纯电动汽车电池管理系统的设计及应用

ｌ电弛管理系统分析
１．１系统结构 在纯电动汽车中将动力电池分组串并联形成整 车高压电源为整车提供动力源，如由北京理工大学 和北方客车厂联合研制开发的电动客车 ＢＦｃ６１１０ＥＶ共使用了３０６块锂离子电池，将３块电
围ｌ电池管理系统结构及在车上布置情况示意圉
１．２系统功能分析 电池管理系统应具有如下功能： １）参数检测。实时采集电池充放电状态。采集 的数据有电池总电压、电池总电流、每包电池测点温 度以及单体模块电池电压等；２）剩余电量（ｓＯｃ）估 计。电池剩余能量相当于传统车的油量。为了让司 机及时了解ｓＯｃ，系统应即时采集充放电电流、电 压等参数，通过相应的算法进行ｓＯｃ的估计；３）充 放电控制。根据电池的荷电状态控制对电池的充放 电。若某个参数超标，如单体电池电压过高或过低， 为保证电池组的正常使用及性能的发挥。系统将切 断继电器，停止电池的能量供给；４）热管理。实时 采集每包电池测点温度，通过对散热风扇的控制防 止电池温度过高｝５）均衡控制。由于每块电池个体 的差异以及使用状态的不同等原因，因此电池在使 用过程中不一致性会越来越严重。系统应能判断并 自动进行均衡处理；６）故障诊断。通过对电池参数 的采集，系统具有预测电池性能、故障诊断和提前报 警等功能Ｉ ７）信息监控。电池的主要信息在车载显 示终端进行实时显示；８）参数标定。由于不同的车 型使用的电池类型、数量、电池包大小和数量不同， 因此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池 模式等信息标定的功能。电池管理系统通过Ｒｓ２３２
９１１．７２；ｕ ２７０．１
文献标识码：Ａ
文章编号：ｌＯＯＯ—００５４（ｚ００７）Ｓ２一１８３１一０４
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＶｅｈｉｃＩｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
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圉３中央控制器主程序流程围
万方数据
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摘要：针对目前唯一可以产业化的纯电动汽车使用曲主要能源动力电池，设计开发了电池管理系统。系统以单片 机为核心，采用分布武网络控制系统结构，可以实时检测动力电池的各种运行参数：电池ｓｏｃ、总电压，总电流、单 体模块电压、电池包内特征温度ｌ可以根据电池状态进行故障诊断和报警，同时具有热营理功能等，秉统参数通过 Ｐｃ进行标定，通过ｃＡＮ总线与整车其他系统进行通信实现信息共享。系统已经在ＢＫ６１２１ＥＶ纯电动公麦客车上 安装。实验室和实车试验结果表明，系统电池电压涮量精度为１％满足要求．系统各十功能运行穗定、可靠。 关键词：电动汽车｝电池管理系统｝动力电池Ｉ监控系统 中囝分类号：ＴＮ
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总线保护Ｉ ｌ总线保护ｌ ｌ总线保护与驱动 Ｉ坠！堑Ｉｌ
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田２电池管理系统中央控制器结构框图
３系统软件设计
接口与上位机标定软件进行通信来实现；９）ｃＡＮ 总线接口。根据整车ｃＡＮ通信协议，与整车其他系 统进行信息共享。
２电池管理系统硬件设计
根据动力电池管理系统功能和实际参与控制的 对象，设计出电池管理系统中央控制器及电池测控 模块”１３１，电池管理系统中央控制器结构如图２所 示。采用功能划分和模块化设计思想，系统分离成不 同的功能模块。电池管理系统中央控制器是整个系 统的核心，微控制器选用集成了ｃＡＮ控制器模块 的ＤｓＰ５６Ｆ８０７芯片，ｃＡＮ收发器选用 ＰＣＡ８２Ｃ２５０。通过ＣＡＮ总线与其他控制系统进行 通信Ｉ通过Ｒｓ４８５与电池测控模块进行通信与管 理ｆ通过Ｒｓ２３２，实现与人机接口的通信，以及系统 的标定等。电池测控模块微控制器选用集成了２路
能源，目前技术相对成熟，可以进行产业化生产和应 用。混合动力汽车是由燃油和动力蓄电池等多种能 源共同提供能源，通过控制策略使内燃机动力源和 电力动力源协调配合，实现最佳能量分配，既能保持 电动汽车超低排放的优点，又弥补了纯电动行驶里
