汽车技术－Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 电动汽车主从分布式电池管理系统设计★ 张传伟李林阳 （西安科技大学，西安７１００５４） 【摘要】为解决电动汽车动力电池充放电不均衡、性能易受温度影响的问题，设计了一款电池管理系统。整体结构方 面，采用了主从分布式方案。硬件方面，设计了电池电压采集电路、温度采集电路、通信电路以及保护均衡电路；软件方面， 设计了均衡策略、温度控制策略和电池ＳＯＣ估计策略，建立了ＬＡＢＶＩＥＷ的人机交互界面，实时显示电池信息。最后，以磁 粉制动器作为负载，进行了模拟工况实验，结果表明，该系统测量误差小，均衡响应快，ＳＯＣ估计误差小于４．８％。 主题词：电池管理电量监控ＣＡＮ总线ｓｏｃ￣６计 中图分类号：Ｕ４６９．７２文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１７）０５—００４５—０６ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍａｓｔｅｒ——Ｓｌａｖｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｚｈａｎｇ Ｃｈｕａｎｗｅｉ，Ｌｉ Ｌｉｎｙａｎｇ （Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｘｉ’ａｎ ７１００５４） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｈａｔ ｉｓ ｅａｓｉｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａ ｎｅｗ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｎ ｔｅｒｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ—ｓｌａｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｉｎ ｔｅｒｍ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｂａｔｔｅｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ＳＯＣ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ＬＡＢＶＩＥＷ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｒａｋｅ ｉｓ ｓｅｒｖｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｍａｌｌ，ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｆａｓｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ＳＯＣ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ４．８％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｎｉｔｏｒ，ＣＡＮ ｂｕｓ，ＳＯＣ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ 一１前言 款电池均衡管理系统，可以实现单体电池的均衡和控 动力电池是电动汽车的能量来源，同时也是电动汽 制。这些研究表明，在实际情况下，充分考虑电压均衡、 车驱动系统重要组成部分，其性能的好坏将决定电动汽 温度调节、ＳＯＣ估计以及安全保护等问题是提高管理系 车性能的优劣ｎ 。由于单体电池生产工艺的差异，产 统综合眭能的关键。基于此，本文开发了一款主从分布 品一致性很难得到保障；另外，电池工作温度过高或过 式电池管理系统，并通过试验验证了该系统数据采集的 低也会影响电池的整体性［４１，因此电池管理系统的开 精确性和稳定性。 发一直是国内外学者研究的热点圈。