基于hev的mhni電池組管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于hev的mhni電池組管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車(chē)（hv）的性能在很大程度上取決于動(dòng)力蓄能器和管理系統(tǒng)。MH/Ni電池因具有高比能量、高比功率、高安全性、長(zhǎng)壽命及寬的使用溫度范圍等優(yōu)點(diǎn),成為HEV廣泛采用的動(dòng)力電源。高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)能使電池在各種工作條件下具有最佳的性能,通過(guò)蓄電池管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài),如電壓、充放電電流和溫度等,預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài)(SOC)和最大允許充放電電流,以提升電池的性能和壽命,提高HEV的可靠性和安全性。1電池組管理系統(tǒng)研究的電池管理系統(tǒng),采用6.5AhMH/Ni動(dòng)力蓄電池組(上海產(chǎn)),共有240只單體電池,每6只單體電池串聯(lián)成1組模塊,共有40組電池模塊。開(kāi)發(fā)的電池管理系統(tǒng)主要有以下功能:a.能夠精確地監(jiān)測(cè)電池組的各種運(yùn)行參數(shù),如模塊電壓、電池組總電壓、電池溫度、電流以及壓力等;b.通過(guò)測(cè)出的電池參數(shù)預(yù)計(jì)電池的SOC、最大允許充放電電流、放電深度等;c.采用壓力傳感器控制電池的充電,根據(jù)電池當(dāng)時(shí)的狀態(tài)決定可充入或放出的電量,避免對(duì)電池的損害;d.模塊電壓采用分布式采集方案,用RS485總線傳輸采集數(shù)據(jù);e.電池管理系統(tǒng)采用高速CAN總線與整車(chē)控制系統(tǒng)通信,達(dá)到實(shí)時(shí)性、可靠性的要求;f.實(shí)時(shí)獲得電池組的各種狀態(tài),在出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警信息,并能夠采取相應(yīng)的措施,保障電池組的安全。1.1hev電池管理系統(tǒng)概述主控CPU選用高性能的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)集成芯片TMS320LF2407A。該CPU具有高達(dá)40MIPS的執(zhí)行速度,使每條指令的執(zhí)行周期縮短到25ns,可以高速處理大量數(shù)據(jù),適合HEV電池組的電池?cái)?shù)量多、信息量大的特點(diǎn)。該CPU的運(yùn)行速度快,使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的管理控制策略;系統(tǒng)還能保證高的實(shí)時(shí)性,特別適合HEV用電池的強(qiáng)隨機(jī)性、影響因素多且復(fù)雜的特點(diǎn)。電池管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1所示的系統(tǒng)構(gòu)成中,電池檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的電壓、電流、溫度和壓力的測(cè)量,采用RS485總線實(shí)時(shí)向DSP傳送采集的數(shù)據(jù)。主控制CPU單元負(fù)責(zé)電池?cái)?shù)據(jù)的分析、SOC的估算、壓力差的計(jì)算和充放電控制策略的實(shí)現(xiàn),當(dāng)電池出現(xiàn)故障時(shí),及時(shí)進(jìn)行故障診斷。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用來(lái)存儲(chǔ)電池的SOC、壓力差、循環(huán)壽命、故障表現(xiàn)和使用歷史等信息。通訊單元包括CAN總線通訊和RS232串口通訊,其中CAN總線負(fù)責(zé)與整車(chē)通訊,將電池信息傳遞給整車(chē)控制系統(tǒng),也可接收整車(chē)的控制指令;RS232串口通訊負(fù)責(zé)與上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)通訊,電池的所有信息都可在上位機(jī)的可視化界面顯示,數(shù)據(jù)可保存和查詢(xún)。信息顯示單元用于電池信息的可視化監(jiān)視與查詢(xún)。通過(guò)采集壓力數(shù)據(jù),計(jì)算壓力變化率,來(lái)控制充放電繼電器的通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電的精確可靠控制,從而改善HEV的性能。1.1.1電池組管理系統(tǒng)本文作者采用了一種分布式的電池監(jiān)控和管理結(jié)構(gòu),對(duì)每組電池進(jìn)行模塊化管理,把整個(gè)電池組分成若干個(gè)單體檢測(cè)模塊,模塊間利用RS485總線互聯(lián),保證了對(duì)電池的電壓和電流等參數(shù)的同步測(cè)量及傳輸時(shí)的可靠性。