混合动力车用蓄电池管理系统穴bms雪的研究和开发

混合动力车用蓄电池管理系统穴bms雪的研究和开发

1电池管理系统概述混合动力汽车的车身性能在很大程度上取决于动态电池。高性能和高可靠的电池管理系统可以在不同的工作条件下最佳电池性能。通过蓄电池管理系统(BMS)来实时监测电池状态，如电池电压，充放电电流等，预测电池SOC、最大允许充放电电流，以提升电池性能和寿命，提高混合动力汽车的可靠性和安全性。本文电池管理系统(BMS)，是某混合动力大客车项目的一个子项目，采用镍氢动力蓄电池(Nickle-MetalHydrogen)，共有260个单体NiMH电池，组成26个电池模块，10个单体串连成一个模块，分别固定在在三个电池盒体中。开发了先进的电池管理系统(BMS)，其主要功能有以下几点：(1)能够精确的监测电池组的各种运行参数，如模块电压、电池组总电压、电池温度、电流。(2)通过各种可测的电池参数来预测电池的SOC(StateofCharge)、SOH(StateofHealth)、最大允许充放电电流、放电深度DOD(DegreeofDischarge)等。(3)通讯模块，BMS采用高速CAN总线通信方式，满足实时性要求。(4)故障诊断，实时的获得电池组的各种状态，在故障出现时，发出不同等级的报警消息，并能够采取相应的措施，以保证电池组的安全。2高压继电器控制图1是本BMS及电池的系统框图。NiMH电池安装在三个电池盒中，以高压线将其串连，并安装熔断器和高压继电器，电池电压、电流、温度等信号通过线束接入BMS控制器，BMS依据采集的信号，通过算法计算SOC、SOH等参数，并且控制高压继电器、冷却风扇、便携式充电机等，具有CAN网络通讯以及监测用RS232接口。2.1混合动力客车的硬件设计本系统采用motorola32位高性能单片机MC68376作为控制单元，该单片机它采用了高速互补金属氧化物半导体HCMOS(High-SpeedComplementaryMetal-OxideSemiconductor）和精简指令系统计算机RISC(ReductionInstructionSetComputer）技术，并且自带TouCAN模块，因而具有较高的执行速度、较低的功耗、较好的稳定性和很强的数据处理功能、通信功能。(1）电压测量BMS需要精确的测量电池电压、电流、温度，确保电池安全稳定的工作，同时为SOC、SOH的预测提供精确的数据输入。电压测量线束前段需接一个较大电阻，如图2所示，以起到分压、保护电路板作用。模块的电压正负极接入光藕继电器，同一时刻只导通一路光藕继电器，经过放大滤波，送入12位高精度的AD转换器，再将转换后的数字量经过光耦合器6N137，送入主控ECU，起到保护ECU并隔离干扰，获得了较高的测量精度。这样可实现硬件部分分时复用，简化电路，降低成本。(2）电流测量在混合动力客车上，由于电机频繁的工作于助力和回收能量的状态，电流的变化很大(正负数百安培)，因此我们采用了高精度霍耳电流传感器，其线性度εL为±1%，反应时间<3μs，跟随精度di/dt为50A/μs，经12位高精度AD转换，光耦合送入单片机，在底层软件设计上，区分电流方向，以辨别是充电还是放电状态。(3）温度测量由于充放电过程中的可逆与不可逆现象会使电池温度升高，过高温度会引起电池性能恶化，并减短电池寿命，电池容量急剧变小，为此，需将电池温度控制在合适范围内。由于温度变化较慢，所以选择热敏电阻传感器，既满足了要求又降低了成本。将热敏电阻组成一个电桥，测得值送入12位高精度AD转换器，再经过光耦合器送入ECU。同时HEV客车中电机、高压电、发动机等的存在，电磁环境十分恶劣，干扰严重，需要在硬件设计上，从元器件的选择，接地技术，电磁兼容设计，到PCB板布线都需要全盘精心考虑。在软件上也需要做相应的处理，采样信号软件滤波处理，程序采样冗余处理等，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。(4)CAN通信设计HEV上控制器数目很多，如整车控制器、BMS控制器、AMT控制器、电机控制器等，而且各个控制器间需要进行数据交换和共享，数据量十分庞大，并且实时性要求十分严格，为此我们选择CAN总线，图3是混合动力客车CAN节点连接示意图。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制、多主控制器的异步串行通讯网络，采用非破坏性仲裁机制，具有很强的纠错能力，适合高噪声的环境，并且传输距离较远；传输介质可以是普通双绞线，大大减少了线束；高速通信，最高速率可达1Mbit/s/40m，可满足实时性需要。到目前为止，CAN总线是发展最为迅速运用最广泛的工业控制总线之一，尤其在汽车行业中更为突出。因此我们选择了CAN总线网络，实现各控制器间的通讯。图4是CAN通信的接口电路设计，采用Philip82c250CAN收发器，经过光耦合，送入单片机TouCAN模块。