電動汽車蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測

摘要：電動汽車蓄電池組的工作狀態(tài)主要指各電池在工作時(shí)的端電壓、工作電流和溫度5個(gè)參數(shù)的變化情況。對電池工作狀態(tài)的檢測通常有集中式檢測法和分布式檢測法，采用“部分”集中、 “整體”分布的思路，將電池分成若干分組，每個(gè)分組集中檢測，各分組分布檢測，同時(shí)，采用“橋電容”技術(shù)解決了蓄電池組單體端電壓檢測中存在的參考點(diǎn)選擇和被測電池與檢測設(shè)備隔離的問題，形成了一種具有完全隔離功能的集中／分布式檢測法。經(jīng)過試驗(yàn)，該檢測法電壓、電流和溫度采集功能正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。
關(guān)鍵詞：電動汽車；汽車工程；電池；集中／分布檢測

0 引言
??? 蓄電池技術(shù)是下一代汽車——電動汽車的核心技術(shù)之一。蓄電池是復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，國內(nèi)外對電池管理技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究，取得了許多成果。一般認(rèn)為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集(包括溫度、電壓、電流等)；電池荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)的準(zhǔn)確估計(jì)；不健康電池的早期診斷；對電池組安全運(yùn)行全面監(jiān)控，如防止電池的過充電和過放電等等。
??? 由于電動汽車蓄電池組通常是由幾十個(gè)(上百個(gè))單體電池組成，所以，每一個(gè)單體電池的工作狀態(tài)正常與否不僅反映電池組性能的好壞，而且影響電池組的容量及剩余能量。實(shí)踐表明，在電動汽車運(yùn)行過程中，如不及時(shí)檢測，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個(gè)電池組的高效安全運(yùn)行。
??? 電池工作狀態(tài)的檢測由電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)完成，而電池管理系統(tǒng)的其他功能(包括剩余能量的計(jì)算)都是建立在電池工作狀態(tài)檢測的基礎(chǔ)之上的，研究蓄電池組工作狀態(tài)檢測方法對電動汽車的發(fā)展具有非常重要的意義。

l BMS的基本結(jié)構(gòu)
??? 湖南大學(xué)研發(fā)的電動汽車(EV一3號)采用的BMS結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該BMS由電池監(jiān)測系統(tǒng)、電池核電狀態(tài)、(SOC)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)3部分構(gòu)成。傳感器、電池監(jiān)控系統(tǒng)和SOC系統(tǒng)構(gòu)成底層系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)為上層系統(tǒng)，系統(tǒng)之間通過內(nèi)部CAN總線通信。

2 蓄電池組工作狀態(tài)檢測方法
??? 電動汽車蓄電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的，檢測比較容易，而端電壓的檢測則比較麻煩。若只檢測電池組的端電壓，方法很簡單，只需在電池組的兩端接上檢測電路即可，但這樣做是不行的，因?yàn)殡m然可以得到總的工作電壓，但無法判斷具體單體電池的端電壓，而只要有一塊電池出問題就會影響整組電池的正常工作和性能；另外，對檢測電路精度要求高。一個(gè)單體電池端電壓的正常工作范圍比較小，比如12V鉛酸電池的終止電壓在10V左右，電壓變化范圍在2～3V之間，檢測電路只要10％的精度即可檢測出1V的變化量。若24塊12V鉛酸電池串聯(lián)，額定電壓是288V，放電終止電壓是240V，電壓的正常變化范圍是48V，如果一塊電池的端電壓降至9V，那么反映在總電壓上為285V，只變化了大約1％。可見，檢測電路的精度至少要達(dá)到1％以上才能檢測出幾伏電壓的變化。而整組電池檢測很難發(fā)現(xiàn)單體電池的緩慢變化，包括單體電池本身的老化和因單體電池一致性問題而帶來的積累效應(yīng)。整組檢測無法檢測電池及電池組實(shí)際容量，無法篩選其中已老化的電池。
??? 實(shí)用的方法是檢測每一個(gè)單體電池。但對于串聯(lián)形成的電池組，要自動檢測每個(gè)單體電池的端電壓所遇到的主要問題是測量參考點(diǎn)的選擇以及檢測電路與被檢測電池組的電隔離問題。電位參考點(diǎn)的選擇不僅如上所述影響測量精度，還對測量電路的測量范圍提出了很高的要求。而被檢測電池組與檢測電路的隔離不僅涉及到系統(tǒng)的安全還影響檢測電路的復(fù)雜度和可實(shí)現(xiàn)性。目前采用的主要是分布檢測和集中檢測兩種方法。
??? 1)分布檢測法
??? 所謂分布式隔離檢測技術(shù)，就是將單體電池電壓及溫度的檢測模塊化、本地化，然后再通過一定的通訊手段將這些檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)集中起來，最后統(tǒng)一處理。這樣做的目的就是要解決集中檢測方法所存在的種種問題。原理圖見圖2。

