镍氢动力电池管理系统的研究

镍氢动力电池管理系统的研究

0电动汽车电池管理方面近年来，电动汽车的发展日益成熟，但仍存在许多问题。例如，如何有效利用电池能量，延长电池寿命，以及回收电动汽车的能量。其中如何有效地使用电池是电池管理的首要问题。电池自身的性能参数影响电池的寿命,电池外部因素也影响电池的寿命,如电池的充放电参数,电池的温度,对电池维护的方式和频率。为了增加电池的寿命,了解电池当前的状态,就要借助电池管理系统(BMS),优化电池的外部参数,大大提高电池的寿命,及时掌握电池的状态。1bms硬件实现1.1基于分布式测量数据的测量方案系统以镍氢电池为对象,对于镍氢电池,它的状态与其端电压、通过的电流及工作环境的温度有关。所以,设计BMS的首要任务是对这些量的准确采样。这里采用集中式测量数据的方案,集中式数据检测方案的系统结构如图1所示。相对于分布式测量来讲,集中式测量对参数的测量速度较快,可靠性高,数据的实时性好,系统的维护比较便利,成本低。BMS中电池组假定由24个单体(每个单体12V)串连而成的,一般情况下,其电压为288V左右。所以,为了安全,电压隔离开关矩阵的设计是很必要的。1.2供电、供电和温度采样1.2.1高效电路设计蓄电池组电压在288V左右。以多个单体为一组,组成蓄电池模块,测量电池模块的电压。每个电池的标称电压一般为12V左右。图1中的电压隔离开关矩阵和逻辑控制单元构成了串联蓄电池组电压测量的技术方案。原理如图2所示。CPU通过逻辑控制单元,控制由高速光隔固态继电器阵列组成的高压通道,将被测电压送到隔离放大单元的输入端。隔离放大单元的输出送CPU的A/D。其中固态继电器选择光电隔离继电器AQW214,该继电器隔离电压为1500V,灵敏度高,无需专门驱动电路,并且响应速度快,导通电阻稳定,开路漏电电流极低。逻辑控制单元由74IS138译码器及相关器件组成,要考虑误操作时的自锁特性。隔离放大单元选择线性隔离放大器AD202。AD202是一种变压器耦合、微型封装的精密隔离放大器,它通过片内变压器耦合,对信号的输人和输出进行有效的电气隔离。1.2.2电流传感器及运算器电流的采样是估计电池剩余电量(SOC)的主要依据,因此对其采样的精度,抗干扰能力、零飘、温飘和线性度误差的要求都很高。在这里采用的电流传感器是LT308(LEM),该电流传感器是基于霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器,具有出色的精度、良好的线性度和最佳的反应时间,同时也具有很好的抗干扰能力。供电电源为±12V或±15V。由于从LEM过来的电流是双向的,因此其转换得到的电压是以地(GND)为中心变化的一个正负电压,选用的模数转换器是单向的,所以要将其电压提供至0V以上。为此,设计以一个加法器(前端的运算放大器),它的功能是将以0V为中心的正负电压提升至以3V为中心放大的正电压。后端的运算器为一个反相器,将有加法器得到地负电压转换为正电压,同时起到功率发大的作用。通过两级运放,最终将信号变为0～5V的标准信号进入AD转换器。1.2.3线性模量测量的应用蓄电池的工作状态与其内部温度及工作的环境温度都有着很重要的关系。温度测量的方法一般有两种。其一是用数字式温度测量器件,如采用单总线的DS1820。但由于电池管理系统中要求多点测量温度,各个温度测量器件分布在电池箱体内,与总的控制主板间的走线较长,且汽车上的各种干扰较强,采用数字式的测量方法时,需要总线有一定的抗干扰能量。第二种放法是采用模拟信号测量。为简单起见,采用传统的热敏电阻作为温度传感器。选用的热敏电阻为NTC(负温度系数)型,它是一种热敏性半导体电阻器,其电阻值随着温度的升高而下降。