二輪電動(dòng)車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

二輪電動(dòng)車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：鋰電池在二輪電動(dòng)車應(yīng)用越來越廣泛，其暴露出來的事故主要包括起火、爆炸等安全隱患，所以需要研究一套可靠的電池管理系統(tǒng)，用來保證使用者的人身和財(cái)產(chǎn)安全。關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)，鋰電池組，兩輪電動(dòng)車，大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)前言：目前城市人口急劇增長，面對(duì)交通堵塞的壓力，居民出行更愿意選擇便捷的兩輪車方式。鉛酸電池存在能量密度低、循環(huán)壽命短等缺陷，同時(shí)還對(duì)環(huán)境存在污染。而鋰電池恰恰補(bǔ)足鉛酸電池這些短板，所以鋰電池代替鉛酸電池勢在必行。目前中國市場上有近3億輛電動(dòng)車，社會(huì)保有量有超過90%屬于鉛酸電車。按照各地政府給出3-5年的過渡期，也就是說3-5年內(nèi)市場的需求將會(huì)超過2.5億輛新國標(biāo)電動(dòng)車，未來整個(gè)電動(dòng)車行業(yè)年產(chǎn)銷量一定會(huì)突破4000萬、5000萬輛，甚至年銷量能夠達(dá)到5500-6000萬的量級(jí)，未來的鋰電動(dòng)車出行市場的需求十分旺盛，發(fā)展前景十分可觀。1.電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的電動(dòng)自行車鋰電鋰離子電池，一般通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式形成鋰離子電池組，以滿足電壓和功率的使用要求。鋰電池在出廠或者長期使用過程中，由于環(huán)境溫度變化，過充過放等因素影響，電池單體性能會(huì)發(fā)生差異，一致性不一樣。電池組性能取決于性能最差的單體力量，因此需要通過BMS對(duì)鋰電池電池組進(jìn)行有效的能量管理，以提高鋰電子電池組的使用效率，延長電池組使用壽命，降低運(yùn)行成本提高，提高電池組可靠性［1。］1.1電池管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)主要功能包括：1、電池信息測量子模塊；2、充放電控制電路3、最小單片機(jī)系統(tǒng)；4、均衡控制電路；5、GPRS遠(yuǎn)程通訊模塊；電池信息測量模塊，采集鋰電池單體電壓、總電壓、總電流、溫度等鋰電池信息。充放電控制電路通過MOS管控制總負(fù)端輸出，總正端直接連接外部輸出。最小單片機(jī)系統(tǒng)通過IIC通訊協(xié)議與電池信息測量模塊進(jìn)行內(nèi)部通訊，對(duì)電池進(jìn)行充電、放電、均衡及電池異常狀態(tài)下保護(hù)管理。在某個(gè)電池單體出現(xiàn)較大壓差時(shí)，均衡電路通過消耗其能量的方式，使電池組滿足使用的要求。鋰電池組外部通訊，一般采用RS485或都CAN通訊兩種方式。本文外部接口采用是RS485通訊方式，與電機(jī)和整車控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。GPRS模塊可將鋰電池信息上傳至大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)鋰電池組實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警功能。1.2電池管理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本文基于中穎公司SH367309采集芯片和ST公司STM32F301C8T6單片機(jī)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，與其他分立元器組成鋰電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。SH367309主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1.鋰電池信息測量，主要包括16路單體電壓采集、1路總電流采集、2路溫度采集。每路單體電壓經(jīng)過1K的限流和O.luF濾波電容后至SH363709的AD采集端口，每個(gè)AD采集單體電壓信號(hào)經(jīng)SH367309進(jìn)行內(nèi)部處理后，由SH367309通過IIC通訊傳送給STM32F301C8T6單片機(jī);檢流電阻可選擇阻值小且精度高的合金電阻，一般檢流電阻值范圍0.001-0.005Q，精度為0.1-0.5%，功率選擇5W-10W范圍值；當(dāng)電流流過檢流電阻時(shí)，在檢流電阻上產(chǎn)生電壓降，檢測檢流電阻上的電壓值可計(jì)算出實(shí)際輸出的電流值大小。電池溫度采集是利用NTC溫度傳感器溫度變化特性來實(shí)現(xiàn)。NTC溫度傳感器貼在鋰電池正負(fù)極柱上，當(dāng)鋰電池極柱上的溫度發(fā)生變化時(shí)，NTC溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻信號(hào)，再經(jīng)過SH367309芯片內(nèi)部的分壓電路，電阻值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，由單片機(jī)來計(jì)算出電池的溫度值；2.