电动汽车蓄电池组电池管理及其状态检测

意图见图ｌ。该电池管理系统由电池监测系统、ＳＯＣ系统、数据显示系统３部分构成。传感器、电池监控系统和ＳＯＣ系统构成底层系统，数据昆示系统为上层系统，系统之间通过内部ＣＡＮ总线通信。

图１ＢＭＳ结构示意图

Ｆｉｇ．１ＤｉａｇｒａｍｏｆＢＭＳｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

现在国外正在开展基于智能电池模块（ＳＢＭ）的ＢＭＳ研究，即在１个电池模块中装入１个微控制器并集成相关电路，然后封装为一个整体，多个智能电池模块再与１个主控制模块相连，加以其它辅助设备，就构成１个基于智能电池的管理系统。该ＢＭＳ成功实现对每个电池模块的状态监测、模块内电池电量均衡和电池保护等功能。美国Ｍｉｃｒｏｎ公司开发的军用电动车辆ＢＭＳ采用的就是这种结构【４Ｊ。

２蓄电池组工作状态检测方法

电动汽车的蓄电池组通常包含几十块甚至上百块单体电池（铅酸电池一般为８～４８个单体，锂电池或氢镍电池则可能达到几百个单体），通常的工作电压在９０～４００Ｖ之间，工作电流高达几百安。

电池组一般都采用串联方式工作，丁作电流与单体电池是一样的，检测比较容易，而端电压的检测则比较麻烦。若只检测电池组的端电压，方法很简单，只需在电池组的两端接上检测电路即可，但这样做是不行的【５ｌ，因为虽然可以得到总的工作电压，但无法判断具体单体电池的端电压．而只要有一块电池出问题就会影响整组电池的正常工作和性能；另外，对检测电路精度要求高。一个单体电池端电压的正常工作范围比较小。比如１２ｖ铅酸电池的终止电压在ｌＯｖ左右，电压变化范围在２～３Ｖ之间，检测电路只要１０％的精度即可检测出ｌＶ的变化量。若２４块１２Ｖ铅酸电池串联，额定电压是２８８Ｖ，放电终止电压是２４０Ｖ，电压的正常变化范嗣是４８Ｖ，如果一块电池的端电压降至９Ｖ，那么反映在总电压上为２８５Ｖ，只变化了大约１％。可见，检测电路的精度至少要达到ｌ％以上才能检测出几伏电压的变化。而整组电池检测很难发现单体电池的缓慢变化，包括单体电池本身的老化和冈单体电池一致性问题而带来的积累效应。整组检测无法检测电池及电池组实际容量，无法筛选其中已老化的电池。

实用的方法是检测每一个单体电池。但对于串联形成的电池组，要自动检测每个单体电池的端电压所遇到的主要问题是测域参考点的选择以及检测电路与被检测电池组的电隔离问题。电位参考点的选择不仅如上所述影响测量精度，还对测量电路的测量范同提出了很高的要求。而被检测电池组与检测电路的隔离不仅涉及到系统的安全还影响检测电路的复杂度和可实现性。目前采用的主要是分布检测和集中检测两种方法。２．１分布检测法

所谓分布式隔离检测技术，就是将单体电池电压及温度的检测模块化、本地化，然后再通过一定的通讯手段将这些检测模块榆测的数据集中起来．最后统一处理［０３。这样做的目的就是要解决集中检测方法所存在的种种『ｕ】题。原理图见图２。

图２分布检测法原理

Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｄｅｔｅｃｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ分布检测法主要优点是：

（１）连线简单，省去了多路转换开关，性能可靠；

（２）测量精度较高，比较符合汽车电器ＣＡＮ总线化的发展趋势；

（３）分布式模块解决了参考点问题，利用总线通信方式（采用光耦器件）解决了主控机与电池组的隔离问题。

但应用分布式检测技术还必须解决以下几个问题：

（１）由于检测模块直接从被测电池上持续取电，不利于节能和安全；

（２）当电池较多时。模块数量也多，使得成本和复杂度提高，并且要求通信总线有较高的带载能力。

从功能上看，检测模块主要由检测子模块和通信子模块两大部分组成。检测子模块要完成数据的采集和调理任务。而通信子模块则要沟通与主控电路的信息交流，接收主控电路的指令，上传由检测子模块提供的检测数据。

因为汽车电器的发展方向是采用ＣＡＮ总线技术Ｒ，所以，通信子模块与主控电路之间应该采用ＣＡＮ总线连接。

２．２集中检测法

集中检测法（见图３）是用一套检测电路分时检测各个单体电池。检测技术比较直观，为了检测每只电池的电压。需要将每只电池的电压信号引入检测设备（如果蓄电池组由ｎ节单体电池组成，需要引ｎ＋ｌ条检测线），采用多通道切换的技术，即通过开关器件（继电器淝多节单体电池的电压信号切换到同一个差分放大器。经信号处理后用一只Ａ／Ｄ转换器进行采样ＩＳｌ。“开关切换”动态地改变了参考点，保证每次测鼍都是一个单体电池的端电压；而差分输入则保证了电池组与检测电路不供地，虽然没有做到全隔离，但比供地连接要安全。电池温度的检测一般可采用数字或模拟温度传感器，由于测温过程与电池组没有电连接且技术也比较成熟，所以本文不再赘述。另外．因电动