??? 其主要優(yōu)點(diǎn)是：
??? (1)連線簡單，省去了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，性能可靠。
??? (2)測量精度較高，比較符合汽車電器CAN總線化的發(fā)展趨勢。
??? (3)分布式模塊解決了參考點(diǎn)問題，利用總線通信方式(采用光耦器件)解決了主控機(jī)與電池組的隔離問題。
??? 但應(yīng)用分布式檢測技術(shù)還必須解決以下幾個(gè)問題：
??? (1)由于檢測模塊直接從被測電池上持續(xù)取電，不利于節(jié)能和安全。
??? (2)當(dāng)電池較多時(shí)，模塊數(shù)量也多，使得成本和復(fù)雜度提高，并且要求通信總線有較高的帶載能力。
??? 從功能上看，檢測模塊主要由檢測子模塊和通信子模塊兩大部分組成。檢測子模塊要完成數(shù)據(jù)的采集和調(diào)理任務(wù)，而通信子模塊則要溝通與主控電路的信息交流，接收主控電路的指令，上傳由檢測子模塊提供的檢測數(shù)據(jù)。
??? 因?yàn)槠囯娖鞯陌l(fā)展方向是采用CAN總線技術(shù)，所以，通信子模塊與主控電路之間應(yīng)該采用CAN總線連接。

?2)集中檢測法
??? 集中檢測法(見圖3)是用一套檢測電路分時(shí)檢測各個(gè)單體電池。檢測技術(shù)比較直觀，為了檢測每只電池的電壓，需要將每只電池的電壓信號引入檢測設(shè)備(如果蓄電池組由n節(jié)單體電池組成，需要引n+1條檢測線)，采用多通道切換的技術(shù)，即通過開關(guān)器件(繼電器)把多節(jié)單體電池的電壓信號切換到同一個(gè)差分放大器，經(jīng)信號處理后用一只A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。 “開關(guān)切換”動態(tài)地改變了參考點(diǎn)，保證每次測量都是一個(gè)單體電池的端電壓；而差分輸入則保證了電池組與檢測電路不共地，雖然沒有做到全隔離，但比共地連接要安全。電池溫度的檢測一般可采用數(shù)字或模擬溫度傳感器，由于測溫過程與電池組沒有電連接且技術(shù)也比較成熟，所以本文不再贅述。另外，因電動汽車要求的電流較大(幾十到幾百安)，所以對電池組充放電電流的檢測，一般采用非接觸式電流傳感器或變送器實(shí)現(xiàn)。
??? 這種方法主要缺點(diǎn)是信號線較多，增大了接線的難度和復(fù)雜度，影響測試精度，降低了可靠性。
??? 3)集中／分布式檢測法
??? 為克服分布檢測法和集中檢測法的缺點(diǎn)，我們提出“局部集中”、“整體分布”的檢測思路，即將全部電池分成若干個(gè)小組，每個(gè)小組用一個(gè)檢測模塊進(jìn)行“集中式”檢測，整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)檢測模塊通過CAN總線連接而成。簡言之，集中／分布式檢測系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是檢測單元部分模塊化、本地化，數(shù)據(jù)靠總線傳輸。集中／分布式檢測除了具有前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)之外，還有以下主要優(yōu)點(diǎn)：加強(qiáng)了組建系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)充性；增加了系統(tǒng)的可靠性；具有較高的性價(jià)比。
??? 對于鉛酸電池，由于其單體電壓較高、體積較大、數(shù)量較少，所以可給每2個(gè)或每4個(gè)電池配一個(gè)檢測模塊。而對于像鋰電池這類單體電壓較低、體積小但數(shù)量多的電池組，可將2～8個(gè)電池分為一組。圖4是集中／分布式檢測框圖。
??? 為了降低成本、縮小體積、簡化電路，電池檢測模塊應(yīng)由單片機(jī)完成。單片機(jī)選型的主要條件是：至少有4路10位精度以上的A／D轉(zhuǎn)換器(因?yàn)橐粔K電池至少需要電壓和溫度2路檢測)；帶有CAN總線控制器。

