DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用 - 图文-

1、文章编号:1008-0562(2010010132-04一种基于DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用张华辉,齐铂金,郑敏信,吴红杰(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083摘要:设计了一种基于DSP的锂离子电池管理系统,以DSP为核心处理器,设计了采样电路、通讯接口、控制接口等。能够实现单体电池电压、总电压、电流、温度的检测,具有SOC估算、通讯、计算机监测等功能,该电池管理系统结构简单,使用方便,能够很好的满足实际使用的需要。关键词:锂离子电池;电池管理系统;DSP中图分类号:TP212文献标识码:ADevelopment and application of a manag

2、ement system based on DSPprocessor tor li-ion battery seriesZHANG Huahui,QI Bojin,ZHENG Minxin,WU HonIgJie(School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University(BUAA,Beijing100081,China Abstract-A management system based on DSP processor for Liion battery series has been developed in th

3、isstudy.The DSP processor is used as its kernel processor.Also,the sampling circuit,the communication Lntefface and the contr01interface are designed.The battery management system has the capabilities in detecting thevoltage of every battery in the series,the total voltage of the series,the current

4、flowing through the series and the temperature around the series,etc;predicting the battery seriesstate of charge(SOC;communicating with computer,and then PC detective and display.The system is simple in configuration and convenience in manipulation.The system operates well in practice and meets the

5、 requirements.Key words:Liion battery:battery management system;DSP0引言锂离子电池是一种新型的二次电池,具有端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低、无污染等特点【14】,已经成为国内外电池发展的主流。目前,锂离子电池已经广泛应用于手机、笔记本电脑等多种便携式电子设备中,也有越来越多的电动车和军用设备采用锂离子电池提供其驱动能源【4】。在这些设备上,锂离子一般多节电池串联使用,而由于各单体电池在加工、使用过程中产生的不一致性【5剖,导致电池组的使用性能大大降低。因此,对锂离子电池组外特性的监测和SOC估测就成

6、了电池使用的重要保障。现有的电池管理系统,有使用电池管理专用芯片来实现电池管理的f7。9】,但是专用芯片功能简单,一般不具有CAN 通讯和复杂运算能力,有时不能满足系统的需要。也有使用单片机实现管理ll引,但是处理速度不能很好的满足需要,而且结构硬件相对复杂,在线调试修改困难等Il¨。本文针对一个7路的备用锂离子动力电池组(其连接方式如图1,研究了电池的管理方案,分析了关键技术的难点,在此基础上,研制了一种基于TMS3201f2407的锂离子电池管理系统,该系统能够实现单体电池电压、总电压、电流、温度的检测,具有SOC估算、通讯、计算机监测、数据自动存储等功能,并且解决了电流检测及在

7、线调试方面的问题。窭雹雹雹窭雹h总正图l锂离子电池组连接方式Fig.1the LiIon Battery Series基金项目:高新技术研究发展规划“863”项目电动汽车莺大专项车用动力蓄电池组及其管理系统子项(2005AA501550作者简介:张华辉(1979-,女,浙江兰溪人,博士研究生,主要研究方向为新型电源技术及应用,E-maih lunahhlII。本文编校:焦丽第1期张华辉,等:基于DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用133 1系统总体方案串联电池组是由7路单体电池串联构成,根据电池管理系统的技术和功能要求如下:(1采集7个单体电池电压,精度为0.05V;(2电池组环境温度检测,

8、精度要求:0.5;(3充放电检测控制,电流检测精度:0.01A:(4体积不超过130rnrnx120mmx20mm;(5系统响应速度不超过ls:(6系统工作温度范围:-30+70;(7单体电压过高(>4.25V、单体电压过低(<3.0V、电池环境温度过高(>55以及充电完毕时,开启声光报警信号。根据上述技术要求,作者设计了基于DSP的电池管理系统,图1是该电池管理系统的总体设计方案图。DSP控制光耦固态继电器阵列的开通与闭合,从而选通对应电池的电压进入滤波、运放电路,进而被DSP的AD采样。采用DSl8820采集电池组温度信号,经过滤波之后,由DSP读取、处理。同时DSP还接

9、收来自充电机的放电电流信号。DSP接收电池组的电流、电压、温度信号之后,经过软件滤波,一方面将这些数据送至RS232接口通过专门的显示界面显示;另一方面,这些数据为估算电池组SOC提供依据,也是故障判断的依据。最后,DSP根据故障诊断结果控制充电和放电,并在电脑显示界面上报警。7路电池组DSP处理系统电脑-_充电机图2电池管理系统原理Fig.2a block diagram ofproposed BMS系统关键技术及其解决方案(1主控制电路设计TMS320LF2407作为主控芯片。它具有处理性能好、程序存储容量大、A/D转换速度快等特剧12】。且具有在线调试仿真功能,很好的适应了现场应用调试的

