基于電池管理系統(tǒng)的奧運(yùn)純電動(dòng)大巴中的設(shè)計(jì)

     摘要：本文以北京2008 奧運(yùn)純電動(dòng)大巴的運(yùn)營(yíng)為背景，重點(diǎn)介紹了電動(dòng)大巴上車載電池管理系統(tǒng)的工作特點(diǎn)以及硬件部分的設(shè)計(jì)理念，并完成了系統(tǒng)各部分之間的通訊設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)大巴各種工作狀況的檢測(cè)與控制。

　　1 前言

　　目前，能源緊張已經(jīng)成為推動(dòng)世界電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的源動(dòng)力，隨著電動(dòng)車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，，對(duì)作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件之一的蓄電池管理系統(tǒng)也提出了更高的要求。在北京2008 奧運(yùn)電動(dòng)公交專線的運(yùn)營(yíng)服務(wù)中，北京交通大學(xué)研制的應(yīng)用于奧運(yùn)純電動(dòng)大巴上的電池管理系統(tǒng)（BatteryManagement System，BMS），成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載動(dòng)力蓄電池狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，圓滿保證了電動(dòng)大巴的安全運(yùn)行。該電池管理系統(tǒng)具備單體電壓測(cè)量、溫度控故障、在線分析、故障定位、電池荷電狀態(tài)估測(cè)、顯示、故障輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。它還可應(yīng)用在采用蓄電池作為動(dòng)力源或者后備電源的場(chǎng)合，如混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、機(jī)車、公用電話網(wǎng)等。

　　2 電池管理系統(tǒng)的工作過(guò)程及特點(diǎn)

　　電池管理系統(tǒng)的主要功能可以分為以下五個(gè)部分：

　　1.單箱電池電壓的采集；

　　采用光電繼電器的逐節(jié)電壓切入的檢測(cè)結(jié)構(gòu)，解決了共地的問(wèn)題，避免了電阻分壓式的誤差累積的缺點(diǎn)，確保電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。利用手動(dòng)檢測(cè)模塊中的MAX111 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送到CPU 中進(jìn)行分析。

　　2.電池管理測(cè)控模塊的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀?。?/P>

　　通過(guò)RS-485 總線使電池管理系統(tǒng)的測(cè)控模塊與手動(dòng)檢測(cè)模塊的CPU 相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控模塊的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)還可以將測(cè)控模塊測(cè)量到的數(shù)據(jù)讀取到CPU 中。

　　3.檢測(cè)電池管理系統(tǒng)是否正常和電壓測(cè)量精度；

　　手動(dòng)檢測(cè)模塊可以通過(guò)LCD 將檢測(cè)結(jié)果，例如電池電壓，電池組溫度等顯示出來(lái)，方便用戶與電池組的sharp 高亮液晶顯示結(jié)果進(jìn)行比較，判斷出電池管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以利于有效的完成對(duì)電池組的管理。

　　4.顯示功能；

　　電壓檢測(cè)的結(jié)果輸送到CPU 后會(huì)存儲(chǔ)到E2PROM，同時(shí)也可以在顯示屏上顯示出來(lái)，方便用戶使用。

　　5.為電池管理測(cè)控模塊提供電源；

　　電動(dòng)汽車可提供24V 供電電源，變化范圍18~32V，所以電池管理系統(tǒng)的工作電源均由此得到。在手動(dòng)檢測(cè)模塊中，可以通過(guò)電源變換部分將24V 變5V，然后經(jīng)過(guò)電源隔離部分實(shí)現(xiàn)DC-DC 隔離，就可以為測(cè)控模塊提供電源。

　　3 硬件電路的設(shè)計(jì)

　　本章將以作者的實(shí)際工程開發(fā)為基礎(chǔ)，著力講述系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，及其整體功能的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。

