管理系统的分析

第３期（总第１７５期）

２００８年６月

车用发动机

ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥ

Ｎｏ．３（ＳｅｒｉａｌＮｏ．１７５）

Ｊｕｎ．２００８

电子控制

电动汽车用锂离子电池组均充管理系统研究

邱望标，黄克

（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳

５５０００３）

摘要：针对动力锂离子电池数量众多、不易管理等问题，设计了基于Ｒｓ４８５总线多横向均充管理系统。为避免单体电池过充电，根据目前电池管理系统的发展现状，通过构建闭环控制系统，利用单片机控制的灵活性，以模糊控制规则和三段式充电理论为基础，提出了基于分只同时均充理念的电池管理系统。试验表明，谊系统实现了对单体电池的有效保护。

关键词：电动汽车｝锂离子电池；模糊控制Ｉ电池管理系统

中图分类号：ＴＰ２７１．４

文献标志码：Ｂ

文章编号：１００１—２２２２（２００８）０３一００４５一０３

随着世界石油资源的日益紧张和环境污染的不断恶化，节能环保的电动汽车已经成为举世关注的具有战略意义的产业。锂离子电池组作为电动汽车动力的主要（或部分）来源，其工作效率将直接影响整车的稳定运行。

目前，电池管理系统均采用整组式充电管理，易使某些单体电池性能下降甚至损坏，从而影响整组电池性能发挥，而且会增加电池维护及更换费用［１’２３；另外考虑到锂离子电池不允许过充电，充电管理时必须管理到单电池［３］。针对电池管理系统以上问题，提出电池组均充管理方案。

１

标定充电值后，主充模块停止工作，此时均充模块仍在工作，当某一只蓄电池充满后，该均充模块停止工作，其他均充模块仍在继续工作，直到所有蓄电池均充满为止。

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电池组均充管理系统

电动汽车（ＥＶ）用锂离子电池组数量庞大，可达

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数十组，所设计的管理系统的拓扑结构如图１所示。从图ｌ可看出，系统核心部分为锂离子电池组分只同时均充管理系统（ＢＳＭＳ）。每一ＢＳＭＳ均管理数只单体电池，形成ＢＳＭＳ阵列。各管理系统通过ＲＳ４８５总线进行数据通信，它们之间通信遵循Ｍｏｄｂｕｓ协议，可以根据电池实际只数添加ＢＳＭＳ，方便了系统的扩展。在主ＭＣＵ预留了ＣＡＮ总线接口，可以与汽车总控制室进行数据通信。

ＢＳＭＳ是由主充模块和为每个电池设计的均充单元模块构成，包括检测和充电两部分。系统框图见图２。具体工作过程是：首先主充模块、各个均充单元同时工作，对电池组充电，当某只单体电池达到

电池组均充管理系统拓扑结构

图２蓄电池组分只同时均充管理框图

主充模块满足电动汽车对蓄电池组大功率、快

收稿日期：２００７—１２—２２Ｉ修回日期：２００８－０５一１２

基金项目：贵州省重点科技攻关项目（黔科合ＧＹ字（２００６）３００８）

作者简介：邱望标（１９５８一），男，贵州省贵阳市人，教授，主要研究方向电子电气自动装置的研究与设计；ｈｋｌ２５ｃｎ＠１６３．∞ｍ．

管理系统的分析

车用发动机２００８年第３期

速充电的要求；均充模块是整个系统的关键，它主要是针对单体电池容量不一致性导致的能量分散这一问题对单体电池进行充电管理。

２

ＢＳＭＳ硬件设计

系统硬件包括控制模块和均充模块。

２．１控制模块设计

控制模块实现对电池充电状态量的数据采集和数据处理，并输出控制命令。以单片机实现智能管理，本研究从机选择ＰＩＣｌ６Ｆ８７，主机选择带ＣＡＮ通信接口的单片机，组建多通道Ａ／Ｄ转换电路，并设计ＳＰＩ接口电路，实现多ＭＣＵ的基于ＲＳ４８５总线的数据通信。另外根据需要添加ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡｌｏｏｏ、ＣＡＮ总线接口芯片ＰＣＡ８２Ｃ２５０，以满足系统扩展的要求。２．２均充模块设计