如，陶银鹏 开发 ２电池管理系统整体结构方案 了一款分布式的电池管理系统，可以采集电池的基本信 所开发的电池管理系统整体结构采用了主从分布 息并进行电池ＳＯＣ估计及修正等；清华大学李哲等人 式的设计方案，其中主控板的主控芯片采用ＴＩ公司的 针对电池热管理，研究了动力电池在不同温度下的电池 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片；从控板的主控芯片采用飞思卡 容量、内阻和开路电压的关系；Ｓｔｕａｒｔ Ｔ Ａ等人嘲设计了 尔８位芯片Ｍｃ９０ｓ０８Ｄｚ６０ 。芯片之间的通信采用 ｝基金项目：陕西省教育厅科学研究项目（１１ＪＫ０８６９）、高等学校博士学科点专项基金项目（２０１２６１２１１２０００５）。 ２０１７年第５期 一４５— 张传伟，等：电动汽车主从分布式电池管理系统设计 ＣＡＮ总线，上位机采用ＰＣ建立的ＬＡＢＶＩＥＷ界面，实时 接收下位机反馈的电池信息，调节相应的电压和温度参 数。主从分布式电池管理系统的整体结构方案如图１ 所示。 整车 控制器 电压、 ｝ ｌＩ １２串单体 电池 篇 温度 ｌ电源Ｉｌ最小化Ｉ ｌ寿 Ｉｉ Ｌ——— —一 ＿一 ： 、 １２串电单池 体 一 Ｌ『由由 ＪＩ Ｉ 由 图１主从分布式电池管理系统整体结构方案 由图１可看出，每个从控板主要完成１２个单体电池 的电压和温度信息的采集、单体电量均衡控制以及温 度调节信号反馈等任务；主控板主要完成数据接收、 ＳＯＣ估计、控制相应的外围驱动模块和实现人机交互 等任务。 ３电池管理系统硬件设计 电池管理系统的硬件主要包括电压采集电路、温度 采集电路、单体电压均衡电路、供电电路、高压保护电路 和通信电路等。其中，电压、温度的采集电路、均衡电 路、供电模块和通信电路是设计的核心。 ３．１单体电池电压采集和均衡电路模块 采用凌力尔特科技公司生产的电池管理专用芯片 ＬＴＣ６８０４采集单体电池的电压信息，该芯片支持最多１２ 节电池的电压监控和均衡，其对应的电压采集均衡电路 如图２所示。１２个单体电池工作时，电压采集线接通每 个单体电池的正极，然后经过ＲＣ滤波回路传人 ＬＴＣ６８０４芯片的端口（ｃ１，ｃ２……Ｃ１２）；ＬＴＣ６８０４芯片通 过ＳＰＩ通信和隔离模块将信息反馈到ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０； ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０根据采集到的电压信息判断是否需要采 取均衡，若需要均衡则控制ＬＴＣ６８０４芯片的端口（ｓ１， Ｓ２……Ｓ１２）导通，从而控制ＭＯＳ管开启，启动均衡电 路，将电量过高的单体电池的多余电量通过电阻消耗 掉，同时均衡电路ＬＥＤ灯点亮，指示该路均衡正在进 行。均衡完成后，控制ＭＯＳ管关闭，断开相应均衡电路。 ３．２温度采集电路的设计 采用ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器采集单体电池的温度，这 ——４６—． 种传感器最多支持８个ＤＳ１８Ｂ２０串联在一起使用 】。 将ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器以６个为一组，分两组分别附着 在每个单体电池的表面，以精确采集每个电池的温度信 息。为解决温度传感器组两路５ Ｖ供电的问题，采用了 ＰＲＴＲ５ＶＯＵ２Ｘ转换器为其提供电压输人，温度采集电 路如图３所示。 图２单体电池电压采集均衡电路 图３温度采集电路 图３中，采集的温度信号经两路输出线分别与 ＭＣ９０ＳＯ８ＤＺ６０的ＰＴＤ２、ＰＴＤ３口连接，ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０分 时接收温度传感器采集的温度信号。 ３．３电源模块设计 电池管理系统需要供电的电压类型分别为：主控芯 片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的供电电压３．３ Ｖ，温度传感器组、 ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０、ＣＡＮ通信芯片ｒｒＪＡ１０４０的供电电压５ ｖ， 人机交互触摸屏供电电压２４ Ｖ，霍尔电流传感器供电 电压＋１５ Ｖ，电压采集芯片ＬＴＣ６８０４的供电电压４０ ｖ。 为了解决多种稳定输出电压问题，同时为了消除 ＬＴＣ６８０４芯片本身的电量消耗造成的电池组容量失衡 问题，采用了外部供电的方案，如图４所示。 由图４可看出，车载辅助电源提供１２ ｖ直流稳定电 压输入，经由５个电源转换电路模块为电池管理系统的 ７个核心部件供电。 