　　3.1 管理系統(tǒng)的總體硬件構(gòu)造

　　系統(tǒng)的硬件框圖如下：

圖3.1 電池管理系統(tǒng)的硬件框圖

　　3.2 MCU 的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　采用的MC9S12A64CPV 是屬于Motorola 公司的HCS12 系列，HCS12 是繼HC12 系列之后推出的16位MCU，軟件兼容HC11。HCS12 系列功能性很強(qiáng)，在智能化儀器儀表，通信設(shè)備，家用電器等領(lǐng)域，特別是在便攜式，智能化的設(shè)備和自控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)模塊在工作中要記錄一些重要信息和運(yùn)行結(jié)果，如單體電池電壓，溫度等，在電動(dòng)汽車使用過(guò)程中記錄的電池組運(yùn)行數(shù)據(jù)也需要從存儲(chǔ)器中讀取、寫入，備份到PC 機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于日后對(duì)電池進(jìn)行分析和*價(jià)。這些信息存儲(chǔ)的準(zhǔn)確性和可靠性直接反映了系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性和可靠性。要求在任何情況下，如上電、掉電、各種干擾等，記錄的各種數(shù)據(jù)均不能改變。通行的辦法是考慮使用防掉電RAM或EEPROM。防掉電RAM需要電池，成本較高，且電磁兼容性能差。所以選擇串行EEPROM 作為數(shù)據(jù)記錄單元，其主要衡量指標(biāo)有接口方式、容量、擦寫次數(shù)以及抗干擾能力等。

　　3.4 硬件看門狗設(shè)計(jì)

　　“看門狗技術(shù)”就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則強(qiáng)迫程序返回到0000H 入口處，使程序重新開始。

　　本板設(shè)計(jì)的看門狗電路采用的是MAX 公司的專用集成微處理器監(jiān)控復(fù)位電路MAX706。

　　MAX706 系列m p 監(jiān)控芯片能實(shí)現(xiàn)以下四方面的功能：

　　1.在電路上、掉電及異常時(shí)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)達(dá)200ms 的復(fù)位信號(hào)。

　　2.有一個(gè)獨(dú)立的看門狗。當(dāng)1.6s 以上沒觸發(fā)看門狗輸入時(shí)，看門狗輸出變低。

　　3.有一個(gè)1.25V 的電壓門檻檢測(cè)器，用于掉電報(bào)警、電池欠壓或監(jiān)控高于5V 的電壓。

　　4.一個(gè)低電平有效的手動(dòng)復(fù)位輸入，用以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能。

　　3.5 顯示部分設(shè)計(jì)

　　顯示部分主要作用是方便用戶和電池管理系統(tǒng)的交互操作。通過(guò)顯示結(jié)果，讓用戶對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)有一個(gè)清晰的了解。

　　顯示部分主要由液晶器件來(lái)完成。選用16*16 點(diǎn)陣顯示中文漢字或字符，以每行八個(gè)字每屏四行共32 個(gè)中文漢字進(jìn)行顯示。所以采用的相關(guān)芯片應(yīng)該是12864 型。考慮到本設(shè)計(jì)最常顯示的字符并不多，只有四十多個(gè)，所以決定選用不帶字庫(kù)液晶器件，自行對(duì)將要顯示的字符進(jìn)行編碼。

　　3.6 電壓檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　　從電池組將各組電壓通過(guò)接線引出，經(jīng)過(guò)濾波后，利用光控繼電器進(jìn)行選擇，通過(guò)電壓檢測(cè)芯片MAX111 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，后輸出，完成電壓檢測(cè)功能。