電池?cái)?shù)據(jù)采集模塊與電池組的中央處理單元分離,后者給每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊分配一個(gè)物理地址,可識(shí)別電池的工作位置。1.1.2電流傳感器和加法器在本設(shè)計(jì)中,SOC的估算也依賴(lài)安時(shí)積分法,電流檢測(cè)的精度將直接影響到剩余電量的估計(jì)。HEV的工作電流可以從-200A變化到200A,在運(yùn)行過(guò)程中,一般保持在幾十安培放電和十幾安培充電,因此,設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)回路必須保證在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。設(shè)計(jì)采用的TBC200F霍爾電流傳感器(南京產(chǎn)),線性度為±0.1%,反應(yīng)時(shí)間小于1μs,工作溫度和儲(chǔ)存溫度均滿(mǎn)足HEV的要求,同時(shí)具有很好的抗干擾能力,測(cè)量示意圖見(jiàn)圖2。傳感器輸出經(jīng)DSP自帶10位高精度A/D轉(zhuǎn)換,送入DSP存儲(chǔ),以備估算SOC?？烧{(diào)電阻用于調(diào)節(jié)電流與電壓之間的比例關(guān)系,電流傳感器的輸出電流經(jīng)過(guò)可調(diào)電阻R3轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。從傳感器過(guò)來(lái)的電流是雙向的,轉(zhuǎn)換得到的電壓是以大地為中心而變化的一個(gè)正、負(fù)電壓,而A/D是單向的,因此必須把電壓提高至0V以上。為此,本文作者設(shè)計(jì)了一個(gè)加法器,它的作用是將以0V為中心的正、負(fù)電壓提升至以2.5V為中心的正電壓。加法器的后面接一個(gè)反相器,將加法器得到的地負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓,同時(shí)起到功率放大的作用。經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)放,最終輸出信號(hào)為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。1.1.3can2.0b通信接口選用的DSPTMS320LF2407A芯片集成了CAN控制器的功能模塊,簡(jiǎn)化了CAN的硬件電路設(shè)計(jì)。集成的CAN控制器支持CAN2.0B協(xié)議,有6個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0～8個(gè)字節(jié)的郵箱,可通過(guò)軟件靈活設(shè)計(jì)接收和發(fā)送功能。該接口電路設(shè)計(jì)利用高速光電耦合器件6N137,將CAN的收發(fā)信號(hào)(CANTX和CANRX)與CAN總線隔離,同時(shí)隔離后的電路部分單獨(dú)供電,避免CAN總線對(duì)DSP的干擾,提高了系統(tǒng)的電磁兼容性。CAN總線與DSP的連接如圖3所示。1.2安時(shí)積分法修正對(duì)SOC的預(yù)測(cè),主要有開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻測(cè)量法和安時(shí)積分法。由于HEV用電池基本工作在SOC為30%～80%之間,很少出現(xiàn)充滿(mǎn)電或者放完電的狀況。如果單獨(dú)采用安時(shí)積分法,累積誤差將難以得到修正,因此有必要采取措施進(jìn)行修正。本設(shè)計(jì)采取安時(shí)積分法結(jié)合開(kāi)路電壓法,同時(shí)考慮充放電效率、溫度以及自放電的影響,完成對(duì)SOC的估計(jì)。1.2.1電池初始電量當(dāng)電池的工作電壓轉(zhuǎn)為開(kāi)路電壓時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)記錄SOC和開(kāi)路電壓的持續(xù)時(shí)間,即自恢復(fù)效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間,為以后的SOC估算做準(zhǔn)備。初始電量狀態(tài)可以由兩種方法獲得,直接調(diào)用SOC記錄或估算電池的靜態(tài)電量狀態(tài)。通過(guò)控制系統(tǒng)記錄的電池靜置時(shí)間的長(zhǎng)短,初步判斷電池的自恢復(fù)程度。若自恢復(fù)程度較淺——電池靜置時(shí)間小于6h,則直接調(diào)用系統(tǒng)記錄的上一次電池停止工作時(shí)的SOC作為本次工作循環(huán)的初始電量狀態(tài);若自恢復(fù)程度較深——電池靜置時(shí)間大于6h,則認(rèn)為其為開(kāi)路電壓。根據(jù)開(kāi)路電壓和SOC的關(guān)系,得到初始電量或者修正電量。SOC0=f(Uo,T)(1)式(1)中,SOC0為電池的初始電量,Uo為電池的開(kāi)路電壓,T為電池的溫度。