摘 要： 動(dòng)力電池管理是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的節(jié)能與環(huán)保目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，重點(diǎn)研究動(dòng)力電池電容量實(shí)時(shí)計(jì)量方法和電池均衡充放電控制方法。提出基于電功率的電池組充放電均衡控制策略，以HEV動(dòng)力電池組為對(duì)象，研制了基于電功率的動(dòng)力電池均衡控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；均衡控制策略
HEV動(dòng)力蓄電池的管理一直是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車HEV發(fā)展過程中的一個(gè)非常關(guān)鍵的問題[1]。有效的電池管理系統(tǒng)在提高蓄電池壽命的同時(shí)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地估計(jì)蓄電池的剩余容量，當(dāng)電池出現(xiàn)不一致性時(shí)對(duì)電池進(jìn)行均衡控制，保護(hù)蓄電池。現(xiàn)有電池均衡控制方案大多以電壓均衡作為標(biāo)準(zhǔn)，低電壓電池的充電電流變大些，高電壓電池的充電電流變小些。以電壓的差異來衡量電池容量進(jìn)行均衡控制，在一定范圍內(nèi)能起到均衡的效果，但實(shí)際情況中，由于單個(gè)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，在放電過程中，各單個(gè)電池表現(xiàn)出的電壓方差值可能不同，方差大的電池電壓可能小，但剩余容量卻大，以電壓一致為均衡目標(biāo)的系統(tǒng)不但沒起到均衡作用，還造成不一致性現(xiàn)象加重。因此本論文提出基于電功率K值作為衡量電池差異的方法。
1 基于電功率的電池組均衡充放電控制策略
電池組充放點(diǎn)均衡控制原理示意圖如圖1所示。電池組由E1，E2……En 串聯(lián)而成，電池組通過逆變器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電，發(fā)電機(jī)G電壓通過AC/DC轉(zhuǎn)換后，可向電池組充電，Kc為控制充電開關(guān)，DC/DC模塊由電池組或者發(fā)電機(jī)提供能量，其輸出電壓為單體電池電壓，對(duì)均衡器進(jìn)行供電，均衡器由電池管理模塊控制，能控制對(duì)單體電池均衡的能量值。
電池管理模塊采集單體電池電壓，電池組電流，溫度值，計(jì)算出單體電池的電功率K值，并計(jì)算不均衡度，當(dāng)檢查到有某個(gè)電池Ei容量較低后，電池管理模塊計(jì)算出相應(yīng)的均衡力度，通過控制輸出開關(guān)量Ki的占空比，調(diào)節(jié)均衡器對(duì)電池的均衡力度。
2 電池均衡控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
基于功能和成本考慮，電池單元模塊采用AT89S51系列單片機(jī)，電池組管理系統(tǒng)采用AT89S8053系列單片機(jī)。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4 KB Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WDT)[2]電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。
通過寄存器WMCON可以方便設(shè)置看門狗時(shí)鐘周期(16~2 048 ms)，以及對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫操作。
2.1 時(shí)鐘電路及復(fù)位電路
電池管理單元的時(shí)鐘頻率采用11.059 MHz晶振，AT89S51的時(shí)鐘周期為90 ns。復(fù)位方式為上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。電路圖如圖2所示。
2．2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
對(duì)電池管理系統(tǒng)來說，電壓的精確采集直接影響多電池組均衡控制的效果，因?yàn)殡姵囟穗妷合陆抵翟趲追笥遥一陔姽β实木饪刂撇呗裕枰紤]電池間微小電壓的影響，因此對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器[3]的精度要求較高。本系統(tǒng)采用8位的ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器
A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。其中74LS74對(duì)來自51 ALE引腳的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行2分頻后，作為ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)。
采集第i路信號(hào)時(shí)，地址為iD，本系統(tǒng)采用查詢法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行讀取。
2.3 I/O電路設(shè)計(jì)