　　管理系統(tǒng)采用光電繼電器的逐節(jié)電壓切入的檢測(cè)結(jié)構(gòu)，電池電壓的具體測(cè)量過(guò)程為：例如想要測(cè)量電池B1 的電壓，則閉合開關(guān)S1（其余開關(guān)全部斷開），這時(shí)候Vin=VB1，經(jīng)過(guò)雙積分A/D 轉(zhuǎn)換芯片將模擬；下一時(shí)間，需要測(cè)量B2 的電壓，這時(shí)只需要先斷開S1，然后閉合S2，此時(shí)Vin=VB2。依次類推，依次可測(cè)量其它電池的電壓，并且此種測(cè)量方法各個(gè)電池互相獨(dú)立，不存在誤差累積的問(wèn)題，所以測(cè)量精度更高。另外，高壓電池側(cè)和低壓CPU 側(cè)隔離，避免了高壓側(cè)對(duì)低壓側(cè)的威脅。

　　3.7 電源變換模塊

　　霍爾元件的供電電壓為5V，因?yàn)榛魻栐男盘?hào)是反饋到驅(qū)動(dòng)元件上，所以霍爾元件的供電電壓應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)部分由24V 直接轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的外加引入電源是24V，在通過(guò)DC/DC 變換器與控制部分電源完全隔離后，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換即可得到5V電壓。

　　4 通訊接口設(shè)計(jì)

　　4.1 通訊方式簡(jiǎn)介

　　單片機(jī)與終端計(jì)算機(jī)的通用接口從類型上講主要有兩種，有線通訊最常見的有232 和485 通訊。RS-485主要適用于遠(yuǎn)距離，功率損耗較大的場(chǎng)合。本測(cè)量系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)多應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合，環(huán)境惡劣，干擾較強(qiáng)，多采用遠(yuǎn)距離抄表，RS-485優(yōu)異的抗干擾特性和遠(yuǎn)距離傳輸能力就成為本設(shè)計(jì)的首選。

　　4.2 通訊方式的選用

　　從機(jī)掛在RS485 總線上，采用半雙工工作方式。因?yàn)閺臋C(jī)采用單片機(jī)MC9S12D64，其引腳為TTL 電平, 串行接口電路由于RS485 信號(hào)電平與單片機(jī)信號(hào)電平(TTL 電平)不一致,因此，采用RS485 標(biāo)準(zhǔn)時(shí),必須進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中選用MAXIM 公司生產(chǎn)的MAX485 芯片將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS485 電平。

　　4.3 光耦隔離模塊的應(yīng)用

　　為提高工作可靠性，整個(gè)系統(tǒng)電路由24V 變換后的單獨(dú)5V 電源供電，各路信號(hào)全部采用光耦隔離輸出，杜絕電聯(lián)系，提高了抗干擾能力。由于信號(hào)的高低電平變化不頻繁，在從控制質(zhì)量和成本兩方面考慮的前提下，我們采用TI 公司的高速光耦6N137 和Toshiba 公司的低成本光耦TLP521-1 作為信號(hào)的隔離芯片，為了保持邏輯的清晰，光耦設(shè)計(jì)采用同相邏輯。

　　5 結(jié)論

　　本文以?shī)W運(yùn)鋰電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，專門設(shè)計(jì)了適用于車載電池管理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，包括MCU,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，電壓檢測(cè)，顯示，通訊部分等，并搭建了整個(gè)BMS 的硬件框架。通過(guò)分析奧運(yùn)會(huì)期間采用BMS 的電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行狀況，文中提出的電池管理系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性好、檢測(cè)精度高，優(yōu)點(diǎn)顯著。

參考文獻(xiàn):

[1]. MAX111  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX111+_470959.html.
[2]. RS-485  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS-485+_584821.html.
[3]. HCS12  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/HCS12+_370850.html.
[4]. PC  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[5]. MAX706 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX706_846094.html.
[6]. B1  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/B1+_2047683.html.
[7]. B2  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/B2+_2047735.html.
[8]. RS485  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485+_585289.html.
[9]. MC9S12D64 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MC9S12D64_210887.html.
[10]. TTL  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TTL+_1174409.html.
[11]. MAXIM  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM+_1062568.html.
[12]. MAX485  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX485+_859396.html.
[13]. 6N137  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/6N137+_91364.html.
[14]. TLP521-1  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TLP521-1+_652800.html.