程短的不足，是一种过渡车型，但是目前技术还没有 完全成熟Ｉ燃料电池汽车由燃料电池作为主要能源
万方数据
南金瑞，等；
纯电动汽车电池管理系统的设计及应用
１８３３
除地线窜扰的可能；３）数字温度传感器使用屏蔽
电缆封装，屏蔽地搭铁；４）ＣＡＮ总线选用屏蔽双绞 线，Ｒｓ４８５总线也选用双绞线；５）ＰｃＢ制作尽量加
大线间距以降低导向间的分布电容，使导向垂直以 减小磁场耦合，减小电源线走线有效面积；６）选用 性价比高的器件等。
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清华大学学报（自然科学版）２００７年第４７卷第ｓｚ期
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纯电动汽车电池管理系统的设计及应用
南金瑞，孙逢春，王建群
（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１）
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电动汽车的无（低）污染优点，使其成为当代汽 车发展的主要方向“］。电动汽车从为动力系统提供 能源的角度来分类．主要分为：纯电动、混合动力和
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系统软件均采用模块化程序设计，中央控制器 程序采用ｃ语言编写，根据系统具有的功能分为若 干子程序，其中包括：标定子程序、ｓｏｃ估计子程
序、故障分析子程序、信号监控与报警子程序等Ｉ电 池测控程序采用汇编语言编写ｏ］。中央控制器主程
序流程框图如图３所示。 考虑到电动汽车的运行环境，在系统硬件采用 抗干扰措施的基础上，进行了软件抗干扰设计。在软 件设计中使用了滤波、冗余、软件陷阱等技术，防止
之一以上，因此为了延长电池的使用寿命，降低使用
啦稿日期ｒ ２００７—０４—１２
基叠项目：国家“八六三”高技术项目（２００３ＡＡ５０１８００）
作者简介｝南金瑞（１９７２一），男（设）．山西，讲师．
提供驱动汽车所需的功率，由于燃料电池是以氢气
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万方数据
清华大学学报（自然科学版）
程序失效，保证系统正常运行。
系统标定程序采用ｖＢ６．ｏ进行开发，采用模块
化程序设计，软件的主要功能有：系统参数标定、数
据实时采集与保存、数据和曲线显示（包括实时动态 曲线，历史曲线）、继电器输出等“１。上位机软件的结 构框图如图４所示。
４系统装车试验 系统设计完成后，经过实验室考核及算法验证，
已安装在ＢＦｃ６１１０ＥＶ和ＨＦＦ６１１０ＧＫ５０电动大客 车上，这２种车型分别使用了３．６Ｖ／２００ Ａ．ｈ金属 锂离子电池和１２ｖ／８５ Ａ．ｈ的铅酸电池。结合这２ 种车型的场地试验０３进行了系统的联合调试。图５
１２
ｂＩｔ精度Ａ／Ｄ的Ａｄｕｃ８１２芯片，选用数字温度传
感器Ｄｓｌ８８２０口１采集电池包内测试点温度。通过 Ｒｓ４８５与中央控制器进行通信。由于电动汽车用电 环境非常复杂，驱动电机、Ｄｃ／Ｄｃ和充电机都会产 生强的电磁干扰，从而影响信号在线检测与控制系 统的正常工作。为了减小电磁干扰，采取如下措施： １）在微控制器和ｃＡＮ收发器之间加入高速光耦隔 离器｝２）单片机工作电源与车辆电源地线分离，消
燃料电池汽车。纯电动汽车主要是由动力电池提供
为燃料，空气（Ｏ。）为氧化剂进行工作，其排放物质 是没有污染的水，因此非常具有发展前景，但是目前 技术还不成熟。
作为目前唯一可以产业化的纯电动汽车，其主
要能源的动力电池是关键的部分，在整车成本中占 有较高的比例，如在使用金属锂离子电池为主要能 源的纯电动大客车中，动力电池占整车成本的三分
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２００７，４７（Ｓ２）
成本，本文设计了动力电池管理系统，实现对动力电 池的在线监测与控制。
池并联形成组，最后将１０２组电池串连，动力电池分 成８个电池包，装在８个电池箱中。从整车角度考 虑，设计电池管理系统采用分布式网络控制系统结 构，系统结构和在车上的布置情况如图１所示。系统 中在每个电池包中布置电池测控模块，各个电池测 控模块通过４８５总线与电池管理系统中央控制器连 接在一起形成整个系统。电池管理系统中央控制器 同时通过Ｒｓ２３２总线将监控信息发送到信息显示 器，通过ｃＡＮ总线接口与整车控制系统进行通信。