电动汽车动力电池组管理系统设计

1、 图1电动汽车电池组管理系统的组成框图图2电动汽车电池组管理系统的工作原理图动力电池组是电动汽车的辅助能量源和关键部件,其状态好坏和寿命长短在很大程度上决定了整车性能的优劣,因此有必要对整个电池组实施有效的管理和监测。基于此种目的,又考虑到便于在电动汽车上安装布置,设计了电池组分布式管理系统,其由两部分组成,分别为电池组综合管理器和电池单体检测模块。整个系统利用总线通讯技术,完成数据传输与交换,既保证了较好的实时性,又可以建立分布式的系统结构,从而极大程度上方便了各模块在电动汽车上的安装布置,并且系统可以根据电池组结构上的不同而随意调整、剪裁和扩充,具有很大的灵活性、适应性。本系统已经成功应用

2、于电传动原理样车上,并在实践中取得了良好效果,为车辆的顺利调试和电池组的正常运行发挥了重要作用。1动力电池组分布式管理系统组成图1所示为电动汽车电池组管理系统的组成框图,不难看出系统内部采用了成本较低的RS-485网络,而与车辆上其它控制器间的数据通讯则统一采用了CAN 通讯网络。电池管理系统由单体检测模块和综合管理器构成,且多个电池单体检测模块在电池组综合管理器的协调调度下实现电池组数据交换;而综合管理器以及车辆的其它控制器又是在整车综合控制器的协调调度下实现整车数据交换、管理和控制。图2所示为系电动汽车动力电池组管理系统设计张承宁朱正张玉璞李红林(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100

3、081摘要根据动力电池组在电动汽车上的使用特点和要求,利用总线通讯技术,设计出电池组分布式管理系统,系统由一个电池组综合管理器和多个电池单体检测模块组成。为了克服电池组上的高压干扰,实现对每块电池单体电压的精确采集,在电池单体检测模块中设计了具有特色的压控恒流源电路。通过在电动汽车上的实际应用表明,系统运行稳定正常,可扩充性好,便于安装布置,有着广阔的应用前景。关键词动力电池组分布式管理总线通讯压控恒流源电路文章编号1002-8331-(200625-0220-03文献标识码A中图分类号TP273Design on Management System for Traction Battery

4、Packs inElectric Transmission VehicleZHANG Cheng-ning ZHU Zheng ZHANG Yu-pu LI Hong-lin(Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081Abstract :According to the application quality and request of traction battery packs which is used in electric transmission vehicle ,Management system for battery pa

5、cks is designed by the way of bus communication.The management system is composed of many single battery test modules and an integrated battery packs monitor.In order to overcome the high-voltage disturbance on battery packs ,a new type of collection circuit called constant current source controlled

6、 by voltage is designed in Single battery test module ,which realizes the precise collection to voltage of each battery.Via the application in electric transmission vehicle ,it is sure that the whole system works well and stable ,has the good ability to expand ,is convenient for installation and arr

7、angement ,achieving the wide application foreground.Keywords :traction battery packs ,distributed management ,Bus communication ,constant current source controlled by voltage统的工作原理图,其中电池单体检测模块完成对电池单体的电压和现场温度采集,然后通过RS-485总线传输到电池组综合管理器中;综合管理器能够采集电池组的电压、电流和环境温度,并针对电池组剩余电量SOC 预测算法完成软硬件实现。此外,电池组综合管理器还带有R

8、S-485通讯接口和CAN 通讯接口,前者完成对电池单体检测模块的数据交换,后者完成对整车综合控制器的数据交换,并且其自带液晶显示单元和键盘单元,可以实时显示电池单体电压和电池组的状态信息。2动力电池组分布式管理系统硬件设计2.1电池单体检测模块硬件设计电池单体检测模块在电池管理系统中属于下位机部分,能够完成对单体电池端电压以及现场工作温度的采集,同时还带有RS-485串行通信接口,并在电池组综合管理器的协调下工作。模块中具有两路的模拟输入,分别采集5块电池的端电压和1个电池温度,并通过模数转换后存储到模块寄存器中,当模块接收到电池综合管理器发出的指令后,就把寄存器中的数据传输到管理器中。利用

