二輪電動車鋰電池管理系統(tǒng)的設計與實現

二輪電動車鋰電池管理系統(tǒng)的設計與實現摘要：鋰電池在二輪電動車應用越來越廣泛，其暴露出來的事故主要包括起火、爆炸等安全隱患，所以需要研究一套可靠的電池管理系統(tǒng)，用來保證使用者的人身和財產安全。關鍵詞：電池管理系統(tǒng)，鋰電池組，兩輪電動車，大數據監(jiān)控平臺前言：目前城市人口急劇增長，面對交通堵塞的壓力，居民出行更愿意選擇便捷的兩輪車方式。鉛酸電池存在能量密度低、循環(huán)壽命短等缺陷，同時還對環(huán)境存在污染。而鋰電池恰恰補足鉛酸電池這些短板，所以鋰電池代替鉛酸電池勢在必行。目前中國市場上有近3億輛電動車，社會保有量有超過90%屬于鉛酸電車。按照各地政府給出3-5年的過渡期，也就是說3-5年內市場的需求將會超過2.5億輛新國標電動車，未來整個電動車行業(yè)年產銷量一定會突破4000萬、5000萬輛，甚至年銷量能夠達到5500-6000萬的量級，未來的鋰電動車出行市場的需求十分旺盛，發(fā)展前景十分可觀。1.電池管理系統(tǒng)設計常用的電動自行車鋰電鋰離子電池，一般通過串聯或并聯的方式形成鋰離子電池組，以滿足電壓和功率的使用要求。鋰電池在出廠或者長期使用過程中，由于環(huán)境溫度變化，過充過放等因素影響，電池單體性能會發(fā)生差異，一致性不一樣。電池組性能取決于性能最差的單體力量，因此需要通過BMS對鋰電池電池組進行有效的能量管理，以提高鋰電子電池組的使用效率，延長電池組使用壽命，降低運行成本提高，提高電池組可靠性［1。］1.1電池管理系統(tǒng)方案設計電池管理系統(tǒng)主要功能包括：1、電池信息測量子模塊；2、充放電控制電路3、最小單片機系統(tǒng)；4、均衡控制電路；5、GPRS遠程通訊模塊；電池信息測量模塊，采集鋰電池單體電壓、總電壓、總電流、溫度等鋰電池信息。充放電控制電路通過MOS管控制總負端輸出，總正端直接連接外部輸出。最小單片機系統(tǒng)通過IIC通訊協(xié)議與電池信息測量模塊進行內部通訊，對電池進行充電、放電、均衡及電池異常狀態(tài)下保護管理。在某個電池單體出現較大壓差時，均衡電路通過消耗其能量的方式，使電池組滿足使用的要求。鋰電池組外部通訊，一般采用RS485或都CAN通訊兩種方式。本文外部接口采用是RS485通訊方式，與電機和整車控制器進行數據交互。GPRS模塊可將鋰電池信息上傳至大數據監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺可同時實現多個鋰電池組實時監(jiān)控和預警功能。1.2電池管理系統(tǒng)硬件電路設計本文基于中穎公司SH367309采集芯片和ST公司STM32F301C8T6單片機芯片進行設計和實現，與其他分立元器組成鋰電池管理系統(tǒng)的電路設計。SH367309主要實現以下功能：1.鋰電池信息測量，主要包括16路單體電壓采集、1路總電流采集、2路溫度采集。每路單體電壓經過1K的限流和O.luF濾波電容后至SH363709的AD采集端口，每個AD采集單體電壓信號經SH367309進行內部處理后，由SH367309通過IIC通訊傳送給STM32F301C8T6單片機;檢流電阻可選擇阻值小且精度高的合金電阻，一般檢流電阻值范圍0.001-0.005Q，精度為0.1-0.5%，功率選擇5W-10W范圍值；當電流流過檢流電阻時，在檢流電阻上產生電壓降，檢測檢流電阻上的電壓值可計算出實際輸出的電流值大小。