新式电动汽车锂电池办理体系的研讨与完成—-体系的总体设计(一)

3.1总计划

电池办理体系应用于混合电动车，渠道选用车载办法。在规划上应尽量使办理体系结构先进、合理、可扩展；体系功用上要齐备，满意电动车的全面要求：各种参数丈量精度高、EMC合格、牢靠性高级。根据这一总计划指导思维，研宣布了新一代的锂电池办理体系，详细功用如下：

• 电池信息实时收集，包括单体电压、电池组总电压、温度、充放电电流；
• 存储重要的电池信息及重要数据；
• 剩下电量估量功用及显现；
• 供给数据传送的接口，包括同上位机通讯和同整车通讯以进行车体操控；
• 安全、牢靠、抗搅扰性强、有杰出的人机交互功用；
• 在充、放电过程中对单体电池进行均衡和确诊。

这套电池办理体系选用分布式结构，用多单片和多CAN通讯体系。按积木化规划各个功用模块并选用了5寸半液晶、规范CAN及RS232接口以及多种抗搅扰办法，满意了燃料电池大客车的根本要求：

• 完结了分布式结构、模块化、多CAN通讯及多功用。
• 丈量完结了高精度，总电流与总电压精度别离为0.5%和0.2%，使电量计量愈加精确。
• 具有特征的锂电池单体电压丈量电路，到达了108-126路，能够扩展至更多路，精度在（0.1-0.2）%.
• 完结了体系在车上的运转，处理了体系24V电源自动操控、抗静电搅扰、抗电机DC/DC搅扰，抗高压漏电等一系列问题

体系规划为分布式，首要由以下几个部分构成，即丈量板、中央处理模块、SOC估量模块、专家体系模块、与整车通讯模块和显现操控模块。各模块独立作业，它们之间经过CAN总线彼此通讯。电池办理体系的框图参见图3.1.

各模块的首要功用如下：

• 丈量板：首要完结单体电池电压和温度的丈量，将数据传到内部CAN总线上；直接担任对均衡操控模块宣布接通和封闭分流电路的信号，一起接纳中央处理模块发来的组均衡操控信号。
• 启分流设备，调理充电电流，使电池组内电池愈加均匀和共同。
• 中央处理模块：首要完结对总电流、总电压、环境温度的丈量，一起担任对下一级9块丈量板之间的组均衡进行操控。
• 专家体系模块：承受内部CAN总线上的数据，对单体电池进行实时确诊，给出健康等级和报警信息，将成果传给显现操控模块。
• SOC估量模块：由一块参数估量板构成，根据接纳中央处理模块传递过来的数据，进行剖析处理核算，核算出剩下电量和功率强度。
• 显现操控模块：显现操控板接纳内部CAN总线上的数据，然后送到液晶显现屏显现。一起，显现操控模块外留RS232托言，能够传输数据给上位机。
• 与整车通讯操控模块：接纳内部CAN总线上的数据，然后经过外部CAN总线将数据发给整车，一起接纳整车发过来的信号。

体系中共包括9个丈量模块，它们都经过CAN总线与体系相连，完结分布式丈量。为了同车体其它部分通讯且不搅扰体系内部各模块的通讯，体系选用了另一条独立的CAN总线，这儿咱们叫做外部CAN总线。能够看到，与整车通讯模块在这儿一起是两个CAN网络的节点，起到了网关的效果。模块完好的内部结构图如图3.2。

3.2公共主板的特色：

80C552 80C552单片机是用CMOS工艺制作的80C51系列产品之一，具有和80C51相同的指令体系，80C552能够用TLL电平兼容的存储器或接口电路进行体系扩展。

其特性如下：

• 80C51CPU；
• 8K字节ROM，可扩展至64K字节；
• 具有4个捕捉寄存器和3个比较寄存器的附加16位守时器/计数器；
• 2个规范的16位守时器/计数器；
• 256字节RAM，外部可扩展至64K字节；
• 能发生8路同步守时输出；
• 8路模仿量输入，10为A/D转化器；
• 2路8位分辨率的脉宽调制（PWM）输出；
• 5个8位I/O口，一个和模仿信号共用的8路输进口；
• I²C总线接口；
• 和80C51兼容的全双工异步串行口（UART）；
• 一个监督守时器（Watchdog Timer）；
• 时钟速率12MHz和16MHz；
• 宽的作业温度规模；
• 具有OTP一次编程器材；
• 两种封装办法LCC和QFP；

3.3单电池端电压丈量

单电池端电压是对电池充放电办法挑选、剩下电量核算、运转状况评价和对电池好坏剖析的根本根据之一，因而一个卓有成效的单电池端电压丈量办法是电池组监控和确诊成功的前提条件。可是由于电池组中总电压高、电池数目多和高精度的丈量要求，使得它具有较大的难度。在曾经体系中，电池端电压丈量选用一般光藕TP521，由于它存在许多缺陷，咱们规划了全新的移位电路，鄙人面别离介绍之。

