存器中值/（4096RSENS）；l 内置电流累加器(ICA)，测量蓄电充放电电流对时间的累计值（安时累计），可用于估计蓄电池的剩余电量；l 内置40字节断电不消失的EEPROM存贮器，用于记录电池特征数据如电池结构、电池能力、充电方式和装配时间等重要参数；l 正常工作温度范围为-40+80。适用于手提电脑、移动蜂窝电话、家用电器和由蓄电池供电的便携式仪器的蓄电池检测， 经适当设计，可构成低成本、高性能电动车能量管理系统 。 DS2438 的管脚分配如图2 所示，其中：DQ 数据输入/输出口Vad 通用的 A/D 输入Vsens+ 电池电流计量器输入端 Vsens- 电池电流计量器输出端Vdd 电源端 (2.4V10.0V) GND 地 NC 未定义 图2 DS2438的管脚图三、BMS 系统的构成由DS2438芯片和51单片机按照现场总线方式，可以构成满足不同要求、不同档次的BMS系统。利用DS2438芯片和单片机可以构成适用于电动自行车和电动摩托车需要的按照现场总线方式工作的BMS系统新方案。但是由于电动自行车和电动摩托车两者对EMS的性能和价格上的要求不同，适用于它们的EMS方案也有所区别。以下将分别予以介绍。方案1 适用于电动助力自行车的简易型 BMS为电动自行车等轻型电动车设计的简易型BMS系统方案，它由基于DS2438芯片的数据采集板和单片机系统组成，有单片机最小系统、DS2438芯片、电压测量电路、电源供电电路、行驶里程测量电路及液晶显示几部分，为了简化电路以降低成本，该系统检测的是整个蓄电池组（电压一般为24伏或36伏），而不是测量串联着的每一快蓄电池。如图3. 所示。图3. 适用于电动自行车的简易型BMS系统结构示意框图单片机采用了便宜的8位的89C51。由于89C51芯片内有4K的ROM，不需再扩展外部存储器，整个系统非常简单。单片机和DS2438数据采集板电位共地，之间按照DALLAS公司提供的通讯协议，以现场总线的方式进行数据传输的，它们之间不需要直流电位的隔离，因此该方案的特点是结构简单，成本低廉，而功能大大优于当前电动自行车普遍采用的由分离元件和小规模芯片组成的简易BMS装置。以下概略介绍几个组成部分：电压测量电路 使用DS2438内置的电压A/D转换器，来测量整组电池的端电压。由于DS2438的电压测量范围为010V，而电动车自行车蓄电池组的端电压一般为24V或36V，因此必须采用分压电路以适用于DS2438的电压测量范围。电流测量电路 使用DS2438内置的电流A/D转换器，来测量电池组充、放电回路的电流。将采样电阻接至电池组充（放）电回路中，DS2438通过测量采样电阻压降测量蓄电池的充电、放电电流。由内置的电流累加器(ICA)，芯片自动计算出蓄电充放电电流对时间的累计值，充电时安时累计值是增加的，而放电时是递减的。经适当处理，可用于蓄电池的剩余电量的估计。电源供电电路 由于单片机系统和DS2438都需要5V供电，而有源滤波电路中的运算放大器则需要10V左右的电源供电，因此，需要对系统进行配电。为了保证电池组中的各快蓄电池的负载均衡，采用DC/DC电源模块HZD03-24S05 DC-DC由整个蓄电池组对BMS系统。该模块输入为1836V，输出为5V，为单片机系统和DS2438进行供电。另外，使用一片Max202，将该5V电源变换为10V的电源，给有源滤波电路中的运算放大器供电。行驶里程测量电路 该电路主要采用了一个3020霍尔传感器，通过无触电的位移信号发生器，在车轮每转一周发出一个脉冲信号，由3020芯片将信号传送单片机。由单片机累计计算行驶里程。温度测 DS2438芯片紧贴蓄电池，从而能测量蓄电池的壳温，并显示与液晶显示。安时累计 为了估计剩余电量，充放电的安时累计非常重要。安时累计不是由单片机而是由检测芯片完成的，DS2438有内置的电流累加器(ICA)，测量蓄电充放电电流对时间的累计值，充电是累加，放电时递减。累计值通过单片机，在液晶显示上示出。通过清零按钮，必要时可对安时累积值清零。液晶显示 液晶显示器选用的是TM164A系列16字符4行字符点阵LCD模块，具有标准的接口特性，单一5V供电，低功耗、长寿命、高可靠性。显示器用于显示电池组电压、电流、安时累计、剩余电量估计、蓄电池温度以及电动车的行驶里程。电磁兼容性和干扰屏蔽 BMS系统的电磁兼容性设计非常重要。DS2438芯片是为笔记本电脑等弱电负载设计的，在芯片的使用电路中有一般的RC低通滤波电路作为抗干扰措施也就够了。而电动车是大电流负载，在使用中特别是启动和电池快速充电过程中，都会产生强电干扰。为此，除保留RC滤波电路，还增设了由线性运算放大器组成的有源滤波电路和由单片机软件实现的低通数字滤波，以消除尖锋电流的强干扰，使芯片的测量精确而稳定。有源滤波电路如图4. 所示。图43. 有源滤波电路该方案所用的主要元件芯片和零售价格比较便宜，估算如批量生产，成本是中、高档的电动自行车可以接受的。方案2 适用于电动摩托车的 BMS适用于电动摩托车的BMS系统结构示意框图如图 5. 所示，该方案与前者的区别是系统同时监测蓄电池组串联着的每一块蓄电池，从而能够掌握各快蓄电池的性能差异。