1.2.2組合設(shè)計(jì)初始電量狀態(tài)預(yù)估算策略的實(shí)現(xiàn),也為使用積分法計(jì)量電量提供了前提條件,使積分法可以在不同的初始電量狀態(tài)下使用。在車(chē)輛運(yùn)行時(shí),采用安時(shí)積分法進(jìn)行計(jì)量:SOC=SOC0+∫icK1(T,SOC)dt-∫iddt-K(Ta,t)(2)式(2)中,SOC為電池的剩余電量,ic為充電電流,id為放電電流,Ta為平均溫度,t為使用時(shí)間。K1(T,SOC)為充電效率,是當(dāng)前溫度和充電倍率的函數(shù)。K(Ta,t)為自放電電量,為平均溫度Ta和電池使用時(shí)間的函數(shù)。為了適應(yīng)HEV電池工作條件隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn),建立了電池在各種條件下的充放電效率數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)應(yīng)不同的條件由控制程序查詢(xún)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù),自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的充放電效率,將不同條件下的充放電電量折算成標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)準(zhǔn)電量。1.3電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1.3.1程序的實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的軟件從功能上分為主程序、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)處理與顯示、故障診斷和通訊等5個(gè)程序模塊。圖4為主程序流程圖,其中Timer1為定時(shí)器中斷子程序。1.3.2壓力差的計(jì)算采用氣體傳感器控制蓄電池充電。MH/Ni電池的充電后期和過(guò)充電時(shí),電池內(nèi)的氧含量和氣體壓力會(huì)有所變化。電池完全充放電情況下的氧濃度變化曲線見(jiàn)圖5;充電時(shí)氧含量與SOC的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。設(shè)計(jì)采用內(nèi)置式氣體壓力傳感器。氣體傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大、濾波處理后,送入DSP進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中的壓力變化率是單位時(shí)間內(nèi)兩次采集的壓力差,時(shí)間間隔可以通過(guò)調(diào)用計(jì)算壓力差的子程序的時(shí)間間隔控制。壓力差計(jì)算方法是用當(dāng)前壓力值減去上次調(diào)用此子程序時(shí)的壓力值(上次壓力值),再把當(dāng)前壓力值存儲(chǔ)起來(lái),作為下一次計(jì)算的被減數(shù),程序的流程見(jiàn)圖7。壓力差保存在RAM中。第1次調(diào)用本壓力差計(jì)算子程序,沒(méi)有舊壓力數(shù)據(jù),所以將壓力差的結(jié)果設(shè)置為零。2系統(tǒng)優(yōu)化及soc復(fù)合估算電池組的工作狀態(tài)受車(chē)輛行駛工況的影響很大。為了驗(yàn)證電池性能、管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及SOC估算的精度,設(shè)計(jì)了車(chē)輛加速和最高車(chē)速實(shí)驗(yàn),結(jié)果分別如圖8和圖9所示。圖8和圖9表明了系統(tǒng)控制策略和控制算法的正確性,以及控制精度的精確性和可靠性。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于某混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV),通過(guò)了臺(tái)架與實(shí)際道路測(cè)試,電池管理系統(tǒng)可以精確測(cè)量電池的電壓、電流、溫度和壓力等參數(shù),CAN總線通訊實(shí)時(shí)可靠,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度,提高了電池的使用性能和壽命。新的SOC復(fù)合估算策略將開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),并對(duì)溫度、使用壽命、充放電效率和自放電等干擾SOC估算精度的因素進(jìn)行了補(bǔ)償,通過(guò)對(duì)SOC的實(shí)時(shí)修正,提高了SOC的估算精度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)本SOC復(fù)合估算策略的精度控制在5%以?xún)?nèi),符合國(guó)家關(guān)于混合動(dòng)力汽車(chē)SOC估算精度的要求。3