電池溫度采集是利用NTC溫度傳感器溫度變化特性來實現。NTC溫度傳感器貼在鋰電池正負極柱上，當鋰電池極柱上的溫度發(fā)生變化時，NTC溫度變化轉化為電阻信號，再經過SH367309芯片內部的分壓電路，電阻值轉換為相應的電壓信號，由單片機來計算出電池的溫度值；2.充電、放電MSO管的控制，本文設計的最大充放電電流可達到40A，經實際檢測滿足二輪車最高功率需求；電池總負端B-經過分流電阻后連接放電MOS管和充電MOS管。SH367309通過控制充放電MOS管GS兩端的電壓，當MOS管GS兩端的電壓為高電平時，MOS管導通；當MOS管GS兩端的電壓為低電平時，MOS管斷開，實現電池充放電管理功能。適當調整MOS管GS兩端并聯的電阻值大小，可以調節(jié)MOS管導通性能，防止MOS管過熱損壞。MOS管GS兩端并聯一個10M電阻和肖特基二極管，當MOS管截止時，可將MOS管內部存儲的能量進行泄放?？紤]到MOS管的內阻和散熱性能，當電流達到處40A時，需要用多個MOS進行并聯,本設計采用3個充放電MOS管進行并聯使用，同時MOS管的表面這需貼有鋁塊散熱器加速散熱，經測試MOS管加鋁塊后，散熱效果良好。3?被動均衡電路，三極管S8050與電阻串聯組成被動放電電路，本電路最大均衡電流為200mA。三極管S8050做為開關電路，被動均衡的原理是利用串聯電阻進行能量消耗⑶。比如當某個單體大于設定的電壓值時，STM32F301C8T6單片機開啟被動均衡功能。通過調整串聯的電阻值大小，可配置不同均衡電流。需要注意的是均衡電流過大，在串聯電阻上會產生大量熱能，需要考慮散熱措施。單片機STM32F301C8T6主要實現以下功能：1.與SH367309芯片之間實現數據通訊，通信方式為IIC協(xié)議；2.電池狀態(tài)評估和電池告警、保護信息處理，電池狀態(tài)評估主要是對電池電壓、電流、溫度、內阻、溫度、系統(tǒng)時間等進行分析，計算出當前電池的SOC、SOH狀態(tài)［1］。其中電池告警和保護信息包括單體電壓欠壓告警、單體電壓過壓告警、過流保護、短路保護、過溫保護、低溫保護；例如，當電池溫度過高時，可利用MOS管來切斷電路，起來保護電池組作用。3.本文中鋰電池組對外部采用RS485通訊。電池組和整車控制器、充電器用RS485協(xié)議進行數據交互。根據電動自行車實際運行工況，進行充放電電流大小調節(jié)，控制電機扭矩值，從而實現電動自行車的車速快慢的控制。GPRS遠程通訊模塊設計SIM868是芯訊通公司針對目前火熱的電動自行單車，推出的一款M2M模塊，支持GSM、GPRS、GPS、LBS、藍牙功能。利用SIM868的GPRS功能，可實現電池位置的精準定位以及電池數據上傳至監(jiān)控平臺。SIM868支持2G和4G數據接入。例如，當前市場上運行的電動自行車鋰電池組數據通過4G信號上傳至監(jiān)控平臺利用監(jiān)控平臺大數據處理能力，可快速發(fā)現鋰電池組故障和潛在安全。通過監(jiān)控平臺大數據統(tǒng)計分析和提前預警功能，可有效保證鋰電池組的安全運行。