由于ＬＴＣ６８０４芯片需要的供电电压为１１～７５ Ｖ，当 监控单体电池数量较多时，需要为其提供４０ ｖ左右的 汽车技术 张传伟，等：电动汽车主从分布式电池管理系统设计 小于温度下限（０℃）时，同理，ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０将温度过 低信号发送到主控ＭＣＵ中，主控ＭＣＵ将信息反馈到整 根据采集的信号进行信息匹配，开启ＳＯＣ估计子程序估 算此时的ＳＯＣ值并写入寄存器中；最后通过ＲＳ２３２接口 车控制器，控制车载空调的热通管道与单体电池的通风 管路连接，从而升高电池温度，当温度达到合理温度范 围的中值时断开管路连接。最终，温度信息通过 ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０反馈到ＣＡＮ总线，主控板上的数据采集 程序或无线模块通信程序实现上、下位机间的数据传输 与通信。 模块再从ＣＡＮ总线上获取对应信息。 图１０从控板主程序 图１１电压均衡控制策略流程 ４．２主控板程序设计 电池管理系统主控板程序如图ｌ３所示，其执行过 程为：系统上电并进行初始化，检测系统是否存在故障； 初始化完毕后主程序开始运行；通过ＩＯ口接收电流信 号，通过ＣＡＮ总线接收从控板采集的电压、温度信号； ——４８—． 图１２温度调节子程序 开始 初始化系统上电 采集从控单元反馈的 故障自检 电压信息 采集从控单元反馈的 温度信息 是否允许信息采 ———— Ｌ——一 匹配电压、电流、温度信息 采集霍尔传感器反馈 的电流信息 集信息是否异常 ＼／ 麴． 反馈电压、温度、电流 莉 ＳＯＣ等信息给上位机 ，＿—ｊ｜堑皇登ｌ＿一、 中断进程、 ） 结束 图１３主控板主程序 采用ＢＰ神经网络法Ｉｔ２］估计ＳＯＣ值，ＳＯＣ估计程序 如图１４所示。 ５试验及分析 本文所研究对象为电动汽车用磷酸铁锂电池，单体 电池额定电压为３．２ Ｖ，容量为２０ Ａ・ｈ，成组方式是２４ 串４并。为了验证所设计电池管理系统对电池信息的 检测和ＳＯＣ估计的准确性，以接人电池管理系统的锂离 子电池组作为供电电源，采用磁粉制动器作为负载来模 汽车技术 张传伟，等：电动汽车主从分布式电池管理系统设计 拟电动汽车平稳运行的工况，采用ＬＡＢＶＩＥＷ建立的人 机交互界面来监控电池状态信息。 集满足要求。 表１单体电池电压偏差对比 采样电 电池管理系统测量 标准表测量电 测量偏差 池序号 电压，Ｖ 压，Ｖ ／ｍＶ １ ３．２９３ ３．２９１ Ｏ ２．０ 导人电压、电流、温度信息到三层ＢＰ 神经网络模型 ２ ３．２８５ ３－２８１ ０ ４．０ ３ ４ ３．２９８ ３．２８９ ３．３０７ ２ ３．２８６０ －９．２ ３．Ｏ ５ ６ ７ ８ 输出估计ＳＯＣ 值 －●＿。－＿－－●●。＿－－－－－ ３．２８４ ３．２８４ ３．２９９ ３．２９８ ３．３００ ３．２８９ ３．２９６ ３．２９２ ３．２７９ ５ ３．２８３ ０ ３．３０４０ ３．３０２０ ３．２９８ ０ ３．２８０１ ３．２９００ ３．２９００ ４．５ １．０ －５．Ｏ —４．０ ２．０ ８．９ ６．０ ２．０ ９ １０ ．．．．．．．．． Ｉ ．．一 结束 １１ １２ 图１４ ＳＯＣ估计子程序 为了检测电池管理系统电压采集的精度，以电池组 ＳＯＣ在７５％时为例，将上位机反馈的第一模组的１２个电 池电压信息与标准表测得的电压信息进行对比，结果如 图ｌ５和表１所示。由图１５和表１可知，系统反馈的电 压值与标准表测试的电压值基本一致，误差范围为± １０ｍＶ。 图ｌ６单体电池温度检测结果对比曲线 表２单体电池温度检测结果对比 ℃ 恒温箱环 恒温箱检测的电 电池管理系统测量的电 测量 境温度 池表面温度 池表面温度 偏差 －２０ —１８．３６５ —１３．３６５ ５．０００ —１０ ０ １０ —１１．２２８ —３．２０７ １５．００８ －６．４４８ 一Ｏ．１０７ １７．００８ ４．７８０ ３．１００ ２．０００ 图１５单体电池电压对比曲线 ２０ ３０ ４０ ３０．０２０ ４１．８８０ ５０．０ｏ０ ２８．３７０ ４２．３６０ ５１．３５０ —１．６５０ ０．４８０ １．３５０ 为了检测电池管理系统的温度测量精度，采用温 度可调的恒温箱进行对比测试，测试温度为一２０～ ７０℃，将恒温箱的测量结果与电池管理系统监测的温 ５０ ６０ ７０ ５８．０１２ ６５．１２Ｏ ８３．２５１ ５８．４９２ ６３．４７０ ８２．９９５ ０．