3.3.1曾经体系电池端电压的丈量办法

下图3.3是用TP521光藕进行电池端电压进行阻隔和改换的原理图：

首要的规划思维是，电池电压U_in经过光耦的输入二极管发生电流Ia，这个电流经过光耦的耦合效果发生输出电压U_out。只需恰当地调理光耦的输入二极管的作业点，就能够使得U_in和U_out成正比联系。输出电压U_out作为单片机的A/D转化端口的模仿输入信号，经A/D转化后为0～1023（即10位二进制位）之间的数字量，再经过标度改换，将其转化成电压值。利用在不同输入电压下体系采样得到的采样值经过最小二乘拟合就能够得到电压改换函数。

光藕的线性区域较小，经过很多试验，证明该器材的线性区域为Ia∈[0.2，0.6]，应合理挑选R₁和R₂，确保输入和输出的线性联系。P₁为变阻器，其意图是微调Ia，使得在同一输入电压下每块电池采样板的Ia完全相同，然后确保同一个电池在不同的采样板上进行丈量时能得到相同的成果。R₃和R₄的挑选也应该确保光耦的三极管作业在线性区域。

此丈量办法的最大缺陷是光藕的温漂现象，下表3.1是几节电池在不同温度下的丈量数据：

从上表的数据中可得出：当电池端电压处于作业常用电压规模时，以环境温度22℃为基准，环境温度每上升一度，丈量值受温度的影响约为-0.06伏，温度对丈量的影响是很大的。

为了削减温度对端电压丈量的影响，可采纳以下两种办法：

办法一：温度补偿。详细办法为：将丈量板上一切光耦外表粘上同一根导热性好的金属条，意图是为了各个光耦上的温度共同，再丈量这根金属条上的温度，把这个温度作为温度补偿用的环境温度。单片机在核算端电压时将这个温度与基准温度的差乘上一个补偿系数作为补偿电压。但这要求温度丈量精确，况且不同光藕的温度系数也不同。

办法二：总电压校对。由于总电压是各单电池端电压之和，这样就能够经过丈量总电压与单电池端电压总和之差，将这个差值分摊在每个电池的端电压上，然后到达进步单电池端电压肯定精度的意图。但这也有一个缺陷：单电池丈量电压差错大的电池经总电压校对后，差错将更大。

总归，用曾经丈量单电池电压的办法难以获得高的精度，而且调试难度很大，由于不同批出厂的光藕的特性都不相同。新体系规划时，针对锂电池，规划了全新的电路，丈量功能大大进步。

3.3.2用移位电路完结单电池电压丈量

针对锂离子电池最大电压低于4.2V的特色，咱们规划了下面移位电路图3.4用于单电池电压丈量，此电路用低成本运放LM258和场效应管BSS84及一些辅佐元件组成，在很宽的温度规模内有稳定的增益。

此电路专为锂离子电池规划，对其他电池经过恰当修正电路参数来完结，下面是它的作业原理：设电池组最终一节电池为B₁，最上一节B_n，它们之间串连相接，体系中从B₃到B_n丈量用移位电路，B2的丈量用一个减法器来完结，B1直接送到A/D.现在来剖析Bn节电池的丈量，作业时，Vo↑→Vsg↓→i₁↓→V_RI↓→V₁↑→V_o↓。平衡时，i₁稳定在一个值使得：

在单片机的软件规划上，有一个校准程序来削减初始差错，校准期间，用一个校准电压源替代电池，设此刻的丈量成果为E_Mn，可求得一校准系数

移位电路差错剖析：

尽管校准程序能削减因R₂/R₁带来的差错，但它不能削减温漂带来的差错，设电阻的温度系数是±100ppm，假如温差ΔT=50℃，阻值将相差±0.5%.规划时假如R₁和R₂封装在同一个阻排内，则温度对R₂/R₁的影响可疏忽。

其他的差错来源于运放，如输入漂移电压（Vos）、输入漂移电流（Ios）及他们的温漂。鄙人面的差错剖析中，n能够是移位电路中的任何一节电池，且只考虑Vos带来的差错，对Ios的剖析相同。

单片机用系数α校对丈量成果得

丈量差错ΔV为：

LM258的最大Vos为±5mV，而校准电压E_Bn约为4V，Vos远小于E_Bn，故

E_Bn与V_Bn的差值越大，差错就越大，最大差错发生在V_Bn = 1/2*E_Bn时，此刻V＝0.5* Vos =±2.5mV，实际上，假如电池电压低于2V，锂离子电池已有毛病应当替换，此刻的丈量精度已不重要。

由运放Ios引起的差错剖析同Vos，它的最大差错为±2mV.总归，运放引入的差错总共为±4.5mV.