電池管理系統(tǒng)通過開關(guān)量輸出，控制均衡器的工作狀態(tài)，當(dāng)輸出1時(shí)，均衡器的功率MOSFET接通，均衡電路工作，當(dāng)輸出0時(shí)，均衡器停止工作。
均衡器工作電流較大，因此需要增加光電隔離電路，以免對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。
I/O輸出電路如圖4所示，系統(tǒng)選用8位同相芯片74LS374作為驅(qū)動(dòng)芯片，采用TP521作為光耦隔離電路，通過對(duì)74LS374不同位寫1或者0，可以控制8位12V電壓開關(guān)量的輸出。
2.4 CAN通信電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用CAN總線系統(tǒng)[4]智能節(jié)點(diǎn)方式，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN總線驅(qū)動(dòng)器采用82C250，光耦隔離電路采用高速光電耦合器6N137。以80C51單片機(jī)作為CAN總線網(wǎng)路通信的節(jié)點(diǎn)的微處理器，采用SJA1000作為CAN控制器，PCA82C250作為CAN收發(fā)器和物理總線的接口，通過6N137高速光耦實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。另外在兩根CAN總線輸入端和地之間分別接了一個(gè)防雷擊管，防止在兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，放電起到一定的保護(hù)作用。82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻，電阻的大小可以根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140 kΩ之間。系統(tǒng)選用47 kΩ斜率電阻，如圖5所示。
2.5 RS232串口通信電路設(shè)計(jì)
工業(yè)設(shè)備通信通常希望執(zhí)行簡(jiǎn)單的串行命令，并希望這些命令同個(gè)人計(jì)算機(jī)或者附加的串行端口板上的標(biāo)準(zhǔn)串行端口兼容。RS-232是目前PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。電路圖如圖6所示。
2.6 電壓信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
輸入通道的結(jié)構(gòu)框圖如圖7。
對(duì)于電池單元模塊，需要采集6個(gè)電池的電壓信號(hào)，因?yàn)殡姵仉妷褐荡笥?0伏，而ADC0809的輸入電壓范圍為0到5伏，因此需要對(duì)輸入電壓進(jìn)行變換，本系統(tǒng)采用差動(dòng)輸入的方式，選用的運(yùn)放為L(zhǎng)M324。如圖8所示。
3 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)匯編語言的控制算法程序。程序利用Keil uvision2平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試。
電池管理系統(tǒng)的整體流程如圖9所示。在上電后，首先進(jìn)行看門狗時(shí)鐘設(shè)置，這樣能大大提高整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力。
在系統(tǒng)初始化后，讀取存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中電池組信息。該段信息包括上一次斷電后電池組剩余容量狀態(tài)，電池組不均衡信息等，通過8253的非易失性EEPROM保存。
電池管理系統(tǒng)的主程序包括5個(gè)子程序：
(1)電池狀態(tài)采集子程序
負(fù)責(zé)對(duì)電池組中單個(gè)電池的電壓，電流溫度等狀態(tài)量進(jìn)行采集，并進(jìn)行中值濾波，剔除采集通道受干擾得到的奇異值。
(2)電池剩余容量計(jì)算子程序
電池剩余容量計(jì)算子程序負(fù)責(zé)計(jì)算每個(gè)電池的剩余容量，并且為均衡控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。
(3)電池不均衡度計(jì)算子程序
通過判斷電池組中各電池輸出的電功率，判斷電池組的不均衡性，如果電池組出現(xiàn)預(yù)定的不均衡狀態(tài)，程序返回不均衡電池的標(biāo)號(hào)值，不均衡度值，由之后的控制輸出程序控制均衡器工作。
(4)通信子程序
包括CAN總線收發(fā)和RS232通信兩部分。CAN總線收發(fā)程序負(fù)責(zé)電池管理系統(tǒng)與多能源控制器間的信息交換，RS232負(fù)責(zé)電池管理系統(tǒng)與PC機(jī)的信息交換。
(5)顯示子程序
通過數(shù)碼管顯示電池剩余容量和均衡控制器工作狀態(tài)。
論文設(shè)計(jì)了基于電功率的均衡充放電控制模塊，確定了單片機(jī)算法的實(shí)現(xiàn)方法；研制了有一定的準(zhǔn)確性和可靠性又比較簡(jiǎn)單的動(dòng)力電池均衡控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池剩余容量判斷模型的理論研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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