10、要求。主控制电路包括内核电路和外围扩展电路。内核电路包括:时钟电路,供电电源与复位电路,数据存储器扩展电路,实时时钟电路等。主控制模块外围扩展电路主要包括:SCI接口模块、单总线接口模块、数字IO模块、ADC输入模块等。其中数字Io接口的输出主要用于(1电池采样选通信号,(2声光报警信号,(3强电控制信号。为避免线路串扰,对所有外围扩展接口均进行了隔离。(2单体电池电压采集电路设计了光耦继电器分时导通采样方案。由于单体电池串联不共地,而且电池串联起来电压比较高,所以采用隔离电压高、体积小的光耦继电器,根据CPU的采样指令,把每个单体电池的正负极分时连接在单体电压采集总线上,再经过线性隔离放大,

11、送到CPU 的AD采集单元。控制光耦继电器的选通逻辑信号通过DSP软件控制,保证选通逻辑信号的可靠,使之不会误导通。该方案在保证使用性能的基础上,减小了系统体积和重量。(3温度传感方案的确定温度传感选用了半导体测温传感方式,该传感器采用Dallas的1-Wire总线协议,把温度转化为数字信号传输,而且总线上可以并联多个温度传感器。根据既定的技术方案,进行了采样控制板的设计。该电路板主要由电池单体电压信号采集电路、温度采集电路、通讯接口电路和数据存储模块等组成。表1是该电路板的设计参数。表17路采样控制板设计参数Tab.1design parameter of7circuits sampling

12、 control boud项目参数模块工作电压范围/v工作温度范围/'C电路板尺寸/(mmxmm系统体积/(mm×mm*mm系统响应速度/s检测精度DC384085122x96122x96x20(4软件方面,主要采用分时处理模式,由电池信号采集模块,温度采集子程序,电池状态监测、判断与报警子程序,电池状态参数存储子程序,t34辽宁工程技术大学学报(自然科学版第29卷电池故障诊断子程序,电池SOC估测算法,抗干如图3。扰滤波算法,串口通讯子程序等组成。其算法框图厂、I开始/七Tl计数器渍零,清除中断标志复位看门狗,开总中断,_,褂奇静杖豁;“”。7I I l11r1r1r1r单

13、体电压读取温度数据k黜款串口发送数据估算soc值分时选通软件触发读取AD转换值,计算总电压,Ah法计算AD转换奇异值滤波并进行中值滤波电压平均值SOC值.,.,读取AD转换值,l加权平均滤波l奇异值滤波I I蓍嘉器釜寿J并进行中值滤波IT加权平均滤波故障诊断奇异值滤波发送和处理故障诊断结果加权平均滤波l I.*(中断返回图3电池管理系统软件流程Fig.3flowchart for the proposed BMS algorithm2.2S00估计算法计,对系统的输入输出隔离、屏蔽采取了有效的措SOC是动力电池最重要的一个量,很多控制策略都和SOC相关。在研究锂离子电子模型的基础上,采用了考虑

14、电池电压、电流、温度和寿命等因素在内的All计量法,再辅之以电池运行动态过程中的合理修正来评估,使SOC精度很好的满足了实际需要。在对系统的电磁兼容性、抗干扰进行了深入研究的基础上,对系统的硬件部分进行了精心的设施,同时采用软件滤波抗干扰,使整套系统的抗干扰性得到了大大的提高。该系统配有与笔记本电脑的通讯接口。开发了基于VB的电池监测程序,在PC机上运行,方便了开发过程中的调试工作,在台架实验或平时使用过程中,可以方便直观的看到每一个电池的状态。图4是在台架实验中电池监测程序的使用界面。第1期张华辉,等:基于DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用135图4电池管理系统实验时的监测界面Fig.4

15、the detective interface ofthe BMS以上述研究成果为基础,完成了电池管理模块的研制开发,并进行了相关试验。试验部分数据如图5,图6。图5是实际端电压和检测值的对比图,图6是电池组放电曲线图。图5电池单体实际端电压和系统检测值对比Fig.5comparative discharge curve between actual andsystem detective voltages29>苗27删囊25爱御2321放电时间/h图6电池组放电曲线Fig.6experimental discharge cHIve ofthe battery series 试验证明,该

