一种混合动力车载锂电池管理系统

安徽师范大学物理与电子信息学院　李改有　杨　姜　席光荣　张学峰　朱向冰



一种混合动力车载锂电池管理系统

安徽师范大学物理与电子信息学院李改有杨姜席光荣张学峰朱向冰

【摘要】锂电池的管理问题一直阻碍了锂电池动力汽车的发展。为了保证锂电池的可靠运行，对锂电池的工作状态进行实时的监测是必要的过程。本文设计了一种混合动力车锂电池管理系统，利用STM32处理器控制电池参数采集系统、充放电系统、散热系统及报警电路、人机交互界面和控制终端，并通过CAN总线完成系统和车载处理器的数据传输，再通过车联网将信息传给远程控制终端，控制终端还可以通过网络将故障信息传给智能手机，通知管理人员。该设计可以很好地解决锂电池的安全保护、故障分析、参数分析与显示、电池的寿命周期管理等问题。

【关键词】锂电池管理；电池参数采集；CAN总线；远程控制终端

0　引言

电动汽车是汽车行业发展的重要方向，汽车锂电池是电动汽车的关键元件，但是锂电池在过热、过充、过放、挤压、振动等条件下可能导致电池寿命的缩短和损坏，还可能发生起火爆炸事故，因此其安全问题已成为纯动力和混合动力汽车商业化的主要制约因素。在电动汽车的使用过程中，发现单个电池的寿命远比电动汽车中电池组的使用寿命长，研究表明这是因为单体电池处在不均衡的状态中，各个电池充放电过程不均衡，而不断重复的充放电过程加剧了单体的不均衡现象，引起单体寿命的缩短，导致所在的电池组的寿命缩短，从而缩短了整个电池系统的寿命[2]。对于锂电池的管理不仅影响着锂电池的使用寿命，而且还影响汽车的性能。目前一些汽车公司做出了锂电池管理系统，但是功能比较单一，人机交互程度不高。有些偏向于电池充放电、剩余电量（SOC）的估算；有些偏向于电池均衡、热管理及性能评估，在锂电池均衡、性能评估方面比较薄弱，而且市场上的电池管理系统价格昂贵，对锂电池的管理效率不高。因此必须降低锂电池管理系统的成本，并增加锂电池管理系统的功能，对锂电池进行全面、实时的监控和管理。

针对上述问题，本文设计了一种以STM32处理器为核心的电池管理系统，包括电池参数采集模块、充放电模块、散热模块及报警电路、人机交互模块和远程控制模块等。本系统可有效的防止因为过流、过压、欠压、高温、不均衡充电和剩余电量难估算等引起的问题，提高了锂电池运行的安全性，延长了锂电池的使用寿命。

1　系统整体框架

车载电源管理系统主要是对电压、电流、温度等参数进行动态监测，还有剩余电量（SOC）和均衡充电等问题需解决。需要对剩余电量（SOC）进行实时的检测并进行有效的估算以及对电池充放电过程进行智能实时的监控和管理，防止过流、过压、高温、低压、单节电池过充等问题的出现，还需要有报警电路、散热电路和终端显示部分，以保证整个系统的稳定以及电池组的正常工作。

如图1所示，电池参数采集模块包括电压、单体电池温度、剩余电量（SOC）参数的采集电路；充放电模块主要对充放电的电流和电压进行监控；由STM32处理器把采集的信息通过CAN总线传到人机交互模块，在人机交互界面上显示各项参数，并且可以通过人机交互界面对各项参数进行保存和修改，同时对欠压、过压、过流、高温、剩余电量（SOC）等状态和参数进行显示。通过整车控制器处理故障信息，然后控制报警模块，对各个故障进行报警；控制散热模块对电池组散热；剩余电量（SOC）估算采用的DS2788电量计，可以对多个单体进行检测，用来判断电池是否处在正常的工作状态。

图1　电池管理系统的整体框架

2　参数采集模块

在电池管理系统中，电池参数采集系统担任着电池组运行过程中的参数的采集的任务，需要及时、准确的将各个单体的电压、电流、温度等数据传回到STM32控制器。本设计中采用AD7280电源管理芯片实时的采集信息并且传到单片机中进行处理。AD7280采用SPI总线通讯方式，其中内置了对电动汽车所用叠层锂电池进行通用监控所需的主要功能，AD7280具有多路复用电池电压和辅助ADC测量通道，可以测量每个单体电池的电压，单节电池的电压不能超过5V，单块AD7280最多可以测量6个单体电池，辅助ADC可以通过测热敏电阻两端的电压来测单体电池的温度。可以通过菊花链级联8块AD7280，这样最多可以测量48个单体锂电池，ADC的分辨率为12位，可以满足要求，实验证明采集48个单体电池的电压只需要7us。

