电动汽车动力电池组管理系统设计

电动汽车动力电池组管理系统设计

电动汽车动力电池组管理系统设计

张承宁朱正张玉璞李红林

（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１）

Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｕｚｈｅｎｇｂｉｔｅｖ＠１２６．ｅｏｍ

摘要

根据动力电池组在电动汽车上的使用特点和要求，利用总线通讯技术，设计出电池组分布式管理系统．系统由

一个电池组综合管理器和多个电池单体检测模块组成。为了克服电池组上的高压干扰。实现对每块电池单体电压的精确采集，在电池单体检测模块中设计了具有特色的压控恒流源电路。通过在电动汽车上的实际应用表明．系统运行稳定正常，可扩充性好，便于安装布置，有着广阔的应用前景。关键词

动力电池组

分布式管理

总线通讯

压控恒流源电路

中图分类号ＴＰ２７３

文章编号１００２—８３３１一（２００６）２５—０２２０—０３

文献标识码Ａ

Ｄｅｓｉｇｎ

ｏｎ

ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ

ＺＨＵＺｈｅｎｇ

ｆｏｒＴｒａｃｔｉｏｎＢａｔｔｅｒｙＰａｃｋｓｉｎ

ＥｌｅｃｔｒｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＶｅｈｉｃｌｅ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

ｔｏ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ

ｑｕａｌｉｔｙｆｏｒｓｉｎｇｌｅ

ａｎｄ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

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ｂｙ

动力电池组是电动汽车的辅助能量源和关键部件．其状态好坏和寿命长短在很大程度上决定了整车性能的优劣．因此有必要对整个电池组实施有效的管理和监测。基于此种目的。又考虑到便于在电动汽车上安装布置．设计了电池组分布式管理系统，其由两部分组成，分别为电池组综合管理器和电池单体检测模块。整个系统利用总线通讯技术，完成数据传输与交换，既保证了较好的实时性．又可以建立分布式的系统结构．从而极大程度上方便了各模块在电动汽车上的安装布置，并且系统可以根据电池组结构上的不同而随意调整、剪裁和扩充．具有很大的灵活性、适应性。本系统已经成功应用于电传动原理样车上．并在实践中取得了良好效果。为车辆的顺利调试和电池组的正常运行发挥了重要作用。

出系统内部采用了成本较低的ＲＳ一４８５网络，而与车辆上其它控制器间的数据通讯则统一采用了ＣＡＮ通讯网络。电池管理系统由单体检测模块和综合管理器构成．且多个电池单体检测模块在电池组综合管理器的协调调度下实现电池组数据交换：而综合管理器以及车辆的其它控制器又是在整车综合控制器的协调调度下实现整车数据交换、管理和控制。图２所示为系

ｌ动力电池组分布式管理系统组成

图１所示为电动汽车电池组管理系统的组成框图．不难看

ｌ燃。ｌｌ燃卜一Ｉ燃。ｌ

４８５总线

…一。一ｌ

ＣＡＮ总线Ｌ－—一一－－

管理器

电池组综合

ｌ一…一－

图２电动汽车电池组管理系统的工作原理图

图ｌ

２２０

电动汽车电池组管理系统的组成框图

万方数据　

２００６．２５计算机工程与应用

电动汽车动力电池组管理系统设计

统的工作原理图．其中电池单体检测模块完成对电池单体的电压和现场温度采集，然后通过ＲＳ－－４８５总线传输到电池组综合管理器中；综合管理器能够采集电池组的电压、电流和环境温度，并针对电池组剩余电量ＳＯＣ预测算法完成软硬件实现。此外。电池组综合管理器还带有ＲＳ一４８５通讯接口和ＣＡＮ通讯接口．前者完成对电池单体检测模块的数据交换。后者完成对整车综合控制器的数据交换，并且其自带液晶显示单元和键盘单元，可以实时显示电池单体电压和电池组的状态信息。

２动力电池组分布式管理系统硬件设计

２．１

电池单体检测模块硬件设计

电池单体检测模块在电池管理系统中属于下位机部分，能

够完成对单体电池端电压以及现场工作温度的采集．同时还带有ＲＳ一４８５串行通信接口，并在电池组综合管理器的协调下工作。模块中具有两路的模拟输入，分别采集５块电池的端电压和１个电池温度，并通过模数转换后存储到模块寄存器中，当模块接收到电池综合管理器发出的指令后，就把寄存器中的数据传输到管理器中。

