1、 54 Software软件 2011 年第 32 卷 第 3 期 国际 IT 传媒品牌电动汽车动力电池组管理系统设计杨 君邱晓明徐正藻(1. 大连理工大学物理与光电工程学院，大连 116024；2. 大连理工大学船舶工程学院，大连 116024）摘 要： 提出了一套集中/分布式动力电池组管理系统的整体设计方案。以单片机STC12C5616AD和STC12C5A16AD为核心处理器 ,设计出一个体积小和成本低的系统。本系统可以实时监测电池组电流、电池组电压、单电池电流、单电池电压及单电池温度等参数。并利用硬件和软件抗干扰等技术来提高系统运行的稳定性。经长时间运行时测得数据精度可达到1%，同时可
2、靠性和稳定性均满足电动汽车应用要求。关键词： 电动汽车；动力电池；电池管理系统中图分类号： TP202 文献标识码： B doi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.015Design on Power Battery Management System for Electric VehicleYANG Jun1, QIU Xiao-ming1, XU Zheng-zao2(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116
3、024, China; 2.Department of Maval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)【 Abstract】 A kind of centralized/distributed management system for power battery packs was proposed. The small size and low cost of the system based on STC12C5616AD and STC12C5A16AD MCU as the core
4、 processor was designed. And this system monitors various operating parameters of the power battery in real time such as generatrix voltage, generatrix current, sing le battery voltage, sing le battery temperature. To improve the stability of the system operation that using hardware and software ant
5、i-interference technology. The system can keep running normally for long time and accuracy of measurement modules which takes up little additional space can reach 1%, and the reliability and the stability were qualified for electric vehicle applications. 【 Key words】 Electric vehicle; Power battery;
6、 Battery management system作者简介：杨君 (1985-), 男，吉林扶余人，大连理工大学硕士研究生，主要研究领域为单片机应用开发 0 引言 汽车产业蓬勃发展，使得人类的出行变得方便。不过随着汽车数量的增多，汽车的对资源的消耗和环境的污染也日渐突出。而电动汽车的节能和（无）低污染受到各国的重视。电动汽车分为纯电动汽车和混合动力汽车。而混合动力车是汽车到电动汽车的过度。近年开发出新型动力电池，使纯电动汽车具备了产业化生产的条件。同时如何充分利用蓄电池的能量成为了一个课题。电源管理系统解决这一难题1-2。本文设计的电池管理系统可以测量电池的电压、温度和充放电电流，并查看电压