如图2所示，由电源管理芯片AD728作为主芯片，VIN0至VIN6引脚间每相邻两个之间可放一节锂电池，同过CB1引脚控制MOS管栅极的通断，来控制电池的均衡充电；如上所述，CB2至CB6也是同样的控制方式，后面的电路都是在第一级的基础上叠加相同的电路，总共六路电池接口；AUX6、AUX5、AUX4、AUX3、AUX2、AUX1六个辅助AD采集端口分别采集6块热敏电阻上的电压，热敏电阻分别放在六块单体电池上，通过电池上的温度变化，使热敏电阻阻值发生变化，AD7280通过变化热敏电阻阻值导致引脚的电压不同计算出温度大小，采集到单体电池温度信息。进一步的，实际上需要用8个类似的电路进行级联，通过ALERTHI、SDIHI、CNVSTHI、SDOHI、SCLKHI、CSHI、PDHI这几个引脚分别与后级的ALERT、SDI、CNVST、SDO、SCLK、CS、PD引脚相连形成菊花链，STM32单片机通过菊花链，对AD7280进行写命令和读取数据。

图2　STM32单片机控制单块AD7280电路图

以DS2788作为估算剩余电量和测量单体组的电流的主芯片，如图3所示，整个电路通过PK+和PK-进行供电，正极和负极与电池两端进行连接，STM32处理器通过单总线从DATA口读取数据。首先需要通过厂家提供的DS2788上位机将充满的一节电池进行完全放电记录下单体电池的总电量，然后就用STM32处理器通过单总线读取剩余电量并检测流过的电流。

图3　DS2788外围电路图

电池参数采集系统如图4所示，由主控芯片STM32处理器控制8个AD7280和DS2788级联对电池组进行监测，并把采集到的信息传个STM32单片机进行处理。

图4　电池参数采集系统的框图

3　充放电系统的设计

充放电系统主要采用的是以双向DC-DC模块为核心，通过STM32处理器的指令控制，与电流检测模块、继电器切换电路进行协调工作。其系统框图如图5所示，该双向DC-DC模块选用开关电源常用的脉宽调制芯片作为电源管理芯片，电池充电时通过电源连接继电器切换模块，继电器切换模块通过STM32处理器器控制，切换到充电模式，再经过电流检测模块2把电流信息传回STM32处理器，再通过双向DC-DC模块把电能通过电流检测模块1，输送给电池组进行充电；电池放电时是由电池组通过电流检测模块1，再与继电器切换模块相连接，如上所述切换到放电模式，通过放电部分与电流检测模块2相连接，把电能输送给负载，实现锂电池充放电的管理。在双向DC-DC模块的反馈控制中采用的是PID算法，能够使输出的电压或电流处于相对稳定的状态。

图5　充放电模块框图

充放电均衡电路如图6所示，使用AD7280芯片的内部的MOS管控制器，通过CB引脚，控制MOS管的通断。当电池出现充满的情况下，AD7280的CB引脚将控制MOS管导通，该电池则不会继续充电。在放电过程中，当单体电池电量明显高于其他电池时，则控制MOS管导通，该单体电池加速放电，从而保证了各单体电池在充放电时基本均衡，延长了电池组的使用寿命。

MOS管控制器集成在AD7280芯片里面，不需要额外的电路，使电路变得简单，缩小了电路板的面积。

图6　电池充放电均衡电路

4　远程管理模块

本系统采集和处理的数据和相应的状态都会显示在车载显示屏上。若驾驶位上没有人，当警报出现时，不能及时的排除故障，这样就可能造成电源的损坏。为了解决上述问题，本系统还添加了远程控制功能。

远程控制终端原理如图7所示，由信号接收端、网络中转站、控制终端三部分组成。汽车的整车处理器将信息传给3G/4G通讯网络，再通过英特网将信息传送给控制终端，控制终端将接收的信息在人机操作界面上显示，如有故障信息将进行报警。在管理人员按下人机交互界面上的远程管理按钮，控制终端就会将故障信息通过英特网传给智能手机，远程管理人员可以根据传过来的信息来了解汽车的信息，便于汽车锂电池后期的维护和管理。

图7　远程控制终端原理框图

5　总结

在本设计中电源管理芯片选用的是ADI公司的AD7280芯片，它主要完成数据的采集和均衡充放电控制，本系统具有数据实时采集、故障分析、剩余电量（SOC）估算、电池均衡充电、电池充放电管理、终端控制和远程管理等功能，可以有效的实现锂电池状态的监控。本设计的锂电池管理系统仍然有很多的不足之处，还需要后期进一步的完善。

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李改有（1993—），男，安徽池州人，大学本科，学士，主要研究方向：硬件电路设计与仿真、开关电源。

作者简介：

基金项目：国家级大学生创新创业项目（201510370094）。