２．１．１

电池组单体电压采集电路

利用放大电路中的正反馈和负反馈，这里的电池组单体电

压采集是通过一种压控恒流源电路加以实现的，其原理图如图３所示。根据输入信号可分解为差模信号和共模信号的原理。如果利用差动放大电路来采集单体电池电压．尽管不同节点上电池的参考点不同，但由于差动放大电路对共模信号的抑制作用。处于低电位节点处的电压就被抑制。而差动放大电路仅对单体电池电压进行放大．使得相邻电池节点处的电池都具有一个共同的参考点，所以可以实现对长串电池组单体电压的测量。在该电路中。就是利用上述原理把被检测的电压差（即单体电池端电压）转换成电流的形式长距离传输而不受外界干扰．且传输精度高，适合不同电压级别的微机接口电路．以便数据采集和转换，为实际使用带来了方便和灵活性。在图３中可以看到采用运算放大器组成的压控恒流源．被检测电压差取自每节电池的正负极输出端钮，即单体电池的电压值玑。如（１）式所列：

％。＝ｕ，一％

（１）

由于电路中引入了负反馈，故可以认为运算放大器两个输入端电压相等．即有：

以一以

（２）

而且在结点２、３的电流方程分别为：

百２百

％一以以一以‘’，

，。

ｕ。一Ｕ—Ｕ—Ｕ

一

ｒ扪、－ｔ７

尺１Ｒ３

若在选取电阻时满足Ｒ，＞＞Ｒ，那么输出电流，则由下式可得：

￡居一

图３压控恒流源电池电压采集电路

万　

方数据，一半

（５）

当各电阻满足鲁＝里Ｒ４时，联立上述五式，即可得输出电

流Ｉ满足：

５酉

‘％。’Ｒ３

（６）

也就是说流过负载电阻Ｒ，的电流与单体电池电压值以。成正比，而与负载电池只，的值无关。这样只要改变尺，的阻值，

就可把电流转换成不同的电压级别，从而满足不同单片机接Ｅｌ

的需要。

图４即为电池单体检测模块结构原理示意图，其中ａ１～ａＬ５为单体电压采集电路的输出端，Ａ１，Ａ５为单片机上对应的Ａ／Ｄ接口，Ｒ、Ｔ分别为单片机串行接口的接收端和发送端，Ｒ０、Ｄ为对应的发送端和接收端。不难看出模块就是将五组单体电压采集电路置于同一块电路板中设计而成的，再经过Ａ／Ｄ转换和ＲＳ一４８５串行总线通信完成数据采集和传输，这样根据串联电池组中的电池数量采用一个或多个模块就实现了对其中每块电池单体电压的测量。

电池单体ｌ

电池单体２

电池单体３

电池单体４

电池单体５

图４电池单体检测模块结构原理示意圈

２．１．２单线式温度采集单元

电池单体检测模块中的温度采集单元采用了“１－ｗｉｒｅ”单线式串行数据通讯总线，实现简单而且具有１２位的采集精度，采集温度范围宽，如ＤＳｌ８ｂ２０，其稳定性和精度都优于传统的模拟温度传感器。

２．２动力电池组综合管理器硬件设计

图５所示为电池组综合管理器硬件结构示意图，ｊ。、ｙ。代表了霍尔形式的电流、电压传感器，其中电压传感器输入０Ｖ～６００Ｖ，输出０ｍＡ～２０ｍＡ，电流传感器输入一２００Ａ～２００Ａ，输出一１００ｍＡ～１００ｍＡ；微处理器选用了带ＣＡＮ通讯接口的单片机Ｐ８７Ｃ５９１；在总线通讯方面。ＣＡＮ总线采用了内置ＣＡＮ控制器的单片机Ｐ８７Ｃ５９１和总线驱动器８２Ｃ２５０，并加以光电耦合器６Ｎ１３７与外部总线隔离。ＲＳ４８５总线使用了差动信号驱动器６５ＬＢＣｌ８４，并用光耦ⅡＬ１１７实现隔离，ＲＳ２３２总线选用了控制器ＭＡＸ２３２以实现综合管理器与ＰＣ机的数据交换。从而方便