16、系统实现了对锂离子电池的充放电保护,其对故障的响应速度达到了20ms。3结论本文所研制的电池管理系统,由于采用了数据处理专门芯片DSP而具有较高的数据处理速度,且在线调试可操作性强,可对电池的运行参数进行检测,具有显示界面和故障诊断功能,通过通讯线路,可以在笔记本电脑上的显示界面可以清楚地显示每一节电池的电压值、电池箱中的温度值、电池的SOC值及故障代码等信息,在运行过程中,如果发生过充、过放等故障,可以通过显示界面清楚地看到,管理系统也会做出相应的动作,管理系统还具有数据自动存储功能,可以利用笔记本电脑存储实验数据,有利于在试验阶段进行数据分析。目前,该系统已获得应用,运行良好,可靠性、抗干

17、扰能力等都达到了较高的要求。参考文献:【1】张文保,伲生麟.化学电源导论D川.上海:上海交通大学出版社,1992【2】郭炳煜,李新海,杨松青.化学电源电池原理及制造技术M1.长沙:中南大学出版社,2003.【31吴宇平,戴晓兵,马军旗,等.锂离子电池一应用与实践iM.北京:化学工业出版社.2004.【4】陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术M.北京:北京理工大学出版社,2002.【5】胡广侠.锂离子电池充放电过程的研究D.上海:中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2002.【6】宫学庚.电动汽车电池管理系统的研究【1】.北京:北京航空航天大学, 2005.【7】J.Chatzakis,K

18、.Kalaitzakis.Designing a New Generalized Battery Management System【J】.IEEET揪tiom Oil Industrial Electronics, 2003,50(5:990-999.f3】J.Alzieu,ECragnoi,S.Smimim.Development of an Onboard Charge and Discharge Management System for ElectricVehicle Bauefies田.Journal ofPower Sources,1995,53:327333.【9】李颖宏.电池

19、监测芯片DS2438及其在电动汽车能量管理系统中的应用【J】.自动化与仪器仪表。2002(1:3031.【lO】肖秀玲,王贵明,王金灿.基于DS2438芯片的电动车蓄电池在线监测管理系统川.制造业自动化,2002,24(11:17-20.【ll】张菊秀,全书海,刘倩.基-于CAN总线的蓄电池SOC动态测量系统【J】.微计算机信息,2006,22(14:116-117.【12】刘和平.TMS320LF240x DSP C语言开发应用【M】_E京:北京航空航 天大学出版社,2005. 一种基于DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用作者:张华辉, 齐铂金, 郑敏信, 吴红杰, ZHANG Huahu

20、i, QI Bojin, ZHENG Minxin, WU Hongjie作者单位:北京航空航天大学,机械工程及自动化学院,北京,100083刊名: 辽宁工程技术大学学报(自然科学版英文刊名:JOURNAL OF LIAONING TECHNICAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION年,卷(期:2010,29(1被引用次数:0次参考文献(12条1.张文保.伲生麟化学电源导论 19922.郭炳焜.李新海.杨松青化学电源-电池原理及制造技术 20033.吴宇平.戴晓兵.马军旗锂离子电池-应用与实践 20044.陈清泉.孙逢春.祝嘉光现代电动汽车技术 20025.

21、胡广侠锂离子电池充放电过程的研究 20026.宫学庚电动汽车电池管理系统的研究 20057.J.Chatzakis.K.Kalaitzakis Designing a New Generalized Battery Management System 2003(58.J.Alzieu.P.Gagnol.S Smimite Development of an On-board Charge and Discharge Management System for Electric-Vehicle Batteries 19959.李颖宏电池监测芯片DS2438及其在电动车能量管理系统中的应用期刊论文

22、-自动化与仪器仪表 2002(110.肖秀玲.王贵明.王金灿基于DS2438芯片的电动车蓄电池在线监测管理系统期刊论文-制造业自动化 2002(1111.张菊秀.全书海.刘倩基于CAN 总线的蓄电池SOC 动态测量系统 2006(1412.刘和平TMS320LF240x DSP C语言开发应用 2005相似文献(10条汽车工业的蓬勃发展促进了世界经济的迅速发展,给人们提供了便利,但同时也带来了能源问题和环境问题,目前国内外研究开发了以铅酸电池、镉-镍电池、镍-氢电池和锂离子电池为主的电动汽车动力电池,这可以在一定程度上缓解并最终解决这两大问题.为了优化电池组的使用状况,延长电池组的使用寿命,迫

23、切需要一种能够实时反映电池剩余电量、快速找出故障电池、提高整组电池寿命的设备,即电池管理系统.电动汽车的电池管理系统担负着测量、预警、估算、通讯、均衡这五部分功能.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