9、放大电路中的正反馈和负反馈,这里的电池组单体电压采集是通过一种压控恒流源电路加以实现的,其原理图如图3所示。根据输入信号可分解为差模信号和共模信号的原理,如果利用差动放大电路来采集单体电池电压,尽管不同节点上电池的参考点不同,但由于差动放大电路对共模信号的抑制作用,处于低电位节点处的电压就被抑制,而差动放大电路仅对单体电池电压进行放大,使得相邻电池节点处的电池都具有一个共同的参考点,所以可以实现对长串电池组单体电压的测量。在该电路中,就是利用上述原理把被检测的电压差(即单体电池端电压转换成电流的形式长距离传输而不受外界干扰,且传输精度高,适合不同电压级别的微机接口电路,以便数据采集和转换,为实

10、际使用带来了方便和灵活性。在图3中可以看到采用运算放大器组成的压控恒流源,被检测电压差取自每节电池的正负极输出端钮,即单体电池的电压值U bat 如(1式所列:U bat =U 1-U 2(1由于电路中引入了负反馈,故可以认为运算放大器两个输入端电压相等,即有:U +U -(2而且在结点2、3的电流方程分别为:U 2-U -R 2=U -U 3R 4(3U 1-U +R 1=U +-U 4R 3(4若在选取电阻时满足R 3>>R ,那么输出电流I 则由下式 可得:I U 4-U 3R(5当各电阻满足R 1R 2=R 3R 4时,联立上述五式,即可得输出电流I 满足:I=U bat

11、R 3R R 1(6也就是说流过负载电阻R L 的电流与单体电池电压值U bat成正比,而与负载电池R L 的值无关。这样只要改变R L 的阻值,就可把电流转换成不同的电压级别,从而满足不同单片机接口的需要。图4即为电池单体检测模块结构原理示意图,其中a1a5为单体电压采集电路的输出端,A1A5为单片机上对应的A/D 接口,R 、T 分别为单片机串行接口的接收端和发送端,R0、D 为对应的发送端和接收端。不难看出模块就是将五组单体电压采集电路置于同一块电路板中设计而成的,再经过A/D 转换和RS-485串行总线通信完成数据采集和传输,这样根据串联电池组中的电池数量采用一个或多个模块就实现了对其

12、中每块电池单体电压的测量。电池单体检测模块中的温度采集单元采用了“1-wire ”单线式串行数据通讯总线,实现简单而且具有12位的采集精度,采集温度范围宽,如DS18b20,其稳定性和精度都优于传统的模拟温度传感器。2.2动力电池组综合管理器硬件设计图5所示为电池组综合管理器硬件结构示意图,I S 、V S 代表了霍尔形式的电流、电压传感器,其中电压传感器输入0V 600V ,输出0mA 20mA ,电流传感器输入-200A 200A ,输出-100mA 100mA ;微处理器选用了带CAN 通讯接口的单片机P87C591;在总线通讯方面,CAN 总线采用了内置CAN 控制器的单片机P87C5

13、91和总线驱动器82C250,并加以光电耦合器6N137与外部总线隔离,RS485总线使用了差动信号驱动器65LBC184,并用光耦TIL117实现隔离,RS232总线选用了控制器MAX232以实现综合管理器与PC 机的数据交换,从而方便系统调试;ANFIS 是电池组剩余电量的核心计算单元,通过单片机软件编程得以算法实现,硬件上则借助电压、电流传感器图4电池单体检测模块结构原理示意图图3压控恒流源电池电压采集电路 (下转232页图6电池单体检测模块RS-485总线通讯流程图图7动力电池组综合管理器软件运行流程图图8动力电池组综合管理器RS-485总线通讯流程图图5电池组综合管理器硬件结构示意图