系统调试；ＡＮＦＩＳ是电池组剩余电量的核心计算单元．通过单片机软件编程得以算法实现，硬件上则借助电压、电流传感器

计算机工程与应用２００６．２５

２２１

电动汽车动力电池组管理系统设计

和一个Ｖ佰压频转换电路完成信息采集：显示单元选用了集成中断的液晶模块Ｔ６９６３Ｃ，使用和开发都非常方便。

保护现场

键盘单元Ｉ匾ｉ翮降合控制器

殛鎏一夏丢痢

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接受下一个字符

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Ｎ

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命令分类

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收标志＝０

图５电池组综合管理器硬件结构示意图

ｌ发送数据ｌ

｜！＜癍釜诧

３动力电池组分布式管理系统软件设计

廷渺

匿函

ｐ———一３．１

电池单体检测模块软件设计

ｌ恢复现场ｌ

ｌ返回

电池单体检测模块软件设计采用了中断的程序结构，即利

图６

电池单体检测模块ＲＳ一４８５总线通讯流程图

用定时器中断完成数据采集和看门狗保护，利用串行口中断完成电池单体检测模块ＲＳ－－４８５总线通讯，这样既保证了数据采集，处理Ａ／Ｄ数据，电池剩余电量预测算法等功能；故障检测与集的实时性。又可以使模块在总线通讯时能够快速响应电池组诊断程序模块实现单体电压报警、温度、总电压和剩余电量报综合管理器对单体数据的收集要求，其中ＲＳ一４８５总线通讯流警；通信与网络程序模块保障系统与其它控制单元之间完成实程图如图６所示。

时高速而可靠安全的信息交互。

３．２动力电池组综合管理器软件设计

整个系统的软件设计思路是保证系统初始化、人机接口、动力电池组综合管理器软件系统从功能上可分为系统初故障诊断和通信四个模块的通用性。其软件运行流程以及ＲＳ一始化、人机接口、数据处理、故障诊断、通信与网络五个程序模４８５总线通讯流程分别如图７、图８所示。

块。系统初始化程序模块主要完成中央处理电路模块的诊断与入１２１

启动以及系统变量的初始定义和设置：人机接口程序模块负责串口初始化输入命令的处理和输出信息的显示：数据处理程序模块完成采

发送地址

主程序流程图

广丽

Ｎ

从～机～

ＣＰＵ初始化Ｙ

ＣＡＮ通讯初始化一答～一地～

：＞—１

～卫、符一

液晶显示初始化４８５通讯初始化发送命令字

键盘初始化

命令从剩余电量预测算法初始化

机复位

潞（脯Ｆ悟

一

Ｎ

始化成功

Ｙ

ｋ◇一‘二：逖墼皇箜！＞

液晶显示主界面

垄塑！点坚塑！（电压、电流、剩余电量、温度）

Ｎ

Ｎ

＼—／

始键值变化？

Ｙ

生＜俞

摹举

＼／

－＜Ｎ键值为２７

＼／

磊病℃Ｊ＼／

石疵：心』

Ｙｌ

Ｙｌ

Ｙｌ显示总电压、总显示报警电池电流、剩余电量、显示３７块自动循环显示电压

主界面和单体羽巫岁

环境温度、工作电池电压

ｉ！

（大于１４．９Ｖ或电压界面

现场温度

者小于１０．５Ｖ）

兰堡皇里墼塑丝堡ｌ

’