４８０ —１．６５０ －０．２５６ 度进行对比，其中１个单体电池温度对比结果如图 １６和表２所示。 由图１６和表２可知，在０～７０℃温度下，采样误差 控制在±３℃内，温度为一２０～０℃时出现较大偏差。 此偏差对电动汽车电池管理系统影响不大，因为电 池管理系统实际运行过程中，其内置的热管理程序 为了检验电池管理系统ＳＯＣ估计误差，利用电池组 驱动电机带动磁粉制动器旋转，调节磁粉制动器的转 矩，使电池以１／４Ｃ的电流进行放电；电池管理系统采集 电池从满电状态放电到无电状态过程中的电压、电流、 温度信息，估算出相应的ＳＯＣ值。从这些信息中按时间 —．可以与电动汽车调温装置配合使用，使电池温度保 持在合理范围内（１０～２５℃），因而该管理系统温度采 ２０１７年第５期 ４９—． 张传伟，等：电动汽车主从分布式电池管理系统设计 节点抽取１５０个样本，在相同的电压、电流、温度条件 下，比较电池的理论ＳＯＣ值与电池管理系统估计ＳＯＣ 值，结果如图１７所示。 由图１７可看出，该电池管理系统的ＳＯＣ估计误差 小于４．８％，满足我国对于电池管理系统ＳＯＣ估计误差 绝对值小于５％的要求。 时间样本 （ａ）ｓｏｃ值 ５ ４ ３ 逞２ ｊ４ｌｌｊ １ —１ —２ —３ Ｏ ５Ｏ ｌ０ｏ １５０ 时间样本 （ｂ）误差 图１７理论ＳＯＣ值与估计ＳＯＣ值对比曲线 ６结束语 为解决电动汽车动力电池充放电不均衡、性能易受 温度影响的问题，设计了电动汽车主从分布式电池管理 系统。该系统搭载了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ与 ＭＣ９０Ｓ０８ＤＺ６０的主从分布式框架，扩展性更强，灵活性 高；并充分考虑了均衡、热管理、ＳＯＣ估计等关键问题， 一５０一 配套了相应的均衡控制策略、温度控制策略和ＳＯＣ估算 策略。试验结果表明，管理系统软硬件平台兼容性好， 电压采集偏差控制在１０ ｍＶ以下，温度采集偏差控制 在±３℃以内，ＳＯＣ估算精度控制在４．８％以内，满足了我 国行业标准要求。 参考文献 １符兴锋，周斯加，龙江启．电动汽车动力电池安全管理研 究及验证．汽车技术，２０１３（９）：４０—４４． ２安志胜，孙志毅，何秋生．车用锂离子电池管理系统综述． 电源技术，２０１３，１３７（６）：１０６９～１０７１． ３卢兰光，李建秋，华剑锋，等．电动汽车锂离子电池管理系 统的关键技术．科技导报，２０１６，３４（６）：３９～４８． ４ Ａｍｉｎｅ Ｋ，Ｌｉｕ Ｊ，Ｂｅｌｈａｒｏｕａｋ Ｉ．Ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｃｙｃｌｉｎｇ ｏｆ Ｃ—ＬｉＦｅＰ０４ ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｌｉ－ｉｏｎ ｃｅｌｌｓ．Ｅｌｅｅ—ｔｒｏ— ｃｈｅｍｉｓｔ￣Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５。７（７）：６６９－６７３． ５廖晓军，何丽萍，钟志华，等．电池管理系统国内外现状及 其未来发展趋势．汽车工程，２００６，２８（１０）：９６１ ９６４． ６陶银鹏．纯电动汽车分布式电池管理系统的设计与实现． 汽车技术，２０１３（１ １）：５９～６２． ７李哲，韩雪冰，卢兰光，等．动力型磷酸铁锂电池的温度特 性．机械工程学报，２０１ １ ４７（１８）：１ １５～１２０． ８ Ｓｔｕａｒｔ Ｔ Ａ，Ｚｈｕ Ｗｅ．Ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ｂａｋｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｃｅｌｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２０１ １，１９６ （１ＳＩ）：４５８～４６４． ９蒋源，杜晓伟，齐铂金．基于Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ单片机的电池管理 系统设计．现代电子技术，２０１ １，３４（１）：１６４—１６６． １０吴志红，吴庚泽，朱元，等．基于ＸＣ１６４ＣＳ单片机的混合 动力汽车电池管理系统硬件设计．汽车技术 ２００９（４）： １５～ｌ８． １ 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