图３集中测量原理

Ｆｉｇ．３Ｄｉａｇｒａｍｏｆｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｄｅｔｅｃｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

汽车要求的电流较大（几十到几百安培）。所以对电池组充放电电流的检测，一般采用非接触式电流传感器或变送器实现。

这种方法主要有以下缺点：

（１）由于需要把蓄电池组的每节电池电压信号引入检测设备，因此，如果引出的导线发生短路或破损将直接影响蓄电池组的安全。

（２）由于引入检测设备的电压信号线较多，且这些信号线必须完全按蓄电池组的电压顺序连接到检测设备上，否则将损坏检测设备．因此，加大了接线难度和复杂度。

（３）引线较长，不但容易引入干扰，而且因为较大的线阻而直接影响测量精度。

２．３集中／分布式检测法

电动汽车电机工作电压较高，一般取３００Ｖ左右。而动力型铅酸电池的电压多为６Ｖ和１２ｖ，锂离子电池、氢镍电池等电压更小（４、１．２ｖ），所以，电池组的电池个数比较多。比如选用１２Ｖ铅酸电池提供２８８Ｖ驱动电压，则需２４块电池。如果为每块电池配一个检测模块，除了增加成本外，系统的可靠性也会下降。另外，如果数量再增加，则ＣＡＮ总线的容量就不够【９】，目前ＣＡＮ总线允许的节点数为１１０个。为此。我们提出“局部集中”、“整体分布”的检测思路，即将全部电池分成若干个小组，每个小组用一个检测模块进行“集中式”检测，整个系统由若干个检测模块通过ＣＡＮ总线连接而成。简言之，集中／分布式检测系统的实质就是检测单元部分模块化、本地化，数据靠总线传输。

集中／分布式检测除了具有前两种方式的优点之外，还有以下主要优点：加强ｒ组建系统的灵活性和扩充性；增加了系统的可靠性；具有较高的性价比【ｌｏ】。

对于铅酸电池，由于其单体电压较高、体积较大、数量较少，所以可给每２个或每４个电池配一个检测模块。而对于像锂电池这类单体电压较低、体积小但数量多的电池组，可将２～８个电池分为一组。图４是集中／分布式检测框图。

为了降低成本、缩小体积、简化电路。电池检测模块应由单片机完成。目前，单片机的发展非常迅速，其功能日益强大，速度越来越快，功耗也越来越低，完全可以满足应用要求。对于本应用而苦，单片机选型的主要条件是：至少有４路ｌＯ位精度以

图４集中，分布式电压检测法

Ｆｉｇ．４Ｖｏｌｔａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｗｉｔｈｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ／ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍｅｔｈｏｄｓ

上的Ａ／Ｄ转换器（因为一块电池至少需要电压和温度２路检测１；带有ＣＡＮ总线控制器。

目前，摩托罗拉、ＡＴＭＥＬ、飞利浦、微芯等公司都先后推出了带有ＣＡＮ总线控制器的单片机产品。经过性能比较，我们认为微芯公司（ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ）的ＰＩＣｌ８系列比较适合用于前端的检测模块。该系列的ＰＩＣｌ８Ｆ２４８／２５８和ＰＩＣｌ８Ｆ２５８５／２６８０都是２８脚双列直插封装，ＰＩＣｌ８Ｆ２４８／２５８带有５路１０位Ａ／Ｄ转换器；ＰＩＣｌ８５８５／２６８０带有８路１０位Ａ／Ｄ转换器，并具有纳瓦电源管理技术使芯片的功耗进一步降低。ＰＩＣｌ８Ｆ２５８５／２６８０还具有在线串行编程技术，允许单片机在嵌置到电路板之后进行编程，为使用提供了极大的方便。

在我们的课题中采用了２４节１２Ｖ铅酸电池，分为三组摆放在车内，两边的行李箱位置各摆放６节电池，尾部行李箱位置摆放１２节电池，２节电池共用一个检测模块，即一个检测模块集中检测２块电池的状态。最后需要说明的是，由于温度传感器与电池没有电接触。所以检测示意图中没有画出温度检测部分，但每个检测模块都有温度检测功能。

为了克服模块从电池上持续取电的问题，我们将所有模块统一供电，由一个总开关控制。这就牵涉到供电回路与电池的隔离问题。为解决该问题，我们采用“桥电容”技术…】。图５是模块内部框图。“桥电容”的工作原理是这样的：ＭＣＵ首先将双刀单掷开关Ｋｌ合上，则电池对电容Ｃ１充电，由于时间常数很小，电容端电压很快达到电池端电压；然后ＭＣＵ断开Ｋ１合上Ｋ２，从Ａ／Ｄ七就ｂｒ采集到Ｃ，的端电压．也就是电池的端电压；最后ＭＣＵ断开Ｋ２。从而完成一次采集任务。另外。当模块不加电时，两组开关是断开的，模块不会从电池取电。可见，这

图５检测模块内部结构

Ｒｇ．５Ｉｎｔｅｍａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇ

ｍｏｄｕｌｅ