－＜Ｎ键值为ｌ？＼／

坠＜磊茹医丽赢丽

、、、—／

磕病亨＞Ｊ、／

值为４７

、—／／

ＮＩ—］百百

Ｙ

Ｙｌ

Ｙ

Ｙ

图８动力电池组综合管理器ＲＳ－－４８５总线通讯流程图

围７动力电池组综合管理器软件运行流程图

（下转２３２页）

２２２

万　

方数据２００６．２５计算机工程与应用

电动汽车动力电池组管理系统设计

图３用１４０组带左右手运动想象类型标注的ＥＥＧ（Ｃ３。Ｃ４）信号的ｍｕ节律能量作为特征向■对权向量进行训练

后得到的分类决策图（“＋”：左手，“＂：右手）

图４用训练后得到的权向量对待测数据进行

分类后的决策图（”＋“：左手．“＂：右手）

４结束语

实验表明，基于感知器算法的运动意识的分类方法能够从记录的脑电时间序列中及时识别与运动想象相关的脑电模式．我们可以将这些特征转化为某种控制信号处理控制光标的移动或辅助运动设备．就可以帮助严重瘫痪病人通过计算机与外界环境进行交流和沟通或者帮助他们实现自己想做的动作。感知器算法与其他分类方法相比最大优点在于他计算简单容易实现．故可认为，感知器算法在脑机接１：１的应用中有较高的实用价值。（收稿日期：２００６年４月）

２．Ｔｈｉｌｏ

Ｈｉｎｔｅｒｂｅｒｇｅｒａ，Ａｎｄｒｅａ

Ｋｕ’＂ｂｌｅｒａ．Ａｂｒａｉｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

（ＢＣＩ）ｆｏｒｔｈｅ１０ｃｋｅｄ—ｉｎ：ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥＥＧｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ

ｆｏｒｔｈｅｔｈｏｕｇｈｔｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ１１４：４１６－４２５

３．ＦａｂｉｏＢａｂｉｌｏｎｉ，ＦｅｂｏＣｉｎｃｏｔｔｉ，Ｌｎｉｇｉ

ｄｅｖｉｃｅ［Ｊ］．ＣｌｉｎｉｃａｌＮｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，２００３；

Ｂｉａｎｃｈｉｆ．Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｏｆｉｍａｇｉｎｅｄ

ｓｕｒｆａｃｅ

Ｌａｐｌａｅｉａｎ

ａｎｄｌｉｎｅａｒ

ｈａｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｌｏｗｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ

ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｓ［Ｊ］．ＭｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ．２００１；２３：３２３－３２８

４，Ｅｍａｎｅｂｅｔｗｅｅｎ

ＪＸＣｏｓｔａ，Ｅｕｖａｌｄｏ

ＦＣａｂｒａｌ

Ｊｒ．ＥＥＧ—ｂａｓｅｄｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ

ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎｏｆｌｅｆｔａｎｄｒｉｇｈｔｈａｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓｕｓｉｎｇａｄａｐｔｉｖｅ

ｇａｕｓｓｉａｎｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０００：２２：

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Ｎｅｕｐｅｒａ，ｂ

ＧＲＭｕ＇ｌｌｅｒｂ，ＡＫｕ＂ｂｌｅｒｃ．Ｃｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ

ｓｔｕｄｙ

ｉｎ

ａ

ａｎ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ

ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＣｌｉｎｉｃａｌＮｅｕｍｐｈｙ－

ＥＥＧ－ｂａｓｅｄｂｒａｉｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ａｅａｓｅ

ｓｅｖｅｒｅ

ｐａｔｉｅｎｔ

ｗｉｔｈ

ｓｉｏｌｏｇｙ，２００２；１１３：７６７－７９１

ｍｏｔｏｒ

ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔ［Ｊ］．ＣｌｉｎｉｃａｌＮｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，２００３；１１４：３９９－－４０９

（上接２２２页）

》唇

删出脚

时间＾ｎｉｎ

图９

电池单体检测模块采集值与电压表测量值误差曲线图

４小结

通过在电动汽车上的实际应用．整个动力电池组分布式管理系统表现出了良好的稳定性和精确性，具体为：电池单体检测模块能够准确实现电池单体电压和温度的测量。并将数据通过ＲＳ一４８５总线通讯实时传递给电池组综合管理器，如图９所示为针对动力电池组中５块水平铅酸电池的充电过程，电池单体检测模块所得到的单体电压采集值和万用表测量值之间的误差曲线图。可以看出误差保持在０．０５Ｖ范围内，足以满足对电池组的管理和监测要求：综合管理器能够对电池组的总电流和总电压进行实时精确监测．预测出的电池剩余电量也与电池组的实际状态较为符合。并且利用ＣＡＮ总线通讯可与整车综合控制器完成数据交换、保存和状态报警功能。由此表明．电动汽车动力电池组分布式管理系统满足了设计和使用要求．有着