电阻温度特性可以近似地用下式来表示:RT=RN×EXP[B(1/T-1/TN)]式中:RT,RN分别表示NTC在温度T(K)和额定温度K(TN)下的电阻值[Ω);T,TN为温度,单位K(TN)=273.15+TN(℃);B,称作B值,NTC热敏电阻特定的材料常数。这种温度测量的方法可靠性高,热敏电阻对温度的变化灵敏度也很高,是一种经济且实用的方法。1.3光催化器fpgav电池管理系统是一个含有多种元器件和许多子系统的典型单片机系统。外来电磁辐射,内部元器件之间,子系统之间,各传输通道之间存在相互干扰。硬件的抗干扰,主要从两个方面来考虑:首先,是电路设计方面。对于与外部系统相连的信号做好相应的隔离。对于数字信号可直接采用光耦进行隔离,光耦两端有不同的电源,以实现彻底的隔离。对于模拟信号,我们采用了较为简单的FIV方式进行隔离。电源是容易引起干扰的部分,在将外电源引入系统时也是需要经过隔离的,在BMS中采用隔离型DC-DC隔离。其次是PCB布线方面。印刷电路板(PCB)是单片机系统非常重要的一部分。所以PCB在设计中必须采用有效的抗干扰措施。可采用双层板设计,没有独立的电源层和地线层。在布置元件时尽量走最短的路线,以减少线阻和分布电容电感。为了防止不同区域的射频电流相互耦合,采用功能分区的方式设计PCB是较为合理的。在地线问题上,一般将数字地和模拟地分开走,最后在合适的位置将其连接在一起。2bms软件2.1电池状态判断BMS的主要任务是检测出电池的各个可测量。通过对其的分析,估计电池的剩余容量并对电池的状态做监测,及时做出各种错误报警。即:状态检测、剩余容量估计、错误报警。状态检测是循环检测电池的状态参量,如电压、温度、电流等。电池剩余容量的估计和错误的报告都基于此。电池的剩余容量的估计包括两个部分:带压缩因子的安时容量和补偿校正。两部分共同确定了电池的剩余容量SOC。错误报警主要包括电池的过充、过放,温度过高、过低,电池一致性报警等。这些状态的判断都基于对电池电压、电流、温度的准确测量。BMS软件是用51汇编来实现,它的执行效率高,且通用性好。图3给出了BMS软件结构框图。其中*1是实现电池状态判断和剩余容量补偿的主要部分。DS12887是一个带掉电保持RAM的时钟芯片,利用它可以保存电池前一次使用后的剩余容量,并可以将一些数据保存其中。同时,它也可以记录电池停放的时间,为估计电池的剩余容量提供依据。系统自检是指系统在上电时检测其通讯及各测量点是否正确,并记录有错误的测量点。对应蓄电池来说,过充和过放都会对电池造成较大的损伤,有时甚至会造成严重的事故性后果。因此,BMS必须准确估计电池的容量状况,并判断是否存在过充、过放。一旦发现错误,应及时将错误信息发送给整车管理系统,以做出相应的处理。高温对电池的工作也是有影响的。从图4可以看到,在高温下镍氢电池的充电效率会明显降低。(图中曲线1为低温时的充电效率,曲线2为高温时的充电效率)因此,在实际中每个放置电池的箱子一般都设有一个风扇,用于通风。BMS根据电池温度及电池环境温度来控制风扇的运行,从而实现对电池的温度控制。如果电池内部有异样温度产生,BMS也将此作为错误信号及时发送给整车管理。2.2bms的动态特性软件抗干扰主要是:1)消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术);2)程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。对于消除模拟信号的输入噪声。BMS在所有的A/D转换环节均采用均值滤波的方式,提高信号的抗干扰能力。防止程序运行混乱的方法则有多种,如指令冗余、软件陷阱的设置等。指令冗余CPU取指令过程是先取操作码,再取操作数。单片机系统的软件抗干扰措施较多,这里只使用很少的