根据ＢＳＭＳ的工作原理，设计如下均充模块

（见图３）。

电源

输入

电源

输入

电源输入

图３均充模块结构图

蓄电池系统是一个非线性、时变系统，难以构建精确ＰＩＤ控制器，因此考虑构建模糊控制器，形成闭环控制系统（见图４）。电池充电采用智能三段式充电方式，即充电过程分为快充、慢充、涓流充三阶段。电路原理图见图５。

图４模糊控制器

斩波开荚

图５充电单元原理图

充电单元模块工作原理是：在快充阶段，ＭｃＵ控制斩波开关导通，通过电流监控电路，以恒定电流（如充电量为１Ｃ）对电池充电，并控制快充时间，避免过充电；在慢充阶段，ＭＣＵ输出ＰＷＭ控制信号，控制半桥式变换电路以固定占空比导通，以恒定电压对电池充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进人涓流充阶段；此时单片机输出ＰＷＭ控制信号，充电器以约

Ｏ．０９５

Ｃ的充电量对电池充电，在这种状态下，可长

时间对电池充电，从而能最大限度地延长电池寿命。

充电模块的控制器采用ＰＩＣｌ６Ｆ８７，开关稳压电源采用半桥式ＰＷＭ变换电路，由脉宽调节芯片（ＴＬ４９５Ｃ）输出反相ＰＷＭ信号驱动变压器。

３

ＢＳＭＳ软件设计

ＥＶ用锂离子电池组充电管理系统软件设计包

括ＭＣＵ阵列之间基于ＲＳ４８５总线的通信程序设计以及ＢＳＭＳ的内部软件设计。本系统采用Ｍｏｄ—

ｂｕｓ

ＲＴＵ通信模式。

ＭＣＵ阵列通过总线连接的结构见图６，主机串

行通信子程序的流程见图７，ＢＳＭＳ主程序流程见

图８。

图６主从机通信结构图

管理系统的分析

２００８年６月邱望标，等：电动汽车用锂离子电池组均充管理系统研究

三段式充电，解决了单电池的过充问题以及各电池之间的不均衡现象，有效保护了电池，延长其使用寿命。

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出卸褒魍脚糖

图７主机查询方式流程图

图９蓄电池充电曲线

５结束语

设计了基于专利技术的电动汽车电池管理系统，该系统能有效解决单体电池之间的不均衡问题，减少电池的更换费用，降低了ＥＶ的生产成本；该系统也能应用于以蓄电池组为动力的其他车辆，如电动自行车、电动警车等，具有较为广泛的应用范围。

参考文献：

［１］魏学哲．车用电池及其管理系统分析［Ｊ］．汽车电子，

２００６（７）：１７—２１．

图８ＢＳＭＳ主程序流程图

［２］叶尊忠．单体电动车蓄电池管理系统［Ｄ］．浙江：浙江

大学，２００４．

４试验验证

［３］邱志远．直流电源管理的关键技术［ｃ］／／国际机械电

基于分只同时均充管理理念，对ＧＵＩＤＩＮＧ公子及自动化年会论文集．洛阳：ＩＥＥＥ，２００６．司生产的同一批次同一型号的３只ＮＰ４—１２（１２

［４］

曾光奇，胡均安，王

东。等．模糊控制理论与工程应用

Ｖ，

［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，２００６．４．Ｏ

Ａｈ）免维护铅酸阀控蓄电池（ＶＲＬＡ）进行串联

［５］

王震坡，孙逢春．电动汽车电池组连接方式研究［Ｊ］．电

充电试验。充电过程进行了１８０ｍｉｎ，每隔５ｍｉｎ记池，２００４（８）：２７９—２８１．

录充电电压、电流一次，并用Ｍａｔｌａｂ拟合（见图９）。［６］田春霞．电动汽车用先进电池的现状及发展［Ｊ］．电池，

由图可见，ＢＳＭＳ系统基本上实现了对电池的智能

２０００（４）：８３—８５．

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管理系统的分析

电动汽车用锂离子电池组均充管理系统研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

邱望标， 黄克， QIU Wang-biao， HUANG Ke贵州大学机械工程学院,贵州,贵阳,550003车用发动机VEHICLE ENGINE2008，""(3)0次

参考文献(6条)