24、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。3.期刊论文蔡振标.王新安.CAI

25、Zhen-biao.WANG Xin-an基于双- ADC的智能型锂离子电池管理系统-微电子学2007,37(5由于锂离子电池的充放电过程对应的是电池内部材料化学反应的过程,故其充放电过程是非线性的.为了精确地量测电池可输出电量,提出了一种行之有效的库仑监测法,重点阐述了如何在硬件上实现双- ADC和微控制相关设计.该库仑监测法利用双- ADC,在监测流经电池的瞬间电流的基础上,同时记录电池电压,以及芯片内外部温度等信息,最大程度上实现对电池可输出电量算法的补偿,从而构架高精度智能型电池管理系统.近年来,锂离子电池被研究人员用在水下机器人和电动汽车上作为动力能源,锂离子电池的管理和应用成为水下

26、机器人和电动汽车等发展的关键技术之一。本文研究了锂电池管理系统,阐述了系统设计与实现方法。首先分析了锂电池的工作特性,影响剩余容量的因素,比较了几种估算电池荷电状态(SOC的方法,并研究了在本系统中采用的SOC估算方法,即开路电压与电量累积相结合的方法。然后设计和实现了一种锂电池管理系统,电池管理系统直接检测及管理锂电池工作的全过程,包括电池充放电过程、电池安全保护、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断几个方面。按照电池管理系统的总体控制方案和模块化设计的思路,详细分析了管理系统的微控制器、数据采样模块、本文设计的锂电池管理系统硬件电路可靠、经济、抗干扰能力强，经实践检验SOC剩余容量的估

27、计比较准确。 5.期刊论文 王萍.顾燕 关于国内外锂离子电池管理系统的现状分析 -考试周刊2009,""(46 在当前我国的能源与环境形势下,电动汽车是适应节能环保要求、满足家庭日常通勤需要、具有广阔市场前景的纯电动车辆,而电池作为其最重要的 动力源,对于车辆的使用性能和安全性等有着重要的影响.本文结合微型电动汽车的使用情况,对国内外锂离子电池管理系统的现状进行了简要的分析. 6.学位论文 蔡振标 基于双ADC的锂离子电池管理系统设计与实现 2007 随着集成电路设计及相关技术的进步，越来越多的便携式产品进入了人们的视野并逐渐开创了消费类电子产品的巨大市场。这些便携式产品，

28、包括 行动电话，数码相机，音视频播放器，笔记本电脑等等，都是各自独立的系统，但他们都离不开可充电的二次电池。而锂电池以其体积小，能量密度高 ，循环寿命长等特点成为了便携式产品电源供应的首选二次电池，也是目前应用最广，占据最大市场份额的二次电池。 由于二次电池的充放电过程对应的是电池内部材料化学反应的过程，故其充放电过程是非线性的，影响电池充放电特性的因素众多，而且电池的种 类繁多，每种电池甚至每个厂家生产的电池都可能具有迥然相异的充放电特性，这些都构成了发展一套适用于多种电池的电量管理系统的挑战。然而由 于二次锂电池的广泛应用，近些年来，国内外的研究机构以及业界的知名企业也都在智能型锂电池管理

29、系统的研究上取得了重大的进展，提出了多种可 适用于各种不同应用环境的电池电量管理系统。 本文首先介绍锂离子电池的电化学特性，并在此基础上提出完整的锂离子电池管理系统定义；然后列举了目前业界实现锂离子电池电量监测的各种 方法，并在对各种方法的特性分析基础上，提出了本文实现的方法：库仑检测法。该库仑检测法利用双4DC，在检测流经电池的瞬间电流的基础上 ，同时记录电池电压，芯片内外部温度等信息，最大程度上实现对电池可输出电量算法的补偿，从而构架高精度智能型的电池管理系统。 由于本文实现方式是一个混合信号系统，首先，将会从系统学的角度来分析实现该混合信号系统，着重描述模拟和数字部分之间的交互，随后，将

30、 会从电路学的角度来实现该系统，其中主要包括多通道调制器，芯片内外部温度感应电路，参考源电路以及相关周边电路的实现。 7.期刊论文 郑敏信.齐铂金.吴红杰.张华辉.Zheng Minxin.Qi Bojin.Wu Hongjie.Zhang Huahui 混合动力客车锂 离子动力电池管理系统 -高技术通讯2008,18(2 根据混合动力客车锂离子动力电池组单体只数多、分布比较分散的特点,设计了基于双CAN总线的分布式电池管理系统(BMS.该系统由若干采样模块 和一个主控模块组成,与动力电池之间的连线数量少,可扩展性强,而且采用复杂可编程逻辑器件(CPLD技术实现了串联电池组单体电压的采样方法,

31、实现 了温度的低成本采样方法,建立了基于"预测一修正"方法的动力电池荷电状态(SOC的估算方法,可以实时地修正SOC估计的误差和可靠地实现对动力电池 运行时状态参数的监测,提高电池SOC的估算精度. 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

32、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

33、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