BMS系统将电池电压、电流、温度、计算的SOC、最大允许充放电电流以及电池运用的状态码(如温度过高，过充过放等)打包送到CAN总线网络，需要这些信息的其它控制器即可解包。2.2安时积分修正算法BMS的软件是整个系统的灵魂部分，采用汇编和C语言混合编程方式，在底层程序中运用汇编编程，以满足实时性要求；而在上层程序中运用C语言编程，发挥高级语言编程灵活、移植性、可读性、维护性好的优势。(1）底层软件设计底层程序是采用汇编语言编写的，它负责对单片机各个功能模块的初始化、各种中断处理、时钟处理、数据采集的A/D或D/A转换、数据输送通信，比如将上层程序的命令要求(数字信号)转变成模拟信号对控制对象进行控制，或者从控制对象采集到的模拟信号转变成数字信号传送给上层程序等，也就是起到了上层程序和控制对象间的桥梁作用。(2）上层程序设计上层程序是整个蓄电池组管理系统单片机程序的核心部分，它包括了所有的控制策略和控制算法。主要功能有电池管理(包括算法、状态控制、安全等)、热量管理、系统自检和故障诊断、充电管理。以下主要介绍SOC算法和故障诊断。1)SOC的预测到目前为止，电池SOC的算法众多，如Ah积分模型、神经网络模型等，运用最多的还是基于安时积分修正算法。(1)安时算法介绍安培时间积分法的基本思想就是把不同电流下的放电电量等效成某个特定电流下的放电电量。其核心就是Peukert方程。这里要用到一个加权系数ω，ω可以通过实验结合Peukert方程得出。通过连续采样蓄电池的电流，对时间与放电电流(充电电流取负值)进行积分，于是得出折合后的等效电量变化量公式如下:放电时i>0，ω为放电系数；充电时i<0，ω为充电系数。式中：△C——以电流放电(充电)时的电池容量变化量，Ah;i———放电电流(充电电流)，A;t———以电流I放电(充电)的时间，h。再由初始电量C0减去电量变化量△C就得到了剩余电量Cr，即Cr=C0-△C。则(2)对安时法的修正a可用容量的修正电池循环使用引起的内部化学降解也会导致容量损失。电池容量会随着循环次数增加而开始有所增加，最后趋于减少，变化曲线见图5。在计算电池SOC时，必须要将老化因素考虑进去。蓄电池循环次数的定义：在一定时间持续放电过程中，如果放电深度DOD超过了80%（DOD=1-SOC），认为循环次数加1；如果不超过80%，将本次放电深度换算成相应的循环次数，方法是将本次放电深度与80%的比乘以一个加权系数，或者根据蓄电池的生产厂家提供循环次数与释放电量的关系，来修正计算的剩余电量。b自放电率的修正由于NiMH自身特性原因，电池会发生自放电的现象，导致容量发生变化，其主要影响因素是温度和SOC。我们在算法上每隔一段时间，就调用相应的函数，通过查表来修正容量。c温度修正温度对容量的影响我们采用另外，电池充放电过程中本身存在着极化内阻、浓差内阻和欧姆内阻，电池外部接线也会有较大的接触内阻。因此对于安时法的修正为：其中，Cc是容量补偿因素，Cs是自放电因素，Cl是寿命因素。再结合计算机仿真及大量的电池实验，SOC最终函数可表示为：其中，ic是充电电流，id是放电电流，△t是时间（s）,T是温度，ts是停泊时间，Ts是停泊温度，x是循环次数，Cr是额定容量，a,b,c,d,e,f,g,h,j,k,l,m,n,o,p是实验得出的常数。并且在实验台架上进行了SOC预测精度的测试，验证了算法的正确性。通过对电池单体一致性调整后，在20℃的室温环境下，测试SOC预测精度，由表1实验数据可见SOC的误差最大为8.2%。目前国际上NiMH的SOC预测精度约在5%～10%之间，所以BMS的SOC预测精度较高。2）故障诊断故障诊断功能是BMS的重要组成部分，混合动力汽车的BMS故障诊断程序可以诊断和处理436种各类故障，例如启动过程的BMS硬件故障诊断、启动过程的传感器信号的合理性诊断、启动过程的电池组电压信号合理性诊断等等。BMS根据故障原因，对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件，采用分时诊断流程，节约CPU时间资源。3行驶工况下nimh电池各主要参数(1）台架UDDS工况实验55Ah的Ni-MH动力蓄电池组，额定电压为312.8V，初始SOC为93.4%，环境温度30℃。按照UDDS循环工况进行充放电试验，模拟整车以UDDS工况行驶时，NiMH电池各主要参数的变化。图6是BMS记录的电流、电压及SOC随时间变化历程。一个UDDS循环工况中，电池组最高电压380.3V，最低电压324.3V,SOC从93.4%下降至85.8%。(2）整车0～50km/h加速混合动力客车在满载情况下，0～50km/h加速道路试验，环境温度18℃，BMS记录的电流、总电压以及SOC的变化情况，如图8所示，四次加速之后SOC由52.7%变化到41%，放电时候总电压下降至290V，加速过后制动，电流变成负值，即是能量回馈部分