7、状态控制电池的充放电，根据温度状态检测电池当前的状度，根据电流大小提供充放电保护。电池管理系统的控制部分主要是依据采集的电压状态而选择充放电方式，并且在产生过压、过流、欠压状态时对电池进行保护，防止电池损坏。通信接口采用 485 总线技术实现上位机与下位机之间信息交换。1 电池管理系统的结构本系统采用了集中 / 分布式管理方法，该方法是综合了分布式和集中式两种方法，实现了局部集中，整体分布。分布式管理将各个电池对应各自模块独立进行检测，这样提高了精确度。这种使用电子器件较多，成本较高，功耗大。而集中式管理是将所有电池使用一个模块轮流进行检测，这样节省了成本。这种方式的弊端是单电池数量较多时使用
8、的信号线多，测量精度降低，且将所有电池信号监测一次所需时间较长，影响了系统的实时性3。集中 / 分布式管理系统保证系统精确度的同时又控制了系统的成本。 系统的结构框图如图 1 所示，将电动汽车所用的蓄电池分为 22 组，每组 4 快单电池，每组电池都有一个下位机对其组电池电压及其温度进行实时监测、运算。在整个电池组的一端附加有一个电流监测模块与上位机通信。带有 LCD显示模块的上位机位于驾驶室内，通过 485 总线与各个下位机通信。本系统还带有一些附加功能，如电动汽车的速率测量，时钟显示，掉电数据保存，打印机等功能。还带有 CAN 接口可与电动汽车其它控制部分通信。这一方案尽管采用了较多的监测
9、模块，但每个模块都小巧轻便，可以做到将电压信号和温度信号同时处理，不仅成本低，又保证系统的实时性。 55 软件图 1 电池组管理系统结构框图Fig.1 The topology of the battery management system diagram2 系统硬件设计此系统的硬件组成包括下位机和上位机两个部分。2.1 下位机部分图 2 下位机框图Fig.2 The lower computer diagram下位机部分包括电池组单体电压、电池单体温度、串联电池组电流检测，如图 2 所示。电压检测部分是将待测的电池组电压通过降压电路 2 次降压输入到单片机上进行计算。电池单体温度信号是通过
10、数字温度芯片 TC72 进行采样及处理成电信号，再使用 SPI 接口输送到单片机后进行数据的分析、计算。而串联电池组电流通过单片机计算得到。下位机的核心芯片采用 STC12C5616AD，无论是性能还是资源与其他常用的 51单片机相比有明显优势。单片机将测得的单体电压、单体温度、单体电流作为参数通过算法估算蓄电池的荷电状态（State of Charge，SOC）。通过 485 接口以上数据传给上位机做出蓄电池的工作状态的判断。2.2 上位机部分系统上位机部分由单片机、LCD 显示屏、485 总线接口等组成，如图 3 所示。电动汽车运行时，管理系统采集、处理的信息并在 LCD 上显示，LCD
11、显示屏位于驾驶室仪表区，驾驶员可即时获得电动汽车运行情况及电池工作状态。系统上位机部分核心芯片采用 STC12C5616AD 单片机；LCD 显示模块使用带简体字库的图形点阵液晶显示器240128AZK；电源的设计采用 TL431 稳压电路获得稳定的 5V电源；为了实现掉电数据保存，在测量电池组总电压输入电路中使用了 FM25040 芯片储存数据。在测量电池组总电流的电路中，由于单片机的端口资源的限制，系统转换电路模块 A/D转换器 ICL7135CN 采用 BUSY 线定时的积分的方法，这样做只使用 2 个端口，相对于个、十、百、千、万位独自连接 8 个以上端口的方法，大大节省了单片机的端口
12、资源。还有电池组工作的电流很大，不容易直接测量，所有使用非接触式的霍尔传感器测得。同时上位机系统还带有时钟模块（两个电源的时钟芯片，备用电源自行充电，掉电时给时钟芯片供电）、转速测量功能、打印机功能等。图 3 上位机框图Fig.3 The upper computer diagram2.3 硬件电路防干扰电动汽车中动力电池组位于车尾部与管理系统的上位机部分相距较远，并且其间有电动汽车动力及电子设备等，会对管理系统不同部分间的通信造成不同程度的干扰，严重的话会使系统无法正常通信。针对这种情况，系统中下位机与上位机部分采用 485 总线传输，传输线使用双绞线以减小外界干扰4。系统在 485 传输接
13、口附近，使用光耦 6N137 及 P181 来光电隔离避免干扰，保证了 9600bps 的数据传输。在上位机的电流、电压输入时，采用线性光耦 HCNR200 隔离保护单片机不被烧毁。为了保护芯片和信号，在每个芯片的电源上滤波电容，滤去交流成分，使其直流更加平滑5；在信号线、电源与地使用去耦电容、旁路电容，滤去噪声；在采集电压信号使用一级滤波电容、二级滤波电容；在放大器电路中接入去耦电容用于消除自激，使放大器稳定工作。3 软件设计系统软件部分设计流程如图 4 所示，本程序全部用 C 语言编写 。系统开始运行时，上位机与下位机都初始化，下位机通过采集样本来得到单电池电压参数、单电池温度参数，并得到