1.魏学哲 车用电池及其管理系统分析[期刊论文]-汽车电子 2006(07)2.叶尊忠 单体电动车蓄电池管理系统[学位论文] 20043.邱志远 直流电源管理的关键技术 2006

4.曾光奇.胡均安.王东 模糊控制理论与工程应用 2006

5.王震坡.孙逢春 电动汽车电池组连接方式研究[期刊论文]-电池 2004(08)6.田春霞 电动汽车用先进电池的现状及发展[期刊论文]-电池 2000(04)

相似文献(10条)

1.期刊论文 张宾.郭连兑.崔忠彬.谢永才.陈全世.ZHANG Bin.GUO Lian-dui.CUI Zhong-bin.XIE Yong-cai.CHENQuan-shi 电动汽车用动力锂离子电池的电压特性 -电池工业2009,14(6)

着眼于LiMn2O4锂离子电池和LiFePO4锂离子电池在电动汽车动力领域的应用,以4种国产动力锂离子电池为对象,对其电压特性进行了试验和研究.研究结果表明:LiMn2O4锂离子电池与LiFePO4锂离子电池的电压特性有显著差别;低温对LiFePO4锂离子电池的电压特性有显著性影响;PNGV模型适用于LiFePO4锂离子电池在动态脉冲电流工况下的电压特性仿真.

2.学位论文 车杜兰 电动汽车锂离子电池包热特性研究与优化设计 2009

锂离子电池因其性能优异在电动汽车上得到了大量应用，但其在使用过程中会大量发热是一个必须注意的问题。这不仅影响锂离子电池的性能，也会产生相应安全问题。因此电池包的热管理是电动汽车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的。本文分析了温度对电池组性能和寿命的影响，概括了电池组热管理系统的功能，介绍了电池组热管理系统设计的一般流程。并讲述电池包热管理需解决的一些问题和相关解决方案，以及怎样合适的设计电池包散热加热系统。<br>　　

具体来说本文首先介绍了电动汽车电池包的构造，然后介绍了锂离子电池的生热机理.分析在不同温度条件下锂离子电池以不同倍率充放电时的温度场，以及锂离子电池的热特性。基于此，应用ANSYS分析计算锂离子电池组的温度场，研究锂离子电池的发热问题。分析电池包内部电池模块的冷却方式，比较串行和并行通风冷却的特点。数值模拟热管理的风道冷却效果。根据车辆实际运行工况和电池包的实际结构模拟出电池包内部温度场的情况，进而研究了电动汽车锂离子电池包的整体热特性。<br>　　

同时分析出性能最好的电池很差的整合成电动车电池包或电池包模块也会导致电池包整体性能降低。在本文中我们比较讨论电池包使用众多小电池与少量大电池，还有使用棱柱形电池与圆柱电池的优点和缺点。并通过热特性仿真分析说明选取不同类型电池的区别，另外还分析了电池模块化方式。<br>　　

本文的研究主要针对电动汽车电池包内部电池模块的布置，同时研究了冷却结构的设计。并对目前国内外电池包热管理的最新研究做了相关分析和归纳总结，指导电动汽车电池包的设计。同时对电池包的热管理系统设计方法做了相关的归纳总结，总结出最佳的设计流程。并且针对有利于电池包热管理的电池选型作出相关介绍，指导电池的设计。总之本研究对于电动汽车电池包整体的设计有一定指导价值。

3.期刊论文 黄学杰.HUANG Xue-jie 浅谈混合电动汽车用锂离子电池 -电池工业2008,13(3)

目前发展混合电动汽车是减少汽车石油消耗和尾气排放的最佳途径,混合驱动对汽车的电存储系统提出了很高的要求.近期MH-Ni电池和锂离子电池是混合电动汽车主要采用的二次电池,正处在快速发展阶段的锂离子电池在电池性能和成本上有更大的吸引力.简要介绍了在车用高功率锂离子电池的电性能、安全性以及电池设计制造方面的初步认识.