2.電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)測試本系統(tǒng)測試分為2個方面，分別對鋰電池采集信息單元模塊和監(jiān)控平臺數據進行測試。2.1單元模塊測試通過數控電池模擬設備模擬16串電池組工作狀態(tài)，使用直流電壓源為電池組進行充電，電子負載進行模擬電機放電。用6位半高精度數字萬用表檢測實際電壓、電流信號，與監(jiān)控平臺上的數據進行差異對比分析。表1單體電壓測試對比采集電池 實際電池電類別 誤差（mv）電壓（mv） 壓（mv）總電壓 51.47 51.25 231號電池單節(jié)電32003205

32002號電池單節(jié)電壓3204320223號電池單節(jié)電壓3205320054號電池單節(jié)電壓31983201-35號電池單節(jié)電壓3204320046號電池單節(jié)電壓31953200-57號電池單節(jié)電壓31983200-28號電池單節(jié)電壓3205320059號電池單節(jié)電壓31943200-6

10號電池單節(jié)電壓31963200-411號電池單節(jié)電壓32023200212號電池單節(jié)電壓31973200-313號電池單節(jié)電壓31933200-714號電池單節(jié)電壓31983200-215號電池單節(jié)電壓32043201316號電池單節(jié)電壓320232002表2充電電流測試對比

實際充電電流值（A）采集到的充電電流（A）誤差（A）88.0899.10.1101010表3放電電流測試對比實際放電電流值（A）采集到的放電電流（A）誤差（A）1515.10.12020.10.13029.9-0.14039.8-0.22.2監(jiān)控平臺鋰電池數據測試

電池管理系統(tǒng)米集的鋰電池ID、SOC、單體電壓、電流、溫度、位置等有效信息，通過4G移動通訊技術上傳到監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺可同時管理多個鋰電池組的上傳信息，并對這些信息進行統(tǒng)計和分析。發(fā)現電池組有異常問題，可通過人工電話或其他方式聯系用戶，達到提前預警功能。經過測試，監(jiān)控平臺上鋰電池組的信息真實有效，電池組的實際位置與手機定位精度誤差在10米范圍以內滿足設計需求。130WdflSjpqq-j|diie>_^]電址：1閃WriJBD亞社瞬島^■as^i-ieuweuiSMl匚**I I囲L3sjBEflni^nwuman^~i*. ■f^~~ijuiau^WdflSjpqq-j|diie>_^]電址：1閃WriJBD亞社瞬島^■as^i-ieuweuiSMl匚**I I囲L3sjBEflni^nwuman^~i*. ■f^~~ijuiau^|rr| |■?：|i^s~|ml~~|nr|ms|曲眉於霄M?■ 】 'RPR卜剜|JR g*:i|3lS?~Cl3~i2.五ijM|■*■F^~ir^~=iTErii±B、-azu11a?|r|，?適|和|*Few|d.o|ir±血jm|id：.2-? ?吐IL莊血|~5~■I：Tai*-|moInTiw-|moIisij?-ir^p—IIt|3■:HO DD利—匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚廠5如2I-〔口唧.："IstzjWp応I仏:?WW□帕毆旺Hm：：wEg"皿T申曲哥丘■耳MQpraEfl!#5；tS狂刖氣圧*|?WWMEOI^||^~TutE^msMw應細APT 茫遊STOW電2JBCisp^h^js曲 m雄m?.*kwfriEB*1?|mWEW止班皿礎,ao宜4憂電怕財匹jaobuHMMIrtWC飆和冊聽咻顧冋購吃BWUtliHi^rtMMriJH/cIMKW磯FMKH7|rHH^w^razw魯|[iw呻 v|3酣跑血初用陽圧嚴-弘軸立樹誦丘z-IM??BW|m|F9i<ft?SB3結語綜上所述，二輪電動自行車鋰電池管理管理系統(tǒng)的設計是一項復雜的設計課題，不僅要具備電子電路專業(yè)知識，還需要對鋰電池的化學特性深入的了解。本文從鋰電池組安全方面入手，將電池基本信息進行采集，并上傳至大數據監(jiān)控平臺。利用大數據監(jiān)控平臺的數據處理優(yōu)勢，實現鋰電池及時的安全預警，同時也可以對用戶車輛狀況、鋰