??? 我們選用微芯公司(MICROCHIP)的PICl8系列用于前端的檢測模塊。該系列的PICl8F248／258和PIC18F2585／2680都是28腳雙列直插封裝，PIC18F248／2587蒂有5路10位A／D轉(zhuǎn)換器；PICl8585／26801帶有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，并具有納瓦電源管理技術(shù)使芯片的功耗進(jìn)一步降低。PICl8F2585／2680還具有在線串行編程技術(shù)，允許單片機(jī)在嵌置到電路板之后進(jìn)行編程，為使用提供了極大的方便。
??? 在我們的課題中采用了24節(jié)12V鉛酸電池，分為三組擺放在車內(nèi)，兩邊的行李箱位置各擺放6節(jié)電池，尾部行李箱位置擺放12節(jié)電池，2節(jié)電池共用一個(gè)檢測模塊，即一個(gè)檢測模塊集中檢測2塊電池的狀態(tài)。最后需要說明的是，由于溫度傳感器與電池沒有電接觸，所以檢測示意圖中沒有畫出溫度檢測部分，但每個(gè)檢測模塊都有溫度檢測功能。
??? 為了克服模塊從電池上持續(xù)取電的問題，我們將所有模塊統(tǒng)一供電，由一個(gè)總開關(guān)控制。這就牽涉到供電回路與電池的隔離問題。為解決該問題，我們采用“橋電容”技術(shù)。圖5是模塊內(nèi)部框圖。“橋電容”的工作原理是這樣的：MCU首先將雙刀單擲開關(guān)K1合上，則電池對電容C1充電，由于時(shí)間常數(shù)很小，電容端電壓很快達(dá)到電池端電壓；然后MCU斷開K1合上K2，從A／D上就可采集到C1的端電壓，也就是電池的端電壓；最后MCU斷開K2。從而完成一次采集任務(wù)。另外，當(dāng)模塊不加電時(shí)，兩組開關(guān)是斷開的，模塊不會從電池取電。可見，這種方式不但解決了參考點(diǎn)問題，而且完全隔離了電池與檢測電路，其主要缺點(diǎn)是每個(gè)模塊增加了兩組可控開關(guān)。可控開關(guān)選用光耦繼電器AQW212。模塊的成本在200元左右，非常適合電動車輛的使用。各檢測模塊將數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給主控機(jī)。由主控機(jī)進(jìn)行處理并顯示出來，供駕駛員參考。

3 結(jié)束語
??? (1)采用集中／分布式檢測方法對蓄電池組參數(shù)進(jìn)行檢測，較好地克服了集中式和分布式檢測方法存在的問題，更適合電動汽車電池組的檢測。
??? (2)利用“橋電容”技術(shù)傳遞所采集的蓄電池電壓信號，可有效地解決蓄電池和檢測電路間的隔離問題。
??? (3)通過在24塊12V鉛酸電池組上的試驗(yàn)，由12個(gè)檢測模塊和1個(gè)主控機(jī)構(gòu)成的集中／分布式檢測系統(tǒng)工作正常，電壓、電流和溫度的檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，表明集中／分布式檢測方法切實(shí)可行，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。