较强的实用性。（收稿日期：２００５年１２月）

参考文献

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４．ＤｅｄｅｆＨｅｉｎｅｍａｎｎ，ＤｉｅｔｒｉｃｈＮａｕｎｉｎ．ＡＢａｔｔｅｒｙｏｐｔｉｍｉｚｅｄ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

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Ｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆ

Ｔｒａｃｔｉｏｎ

ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒ

Ｂａｔｔｅｒｉｅｓｉｎ

ＥＶｓ

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ａ

Ｎａｎｎｉｎ．Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ

Ｂａｔｔｅｒｙ

ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒ

ｘ—ＥＶｓ．ＥＶＳ－１７，２０００

２３２

万方数据　

２００６．２５计算机工程与应用

电动汽车动力电池组管理系统设计

电动汽车动力电池组管理系统设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

张承宁， 朱正， 张玉璞， 李红林， ZHANG Cheng-ning， ZHU Zheng， ZHANG Yu-pu，LI Hong-lin

北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081计算机工程与应用

COMPUTER ENGINEERING AND APPLICATIONS2006，42(25)2次

参考文献(5条)

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3.马忠梅.刘滨.戚军.马岩 单片机C语言Windows环境编程宝典 2003

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相似文献(3条)

1.期刊论文 张承宁.朱正.张彩萍.张玉璞.ZHANG Cheng-ning.ZHU Zheng.ZHANG Cai-ping.ZHANG Yu-pu 电传动车辆动力电池组分布式管理系统设计 -兵工学报2007,28(4)

根据动力电池组在电传动车辆上的使用要求,利用总线通讯技术,设计出电池组分布式管理系统,由一个电池组综合管理器和多个电池单体检测模块组成.系统采用基于循环工况的电池组剩余电量神经模糊预测方法,并为了实现对电池单体电压的精确采集,设计出具有特色的压控恒流源电路.实际应用表明,系统运行稳定正常,可扩充性好,对电池组状态预测准确.

2.期刊论文 钟静宏.张承宁.张玉璞.ZHONG Jing-hong.ZHANG Cheng-ning.ZHANG Yu-pu 电动汽车电池组管理系统研究及实现 -电源技术2006,30(11)

根据动力电池组在电传动车辆上的使用要求,设计出电池组分布式管理系统,它采用模块式结构,解决了8块电池单体电压的实时精确采集问题,为准确判断电池状况、精确测量荷电状态(SOC)打下良好基础.通过采用ANFIS算法不断优化参数,并得出一些经验数据有效预测出电池的剩余电量.实际应用表明,系统运行良好,扩展性好,对电池组预测准确.

3.学位论文 陈富章 锂离子动力电池组智能管理系统设计 2007

本文设计的锂离子动力电池组智能管理系统可以对电池组充放电全过程进行实时监控：实时采样电池组运行的各种状态参数，包括整组电池的总电压总电流、每个单体智能动力电池的电池电压、旁路电流、温度以及电量等；均衡电池间的差异；对电池组进行保护等几方面。在研究和总结国内外先进的电池管理系统基础上，对锂离子动力电池组管理系统的设计思想、结构以及电路均做了改进，本系统采用上、中、下三层的特殊主从式结构和分布式管理理念，引入了CAN总线、1-Wire总线和RS485总线的三总线联合控制模式，以及简单实用的均衡管理模块等技术。 首先，介绍了系统设计的总体方案及整体结构，然后对系统的上中下三层控制模块分层进行详细的介绍，包括设计的思路以及具体实现的硬件和软件，其中重点介绍了具有特色的部分，如：单体智能电池的概念，108个单体智能电池电压、旁路电流以及温度的检测方法和实现电路，电池均衡技术，上层和中层间的CAN总线、中层和下层间的1-Wire总线的设计方法和具体实现，PCI总线控制卡的设计等。最后，对设计的系统硬件和软件进行测试实验，并对实验结果进行分析。实验表明，本系统硬件和软件设计正确，这是一个具有特色先进实用的电池管理系统。

引证文献(2条)

1.高辉松.朱思洪.吕宝占 电动拖拉机发展及其关键技术[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2007(06)2.李顶根.李竟成.李建林 电动汽车锂离子电池能量管理系统研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2007(08)

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