14、的参数存储。再经过判断是否将其带入 SOC 算法。由于下位机时刻进行采集、处理数据，当通过上位机 485 总线发送指令给下位机，命令其将电压、温度、SOC 参数上传送。这样使得系统有很好的实时性。上位机采集、处理总电压和总电流信号。最后将电压、电流、温度、估算的 SOC、车转速和时间等显示在杨君 等：电动汽车动力电池组管理系统设计 56 软件LCD 液晶屏上。图 4 系统程序流程图Fig.4 The system program flow chart由于考虑核心处理器的运算能力，本程序的估算 SOC 算法采用的按时积分法。除按时积分法之外，还有最大功率法、电压脉冲法、电压恢复法、模糊逻辑控制等
15、。按时积分法的原理如下：电动汽车运行时，动力电池组由于电流输出至电动机转化为机械能来驱动汽车，同时电池组储存的电量相应地减少。动力电池在充满电的情况下，电池中最大电量是已知，如果在各个时间段上能够测量到相应的输出电流大小，就可以使用公式（1）近似计算出动力电池的荷电状态。（1）其中 SOC0 为初始荷电状态，It为 t 时刻电池的工作电流，充电时为正，放电时为负，C 为电池的额定容量（Ah）6。在软件设计中为了提高测量的精确度，常常使用数字滤波的方法来防干扰。同时，在程序中使用软件陷阱和看门狗使得程序运行安全稳定。由于电池的电流、电压信号正常工作时，递归变化的，递推平均滤波法相对算术平均滤波得
16、出的结果更平滑。当环境因素干扰而使得输入信号突变时，会得到较大或较小的测量结果，为此可引入限幅滤波法及消抖滤波法。所以本系统采用的是限幅滤波法、消抖滤波法和递推平均滤波法，先除去由于外界干扰而产生的信号，再将有效信号进行递推平均运算，从而获得比较精确地结果。4 结论该文开发了适用于纯电动汽车的电池管理系统，经装车调试与验证具有以下特点：(1) 驾驶室内可以方便在 LCD 显示屏检查示动力电池组工作状态参数以及汽车运行的机械性能参数。(2) 在查看 LCD 显示的参数同时，系统上位机依据采集的电压参数、电流参数、温度参数及估算的 SOC 值快速地判断电池工作状态并实施相应的控制，从而做到通信的实
17、时性。并且监测节点采用 10 位 AD 转换保证了信号检测精度。 SOC 值的精确估算也满足应用要求。（3）下位机监测部分位于电池两极之间，信号及数据传输线占用车身空间可以忽略，系统总重不超过 10Kg，同时本系统在板层布局、所用处理器芯片及其他电子元件做到了成本低。 （4）为了与整车系统配合更匹配，可以将本系统采用的 485 总线传送数据方式改成 CAN 总线通信方式。致谢在系统设计期间，得到邱晓明老师和徐正藻老师的亲切关怀和悉心指导。在系统设计中，系统布局和电子器件的选择上，徐正藻老师都始终给予我很大的指导性建议，邱晓明老师在系统模块设计细节上及论文撰写与修改上都提供宝贵的意见，在此表示真
18、诚的感谢。参考文献1 南金瑞，孙逢春，王建群 . 纯电动汽车电池管理系统的设计及应用J. 北京：清华大学学报 ( 自然科学版 )2007 年第 47 卷第 S2 期 .2 岳仁超 , 王艳 . 电池管理系统的设计 . 北京：智能电器及计算机应用 J，2010,11.3 王涛，齐铂金，吴红杰，等 . 基于 DSP 和 OZ890 的电池管理系统设计 J. 电池工业 ,2009,2. 4 Stefano Barsali, Massimo Ceraodo. Dynamical models of lead-acid batteriesJ. IEEE Transactions on Energy Con-version,2002,17 (1): 16-23.5 曹莹瑜，齐铂金，郑敏信 . 电动汽车电池管理系统抗干扰设计 . 工业控制计算机 J,2005,18(12).6 TSENTER B. Battery management for hybrid electric ve-hicle and telecommunication applicationsC Battery Conference on Applications and Advances. 2002: 233-237. 杨君 等：电动汽车动力电池组管理系统设计