由于电动摩托车的售价远高于电动自行车，成本控制上容许采用比电动自行车更复杂，性能更高的EBS方案。图 5. 适用于电动摩托车的能监测多快蓄电池的BMS系统结构示意框图具体到我们的实验样车的动力蓄电池组电压是48伏,由四快蓄电池组成。EBS的方案采用了4个DS2438芯片组成的数据采集板。由于各个蓄电池块的性能存在差异，而蓄电池组的整体性能将取决于串联着的各个蓄电池块中性能最差的那个。因此，一个高性能的BMS对蓄电池组的监测要落实到对每个蓄电池块的（电压、电流和温度）的监测。由于串联的各个蓄电池的直流电位不共地，不能直接挂在单一总线上传输数据，所以每个DS2438 数据采集板要采取光耦隔离措施，并将单线制改为收、发两线制，分别挂在收、发两根线上。通过液晶显示蓄电池组的工作电流、剩余电量，还可以查询每块蓄电池的电压和温升，当剩余电量不足和有哪块电池出现问题时可以发出报警信号。单片机选用了16位高性能的80C196KC 。带光耦隔离的采集板电路原理图如图6. 所示。实验结果表明，该直流电位隔离线路是有效的，不可或缺的。图6. 带光耦隔离的采集板电路原理图四、实验样车简介这里介绍我们的三种不同实验样车的基本情况。 实验样车1 智能型电动助力自行车试验样车本样车是在原“松鹤”牌 电动助力型自行车24寸（轻蹬轻踩型）的基础上加装我们研制的基于现场总线技术饿简易型 EMS组成（图7.）。蓄电池采用7安时、24伏的镍氢蓄电池。充满电可行驶40公里左右。EMS的液晶显示屏幕上显示出蓄电池组电压、放电电流、电量（累计安时数）、剩余电量估计（用百分数显示）和行驶里程（图8.）。如需要，还可显示蓄电池的温度。 图7.带EMS智能型电动助力自行车试验样车图8.智能型电动助力自行车样车EMS的液晶显示屏试验行驶结果，该车的剩余电量估计误差在5%左右。图9.为该样车试验运行全程的记录结果。图9. 样车1的试验运行记录，里程 剩余电量估计（%）实验样车2 电动自行车（纯电动型）样车本样车是在市场占有率较大的原“小羚羊”牌 24寸电动自行车的基础上加装我们的基于现场总线技术的简易型 EMS组成（图10.）。蓄电池采用12安时、36伏，原车为密封铅酸蓄电池，我们改装为额定容量和电压相同镍氢蓄电池。充满电可行驶40多公里左右。图11. 为该样车试验运行过程的记录，剩余电量估计误差在5% 以内。图10. 电动自行车（纯电动型）样车图11. 样车2的试验运行记录，里程 剩余电量估计（%）曲线实验样车3 电动摩托车样车我国的电动摩托车刚刚步入市场，目前产量和品种尚少，但是由于摩托车的污染问题日益严重，而摩托车又是南方地区老百姓乐于采用的代步工具，完全禁止益不太可能。因此可能电动摩托车在我国南方的中小城市仍然会有相当市场，而解决大气污染问题的途径是用电动自行车取代燃油摩托车。广东的汕头市正在进行这方面的试点，因此我们的样车选择汕头东威摩托车厂生产的东威电动摩托车（图12.）。图12. 带基于现场总线BMS的电动摩托车实验样车图13. 电动摩托车实验样车BMS的显示该样车实现了对每一快蓄电池充放电过程的全程监控，在预防蓄电池过充、过放，提高蓄电池的使用寿命和剩余电量估计精度等诸多性能上有较大的改进。 由于该BMS系统由于采用了性能价格比极高的DS2438专用芯片，简化了结构，降低了成本。图13. 为该实验样车BMS的显示。五、 关于BMS 与蓄电池充电控制器的一体化 蓄电池充电控制器的性能和质量不佳是导致蓄电池因过度充电而折寿或充电太慢的重要原因。为保证蓄电池组充电过程良好的要求，充电控制器也需要全程监测充电过程的蓄电池端电压、充电电流、安时累计值和温生，并利用单片机的编程实现按照要求的充电规律充电和充电过程的智能化以及对蓄电池的充分保护。而本文介绍的我们的BMS系统的。DS2438专用芯片和单片机完全可以兼顾上述功能，实现蓄电池管理和充电控制的一体化，甚至可能实现对不同种类蓄电池的充电控制器的通用化用不同的软件实现针对不同类型的蓄电池的充电控制。我们研究工作在此方面已取得了一定的成果，有关内容将另文发表。六、基于现场总线的BMS系统的新型电动三轮车的开发 据外电报道布鲁塞尔街头流行轻型电动助力三轮出租车（图14.），图14. 布鲁塞尔街头的轻型电动助力三轮出租车2001年赴德参加EVS-18会议期间也见到柏林街头也有不少同类车型在载客穿梭与市中心（图15.）不过是人力的，没有电动助力装置。图15. 柏林街头的洋三轮出租车为此，我们建议组织合作开发适合于我国国情的新型（智能型）电动助力三轮车，以适合发展城市旅游和家居市郊不能开汽车的老年人出行的需要。车型可仿国外，要漂亮、大方，可以用我们的BMS提高它的性能和技术含量。七、 结论基于DS2438芯片的轻型电动车BMS系统，其特点是功能强大而成本低廉，工作稳定、可靠且实用，在我们试验研究中显示了良好的性能。我们愿与生产厂家精诚合作，共同将该技术应用于已经产品化和产业化的批量电动车产品中，以提升我国轻型电动车的技术水平。注：本项研究受北京市科委资助，特此致谢！参考文献：【1】 陈清泉 院士,环境保护