4.学位论文 黎林 纯电动汽车用锂电池管理系统的研究 2009

出于能源和环境的考虑，电动汽车在各国政府和汽车制造商的共同推动下取得了快速的发展。纯电动汽车因能真正的实现“零排放”而成为电动汽车的重要发展方向之一。锂离子电池以其能量密度大、电压平台高等优良的性能成为纯电动汽车的理想动力源。然而，锂离子电池的抗滥用能力较差。锂离子电池，特别是成组锂离子电池的的安全性和长寿命成为锂离子电池使用管理中急需解决的问题。

针对目前锂电池管理中存在的问题，本论文以北京奥运用纯电动大巴为应用背景，对纯电动汽车用锂电池管理系统的开发进行了研究。

论文首先研究了锂离子电池的基本工作原理，从锂离子电池内部机理的角度分析了影响锂离子电池性能利用和安全性的几个方面因素，并对电池的一些特性进行了测试。在此基础上，围绕锂离子电池安全和有效利用的目标，从车用锂电池的使用环节和工作环境进行分析，提出了锂电池SOC估算、热管理、电池组的绝缘检测和锂电池组的充电模式等四个方面的管理策略。最后，设计了锂电池管理系统的硬件电路，并将电池使用的管理策略提炼成软件算法嵌入到电池管理系统中应用。

奥运会期间，共计有50辆装有这套电池管理系统的纯电动大巴投入到电动公交运营，并实现了“零故障”稳定运行。

5.会议论文 庄大高 电动自行车和电动汽车电池的发展趋势──从铅酸蓄电池到锂离子电池 2007

本文对电动自行车和电动汽车电池的发展趋势进行了探讨。文章认为，燃料电池不可能在短时间内成熟，铅酸蓄电池和镍氢由于综合性能的不足，只能作为过渡性产品，在各种蓄电池中，锂离子电池因其比能量高、重量轻、体积小、无记忆效应等特点近年来得到了快速发展。特别是磷酸铁锂离子电池，非常适合用来作为电动轿车的动力电池。

6.学位论文 刘清虎 纯电动汽车整车能量建模与仿真分析 2003

纯电动汽车是由车载动力电池作为能量源的零排放汽车，其动力电池组储存的电能将直接影响着电动汽车的续驶里程。如何合理的使用这些有限的电能量，很大程度上决定了纯电动汽车的使用性能。文章首先从电化学的原理出发，建立了锂离子动力电池的电动势和内阻基于电池荷电状态值SOC的数学模型，并根据实验所得的测试数据，确定了某锂离子电池的容量特性和电压特性。利用Peukert方程的变形式，用线性插值法计算出锂离子电池的

管理系统的分析

Peukert常数β值；利用最小二乘法拟合了该动力电池的容量特性、电动势和内阻特性曲线；在50A的放电电流下，数学模型的计算值与试验结果的最大相对误差为2.59％。然后引用较成熟的三相异步交流电机的数学模型建立了纯电动汽车传动系中电机的能量特性模型。利用该模型可计算出动态条件下电机定子相电流、相电压的变化。文章从传统的汽车理论出发，结合锂离子动力电池和电机的数学模型，分析了纯电动汽车整车的能量消耗途径和大小；基于欧洲ECE循环驱动模式，建立了纯电动汽车的功率消耗与电池的充放电电压、电流以及电机定子电压、电流之间的关系，并在此基础上分析了纯电动汽车的续驶里程和制动能量的回收问题。

7.期刊论文 张宾.郭连兑.李宏义.陈全世.崔忠彬.ZHANG Bin.GUO Lian-dui.LI Hong-yi.CHEN Quan-shi.CUIZhong-bin 电动汽车用磷酸铁锂离子电池的PNGV模型分析 -电源技术2009,33(5)

以国产新型150 Ah磷酸铁锂离子电池为研究对象,分别对其在0 ℃和30℃的PNGV模型参数进行了辨识.将其内阻参数与电池直流内阻进行对比分析,考核了磷酸铁锂离子电池的PNGV模型在FUDS工况循环下的仿真精度.研究表明:由于温度对磷酸铁锂离子电池特性的影响较为显著,PNGV等效电路模型的仿真精度会随着初始温度的变化有所波动,所以为了保证仿真效果.必须在更多的温度点上进行参数辨识并进行优化;PNGV等效电路模型适用于城市工况下的仿真.

