纯电动汽车电池电量显示系统设计*
2018-07-12宫唤春
宫唤春
（燕京理工学院）
国家十三五规划和中国汽车中长期产业规划均明确要求大力发展节能环保的新能源汽车。纯电动汽车（BEV）主要是利用电能驱动车辆运行[1]，是真正意义上的零排放汽车，所以BEV必定是未来汽车的主要发展方向。但是由于BEV中使用的电池组数量过多，如何合理分配能量使之既能够保证电池组的安全又能够保证BEV续驶里程的增加是目前研究的热点问题[2]。因此，合理地设计BEV的电池电量显示系统，准确地监测电池组状态对分析提高BEV续驶里程有着至关重要的作用。文章以C8051F040单片机为核心设计了1套BEV电池电量显示系统用于监测电池使用状态，为提高BEV的综合性能奠定了基础。
1 基于单片机的电池能量显示系统的总体设计
1.1 总体设计方案
文章设计的BEV电池电量显示系统主要包括锂电池模块、模拟量参数采集模块、电量检测模块、中央处理控制模块及LED显示模块。电池电量显示系统流程，如图1所示。图1中的锂电池模块和模拟量参数采集模块主要是将BEV车载锂电池电量的模拟信号转变为数字信号输入到单片机控制系统进行分析、计算及处理。锂电池相关性能参数[3]众多，但影响比较大的主要是电流、电压及温度3个参数，主要用于监测电池组中每个电池电流的一致性，保证电池组的综合寿命，电压大小直接影响BEV的动力性能指标，温度用于确保电池组使用过程中的安全性。电量检测模块主要用于检测车载电池组的电量信号并将该信号传输到电量显示模块中，以提示驾驶者及时发现BEV电池组状态并进行及时检测。
图1 纯电动汽车电池电量显示系统流程图
1.2 单片机模块选取
BEV电池电量显示系统所选用的单片机为C8051F040，该型号单片机具备CAN数据通讯功能[4]，是一种高效集成性的单片机，主要采用高速流水线结构，具有防破解的保护功能，处理速度可以达到100 kB/s，具有丰富的内存和I/O接口部件，具体结构，如图2所示。
图2 C8051F040单片机结构图
C8051F040单片机主要由高速微控制器内核、数字输入输出接口（I/O）及模拟外设模块3个部分组成。单片机中的电源电压监控装置用于显示电池组电量，温度传感器用于监测电池使用过程中的温度，便于监控电池组的使用安全性。还有一部分是安全保护电路，用于保证单片机高效运行，确保系统稳定性。
2 系统模块的设计过程
2.1 电量检测模块设计
电量检测模块是电池电量显示系统的重要部件，主要负责完成BEV运行时电量输出的稳定性及对整车电量使用情况进行监测，因此，电量检测模块工作时需要单片机提供12 V的稳定电压，该电压由BEV车载锂电池提供。图3示出电量检测模块电路。该电路主要是通过DC/DC转换获取供电电源，并能起到抗噪声及信号干扰的作用。
图3 电量检测模块电路图
2.2 电压检测电路设计
电压检测电路，如图4所示。由图4可以看出，该电路主要通过电容、电阻及场效应管（NMOS）共同组成集成电路，起到自动平衡的作用。电路分成两部分：一部分是单体电压的测取电路，另一部分是所有电池组电路自我平衡的均衡电路。图4中的BATn+1和BATn[5]是电路输入端口，反馈电阻的作用是防止系统电流过载，同时检测单体电池电流大小，用于分析电量的一致性。当电池组充电结束或者单体电池电压过高时，NMOS闭合，并将过高的电流分流，防止电池过充电，确保电池电量的一致性。
图4 电压检测电路图
2.3 电流检测电路设计
电流是反映电池工作状态及容量的重要参数，用于显示目前车载电源的剩余电量及还能够驱动BEV续驶的里程数量。因此，对电流检测模块系统的设计有很高的要求，必须既能够屏蔽干扰信号又能够准确地显示电量剩余情况信息，能够完成这个功能的部件是电流传感器。目前应用的电流传感器种类较多，在选用电流传感器时遵循经济成本适中、信号精度高及抗干扰能力强的优先选用原则。选用的电流检测传感器是FL-2型电流传感器，测量电流范围是75 mA～100 A，该传感器上还装有温度感应器，能够完成环境温度的检测，电流传感器电路，如图5所示。
图5 FL-2型电流传感器电路图
3 仿真试验分析
文章设计的电池电量显示系统主要用于显示电池组电量及电源状态参数，需要将可视化界面与显示系统进行融合设计。因此，设计的电池组电量显示系统采用MATLAB语言编写单片机程序，MATLAB软件编程过程简单、语法要求不高且数据库众多，特别是可以进行可视化设计，因此与文章的系统非常吻合。以某型号BEV为例，利用文章设计的系统检测了电池电量。某型号BEV的10个电池组电量显示仿真试验，如图6所示。
图6 某型号BEV的10个电池组电池状态仿真试验显示界面
从图6可以看出1～10组各单体电池的电量状况是否一致，以确保电池使用的一致性。同时还显示出电池组的剩余电量，用于显示该车的电池组电量还能驱动BEV续驶里程数，保证BEV的安全可靠使用。图6还显示出机组温度和单片机温度，用于显示系统在工作时的状态，确保系统高效工作。若系统出现故障会及时报警以便进行检修。
4 结论
BEV的电池组电量对汽车综合性能有着非常重要的影响，文章设计了一套基于单片机系统的电池组电量显示系统，用于显示BEV行驶过程中电量使用情况，确保BEV安全行驶。并对电量、电压及电流检测系统进行了介绍，最后以某BEV为例对电池组电量进行了仿真测试，结果表明文章设计的系统能够准确地显示电池组状态，检测精度较高，稳定性较好。
