基于單片機的純電動汽車電池管理系統設計分析

【文章摘要】

隨著能源危機以及環境污染問題的不斷加深，具有節能環保功能的電動汽車即將成為今后汽車行業中的發展趨勢。在這里，由于鋰電池在所有的二次電池里擁有最高的功率密度比以及能量密度比，所以它也就成為得到了最廣泛應用的電動汽車電池。本文從電池管理系統的組成及功能、系統中硬件及軟件的設計以及對于功能的驗證等問題出發，對單片機的純電動汽車電池管理系統設計進行分析。

【關鍵詞】

單片機；純電動汽車；電池管理系統

近年來，我國的社會經濟水平得到了飛速的發展，然而，經濟得到發展的同時環境也受到了一定的破壞，隨之而來的大氣污染、水污染等成為人們重視的問題，尤其是近些年愈演愈烈的霧霾問題，也給人們敲響了警鐘。隨著能源危機以及環境污染問題的不斷加深，具有節能環保功能的電動汽車即將成為今后汽車行業中的發展趨勢。在這里，由于鋰電池在所有的二次電池里擁有最高的功率密度比以及能量密度比，所以它也就成為得到了最廣泛應用的電動汽車電池。

1 電池管理系統的組成及功能

對于電動汽車來說，它所使用的動力源大都是由大量的單體鋰電池串聯形成的，考慮到體積以及配重的問題，電動汽車的電池組大都是被分成若干個串聯的模塊被分散安裝在車體中。對于電池系統來說，如果使用分布式的系統方案的話所耗費的成本就會過高，并且系統本身也會過于龐大；如果使用集中式的系統方案的話，BMS 的中心處理單元就會負擔過重， 所以，現在如果使用電動汽車的話，在電池管理系統中通常會使用一個折中的方案。即把12 個單體的電池集中到一起組成一個電池包，為每個電池包配備一個電池模塊的監控單元即BMU，在這里，BMS 是由一個主控單元（CMU）與多個BMU 組成的，整個系統能夠被分成結構上層的主控模塊以及下層中的監控模塊。其中，監控模塊與主控模塊之間可以通過SCI 的總線來進行系統內部的通訊，另外，主控模塊可以通過CAN 總線與系統的外部之間實現通訊。

2 系統中硬件及軟件的設計

在這個設計中，主控單元以及監控單元分別使用了飛思卡爾16 位的9S12DG128 以及8 位的9S08DZ60 單片機作為系統中的處理器。在這里，BMU 的監控單元能夠實現兩種功能，一是對系統中的電池模塊里的電池單體的溫度以及電壓經檢測，之后再把處理過的相關數據傳送給CMU，再對模塊內可能存在的不均衡的現象進行一定的管理；一種是對電池組中的電流以及總電壓進行檢測工作，同時也負責對絕緣度來進行檢測，在對檢測結果進行一定的處理后把數據傳送給CMU。主控單元在接收到BMU 所傳輸的數據信息后，根據所采集到的電池數據對電池組的各項具體情況諸如荷電狀態等來進行一定的估算，對電池組所發生的充放電等行為進行保護，同時要與電動汽車的充電機以及整車控制單元之間進行通信。對于汽車內部的通訊工作，主要使用的是CAN 總線通訊。該系統的電池模塊監控單元以及主控單元中都有CAN 控制器。在電池管理模塊上可以對外部提供CAN 總線的接口。在上位機的監控系統通過CAN 總線收到測量所得的溫度、電流以及電壓等數據后，可將其直接表示或是使用曲線將其表示出來，再根據之前所設置的閾值條件來對故障進行提示，同時，也可以把所需要的數據在事先存到文件中，以備不時之需。

3 對于功能的驗證

1）對于上位機的監控測試。我們可以通過對上位機進行一定的監控測試來對上位機所使用的軟件的電壓顯示功能以及CAN 通訊功能來進行一定的驗證。計算機經過CAN 的總線實現了與電池管理系統之間的連接后，對上位機進行監控的軟件就能夠將電池管理系統中的各種變量實時的顯示出來，同時對相關的信息進行采集。

2）靜態精度試驗。這種實驗使用的是由以12 個電池的單體串聯形成的電池組模塊，并和電池的管理系統之間相連接。這種實驗中所使用的電池是美國的A123 公司所生產的汽車鋰離子電池，它的額定電壓是3.3V。在實驗中，電池的管理系統使相應的數據經過CAN 在上位機上的監控軟件中顯示出來并進行儲存，與此同時用萬用表對其進行實際測量并將電池單體中的單體電壓值記錄下來。

3）動態精度試驗。這種實驗是將Arbin 的實驗平臺對電池中單體電壓的測量作為條件，對充放電工況中的電池管理系統所體現出來的動態測量精度進行對比分析。在電池的放電過程中，使用Arbin 實驗平臺以及電池的管理系統在相同的時間上對電池組收集每個電池單體的電壓值。把由Arbin 實驗平臺中所測得的測量值當做參考基準，再通過作圖比較，分析出電池組中相同的電池在兩組數據之間所表現出來的差異。

4 結束語

通過了上位機的測試，對這一系統的溫度、電壓采集功能以及系統中的通訊功能進行了一定的驗證。同時，在其中的精度試驗里，靜態實驗電池在電壓測量中的結果顯示，它的最大誤差是0.32%，另外， 標準試驗臺所測得的電壓與動態試驗系統之間最大的誤差僅有0.14%，它的精度可以滿足相關的要求，因而也就證實了這一設計中數據采集的可靠性。

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