8.学位论文 姜国权 电动汽车动力电池管理系统的研究 2009

能源短缺和环境污染是现今世界汽车工业发展面临的两大挑战，因此开展新能源汽车的研究已经刻不容缓。混合动力汽车较传统车而言，兼具内燃机车的特点又吸收了电动车的优势，在有效提高经济性和降低排放方面有很宽广的应用前景。作为混合动力汽车的关键部件，动力电池对整车动力性、经济性和安全性具有重大影响。

电动汽车动力电池系统的研究总体上可以分为电池组本身的机械系统集成和电池管理系统的研究。其中的电池组本身的机械系统集成主要包括满足汽车空间布置的电池组箱体的外部空间尺寸设计和机械强度设计，以及满足良好散热条件的箱体内部尺寸设计和合理的电池串联方式和空间布置。整个电池系统总成需由带支承(或悬挂)装置的外壳进行防水、防尘、绝缘的包装，内含若干单体蓄电池组成的蓄电池模块、必要的传感器、通风通路、蓄电池组管理器BMS(Battery Management System)、内部动力电缆等。

电池管理系统的研究主要包括对电池运行参数的检测和优化。其中电池的电压、电流、温度是电池管理系统主要的测量参数，只有精确检测到以上三个数据，才能结合合理有效的数学算法和策略估算出电池的SOC和SOH等重要参数，并且对电池组充放电的最大电流和门限电压实时控制以达到对电池的充分保护和正常使用。同时汽车行驶过程中的安全性问题也是一个重要议题，必须实现有效的的高压电安全管理和故障诊断功能。

本文在分析了现有的一些电池模型的基础上，建立了对电池的动态模型参数进行识别的数学方法，并在MATLAB/Simulink中进行动力电池建模和仿真中得到了验证，其结果同时也可以对动力电池剩余电量的估算提供较好的参考价值，有助于提高SOC的估算精度。

为了满足混合动力汽车上的能量需求，车用电池组通常都是由几十个甚至上百个单体电池串联起来为电动汽车提供能量。由于生产工艺水平的制约，单体电池之间的性能在生产时就存在一定的差异性。而实际使用中连续的充放电循环导致的单体电池的差异，将使某些单体电池电量加速衰减。而电池组的实际可用电量是由单体电池的最小剩余电量决定的，因此这些差异将使电池组的可使用电量减少，甚至缩短电池的使用寿命。目前电池组在使用前的匹配要求较高，能减少一些不均衡性的影响，但是仍不能根本解决均衡性的问题。为了解决这种不均衡对锂离子电池组的影响，在电池组的使用过程中需要使用电池管理器及其均衡子系统对其进行优化管理。本文根据电池实际的不均衡现象有针对性地设计了“削峰填谷”的均衡子系统。结合锂离子电池使用过程中的不稳定性，特别是电池充放电末期电压和SOC的高度非线性，充分考虑了锂离子电池电压和SOC不同步性，提出了“以电量为目标，控制充放电时间”的均衡策略，以此来达到较好的均衡效果。

9.期刊论文 王治华.殷承良.WANG Zhi-hua.YIN Cheng-liang 电动汽车用LiFePO4锂离子电池安全性分析 -电池工业2008,13(3)

根据新颁布的<电动汽车用锂离子蓄电池>汽车行业标准介绍了关于对锂离子电池的主要安全性能指标,结合国内外LiFePO4锂离子动力电池的发展现状,分析了LiFePO4锂离子电池的耐高温、耐充电性能和短路、滥用实验情况;认为,LiFePO4锂离子动力电池具有比较好的安全性能.该电池的热管理系统可以作为故障诊断和安全隐患排查的关键手段,结合对电池端电压检测、SOC计算来防止电池的过充、过放电.

10.学位论文 苏万樯 电动汽车回馈制动中蓄电池充电研究 2002

该文主要针对电动汽车回馈制动时,铅酸电池的动态充电特性进行研究,建立了汽车工况仿真模型、铅酸电池模型,分析了各典型车型在多种工况下能量、功率分布的特点.建立了电池充放电实验平台,并在试验的基础上提出了铅酸电池最大初始可充电流的定义,在该定义的基础上得到了一种实用的电动汽车回馈制动中电池的充电策略,并通过回馈制动充电模型应用这种充电策略对15工况下的轿车进行了回馈制动的仿真.最后讨论了以铅酸电池为研究对象得到的充电策略的研究方法在锂离子电池上运用的可行性.

本文链接：http://www.77cn.com.cn/Periodical_cyfdj200803010.aspx

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