14、和一个V/F 压频转换电路完成信息采集;显示单元选用了集成的液晶模块T6963C ,使用和开发都非常方便。3动力电池组分布式管理系统软件设计3.1电池单体检测模块软件设计电池单体检测模块软件设计采用了中断的程序结构,即利用定时器中断完成数据采集和看门狗保护,利用串行口中断完成电池单体检测模块RS-485总线通讯,这样既保证了数据采集的实时性,又可以使模块在总线通讯时能够快速响应电池组综合管理器对单体数据的收集要求,其中RS-485总线通讯流程图如图6所示。3.2动力电池组综合管理器软件设计动力电池组综合管理器软件系统从功能上可分为系统初始化、人机接口、数据处理、故障诊断、通信与网络五个程序模块

15、。系统初始化程序模块主要完成中央处理电路模块的诊断与启动以及系统变量的初始定义和设置;人机接口程序模块负责输入命令的处理和输出信息的显示;数据处理程序模块完成采集,处理A/D 数据,电池剩余电量预测算法等功能;故障检测与诊断程序模块实现单体电压报警、温度、总电压和剩余电量报警;通信与网络程序模块保障系统与其它控制单元之间完成实时高速而可靠安全的信息交互。整个系统的软件设计思路是保证系统初始化、人机接口、故障诊断和通信四个模块的通用性,其软件运行流程以及RS-485总线通讯流程分别如图7、图8所示。图9电池单体检测模块采集值与电压表测量值误差曲线图4小结通过在电动汽车上的实际应用,整个动力电池组

16、分布式管理系统表现出了良好的稳定性和精确性,具体为:电池单体检测模块能够准确实现电池单体电压和温度的测量,并将数据通过RS-485总线通讯实时传递给电池组综合管理器,如图9所示为针对动力电池组中5块水平铅酸电池的充电过程,电池单体检测模块所得到的单体电压采集值和万用表测量值之间的误差曲线图,可以看出误差保持在0.05V范围内,足以满足对电池组的管理和监测要求;综合管理器能够对电池组的总电流和总电压进行实时精确监测,预测出的电池剩余电量也与电池组的实际状态较为符合,并且利用CAN总线通讯可与整车综合控制器完成数据交换、保存和状态报警功能。由此表明,电动汽车动力电池组分布式管理系统满足了设计和使用

17、要求,有着较强的实用性。(收稿日期:2005年12月参考文献1.Wang Xiao Peng.A modular battery management systemD.The Uni-versity of Toledo,2001-052.童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础M.第三版,北京:高等教育出版社,2000-034.Detlef Heinemann,Dietrich Naunin.A Battery Management System for optimized Control and Diagnosis of Traction Batteries in EVs and HEVs.EV

18、S16,19995.Dipl-Ing Detlef Heinemann,Prof Dr-Ing Dietrich Naunin.Realization of a Battery Management System for x-EVs.EVS-17,2000(上接222页图3用140组带左右手运动想象类型标注的EEG(C3,C4信号的mu节律能量作为特征向量对权向量进行训练后得到的分类决策图(“+”:左手,“*”:右手图4用训练后得到的权向量对待测数据进行分类后的决策图(”+“:左手,“*”:右手4结束语实验表明,基于感知器算法的运动意识的分类方法能够从记录的脑电时间序列中及时识别与运动想象相关

19、的脑电模式,我们可以将这些特征转化为某种控制信号处理控制光标的移动或辅助运动设备,就可以帮助严重瘫痪病人通过计算机与外界环境进行交流和沟通或者帮助他们实现自己想做的动作。感知器算法与其他分类方法相比最大优点在于他计算简单容易实现,故可认为,感知器算法在脑机接口的应用中有较高的实用价值。(收稿日期:2006年4月参考文献1.Jonathan R Wolpaw,Niels Birbaumer,Dennis J McFarland.Brain-com-puter interfaces for communication and controlJ.Clinical Neurophy-siology,2002;113:7677912.Thilo Hinterbergera,Andrea Ku¨blera.A braincomputer interface (BCIfor the locked-in:comparison of different EEG classifications for the thought translation