电动车电池管理系统设计及实现

信号。R5为精密金属电阻，R5=20Ω／2W。由于从传感器过来的电流是双向(-75mA-+75mA)的，因此其转换得到的电压是正负电压，这样不利于A／D采样。为此本文设计了一个加法器，它的功能是将以0V为中心的正负电压提升至以2．5V为中心的正电压(1～4V)，这个电压范围正好是A／D采样的范围。
2．3 温度检测
电池温度的测量采用DALLAS公司的DS18B20温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司继DS18B20之后推出的增强型单总线数字温度传感器，其温度测量范围是-55～+125℃，用户可以通过编程实现9～12位的温度转化结果，即具有可调的温度分辨率，最高分辨率可达0.0625 ℃。DS18B20内部对采样的结果可提供0．5℃的分辨率，采样结果以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。

系统需要采集多点的电池温度，本文曾考虑过采用DS18B20的多点组网功能来实现单体电池温度采样，但是多点采样时需要识别每个DS18 B20独有的ROM码，影响采样速度，同时无法将ROM码同器件的实际物理位置关联起来，所以多点组网功能不适合单体电池温度的巡检。本文提出一种同时启动，分时读取数据的DS18B20多点温度采样方法。该方法中DS18B20的采样启动和数据读取都是跳过ROM码校验进行的。DS18 B20的连接方式如图4所示。

图中K1、K2、……Kn表示的是光电继电器，其通断情况同样由移位寄存阵控制。一开始K1、K2、……Kn全部闭合，MCU向所有DS18B20发送采样启动命令，启动命令发送完后断开所有光电继电器，然后逐个闭合K1、K2、……Kn，读取相应传感器的温度数据，实现分时读取数据。采用同时启动分时读取数据的多点温度采样方法，其所用时间仅比单点温度采样所用的时间多了数据读取的时间，所以其采样速度比较快。

3 系统软件设计
3．1 LECU模块软件设计
本地智能采集模块负责将电池的各项信息采集后发送到中央管理模块。系统上电后，首先对各个变量、CAN通信和定时器进行初始化。各项初始化完成之后，开启两个定时中断Timer0和Timer1，进入死循环。Timer0产生定时中断后，进入中断服务程序启动电压数据采集，将采集到得数据存入指定的存储位置，中断时间为500ms。Timer1同样设置为500ms产生一个电断，进入中断后启动电流和温度数据采集，然后将采集到得电流、温度和单体电池电压数据一起通过CAN总线发给中央处理单元。本地智能采集模块的程序流程图如图5所示。

3．2 CECU模块软件设计
中央管理模块完成对LECU模块采集的数据的分析、处理和显示。主要包括充放电状态判断，对电压、温度进行排序，判断电池电压、电流、温度是否异常?如果异常，对异常情况做相应的处理和报警；根据电池的各项参数对电池进行SOC估算，在LCD上显示电池组的工作状态，包括总电压、总电流、电池组的最高电压与最低电压、最高温度与最低温度、各单体电池的电源、电池剩余电量SOC、充放电状态、报警信息等。中央管理模块的程序流程图如图6所示。

4 SOC估算方法
本文采用了一种综合的电量估计方法，它以开路电压法和安时积分法为基础，充分考虑各种影响因素并进行补偿。
(1)开路电压法获取每次上电的初始剩余电量SOC0开路电压法利用电池的放电深度与电池的开路电压的关系，通过测量电池的开路电压来估算SOC。在实际运用中，电池管理系统实时所采集的电池端电压在电池充放电的过程中变化比较大，不能准确地对应电池的开路电压，所以我们无法在运行过程中利用端电压来估计电池的剩余容量。但是，电池在停止充放电后，其端电压会发生变化，随时间逐渐趋于稳定。当端电压稳定时，这时的端电压与容量的关系就比较明确。电池静置的时间越长，其端电压越能表征其内部容量。所以可以考虑将电池的静置时间t作为参数，在电池静置前的容量SOCn与电池稳定后其端电压所表征的容量SOCm做一定的加权，如式(4)。

式中：T为电池端电压稳定所需的时间；t为电池静置时间(即两次使用的间隔时间)；SOCn为电池静置前的剩余容量；SOCm为电池端电压稳定时的剩余容量。
理论上来说，T是一个无穷长的时间，但实际上，一般端电压的变化率小于一定值时就认为其是稳定的。电池稳定后其端电压所表征的容量SOC由电池供应商提供的电池参数确定。
(2)安时法确定放电状态下t时刻剩余电量SOCt假设在△t时间内，电池以恒定电流放电，在时刻n其电池时间容量为：

式中：△C(放电为正，充电为负)为△t时间内电池的充放电容量。
由C=Idt转化为积分形式后，即：

式中：Ct为t时刻电池的容量；C0为放电初始电池容量；i(t)为t时刻的电流。
由上式可估算出t时刻电池的剩余电量SOCt：

当然电池不是一个简单模型，它的电量受到温度、充放电电流、充放电循环次数、自放电等多种因素影响，其中有些因素对电量估计的影响很大。因此剩余电量的估算应该充分考虑各种因素的影响，并进行相应的补偿，如：充放电效率补偿、自放电及老化补偿、放电率补偿和温度补偿等。

5 总结
电池管理系统是电动车不可缺少的一部分，它运用各个学科的技术手段来实现电池状态的监控和管理，从而提高电动车运行的可靠性，延长电池的使用寿命，为电动车下一步的智能一体化提供了可扩展的平台。