充電、放電MSO管的控制，本文設(shè)計(jì)的最大充放電電流可達(dá)到40A，經(jīng)實(shí)際檢測滿足二輪車最高功率需求；電池總負(fù)端B-經(jīng)過分流電阻后連接放電MOS管和充電MOS管。SH367309通過控制充放電MOS管GS兩端的電壓，當(dāng)MOS管GS兩端的電壓為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通；當(dāng)MOS管GS兩端的電壓為低電平時(shí)，MOS管斷開，實(shí)現(xiàn)電池充放電管理功能。適當(dāng)調(diào)整MOS管GS兩端并聯(lián)的電阻值大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通性能，防止MOS管過熱損壞。MOS管GS兩端并聯(lián)一個(gè)10M電阻和肖特基二極管，當(dāng)MOS管截止時(shí)，可將MOS管內(nèi)部存儲(chǔ)的能量進(jìn)行泄放?？紤]到MOS管的內(nèi)阻和散熱性能，當(dāng)電流達(dá)到處40A時(shí)，需要用多個(gè)MOS進(jìn)行并聯(lián),本設(shè)計(jì)采用3個(gè)充放電MOS管進(jìn)行并聯(lián)使用，同時(shí)MOS管的表面這需貼有鋁塊散熱器加速散熱，經(jīng)測試MOS管加鋁塊后，散熱效果良好。3?被動(dòng)均衡電路，三極管S8050與電阻串聯(lián)組成被動(dòng)放電電路，本電路最大均衡電流為200mA。三極管S8050做為開關(guān)電路，被動(dòng)均衡的原理是利用串聯(lián)電阻進(jìn)行能量消耗⑶。比如當(dāng)某個(gè)單體大于設(shè)定的電壓值時(shí)，STM32F301C8T6單片機(jī)開啟被動(dòng)均衡功能。通過調(diào)整串聯(lián)的電阻值大小，可配置不同均衡電流。需要注意的是均衡電流過大，在串聯(lián)電阻上會(huì)產(chǎn)生大量熱能，需要考慮散熱措施。單片機(jī)STM32F301C8T6主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1.與SH367309芯片之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通信方式為IIC協(xié)議；2.電池狀態(tài)評(píng)估和電池告警、保護(hù)信息處理，電池狀態(tài)評(píng)估主要是對(duì)電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻、溫度、系統(tǒng)時(shí)間等進(jìn)行分析，計(jì)算出當(dāng)前電池的SOC、SOH狀態(tài)［1］。其中電池告警和保護(hù)信息包括單體電壓欠壓告警、單體電壓過壓告警、過流保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)、低溫保護(hù)；例如，當(dāng)電池溫度過高時(shí)，可利用MOS管來切斷電路，起來保護(hù)電池組作用。3.本文中鋰電池組對(duì)外部采用RS485通訊。電池組和整車控制器、充電器用RS485協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。根據(jù)電動(dòng)自行車實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行充放電電流大小調(diào)節(jié)，控制電機(jī)扭矩值，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的車速快慢的控制。GPRS遠(yuǎn)程通訊模塊設(shè)計(jì)SIM868是芯訊通公司針對(duì)目前火熱的電動(dòng)自行單車，推出的一款M2M模塊，支持GSM、GPRS、GPS、LBS、藍(lán)牙功能。利用SIM868的GPRS功能，可實(shí)現(xiàn)電池位置的精準(zhǔn)定位以及電池?cái)?shù)據(jù)上傳至監(jiān)控平臺(tái)。SIM868支持2G和4G數(shù)據(jù)接入。例如，當(dāng)前市場上運(yùn)行的電動(dòng)自行車鋰電池組數(shù)據(jù)通過4G信號(hào)上傳至監(jiān)控平臺(tái)利用監(jiān)控平臺(tái)大數(shù)據(jù)處理能力，可快速發(fā)現(xiàn)鋰電池組故障和潛在安全。通過監(jiān)控平臺(tái)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和提前預(yù)警功能，可有效保證鋰電池組的安全運(yùn)行。

2.電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)測試本系統(tǒng)測試分為2個(gè)方面，分別對(duì)鋰電池采集信息單元模塊和監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。2.1單元模塊測試通過數(shù)控電池模擬設(shè)備模擬16串電池組工作狀態(tài)，使用直流電壓源為電池組進(jìn)行充電，電子負(fù)載進(jìn)行模擬電機(jī)放電。用6位半高精度數(shù)字萬用表檢測實(shí)際電壓、電流信號(hào)，與監(jiān)控平臺(tái)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異對(duì)比分析。表1單體電壓測試對(duì)比采集電池 實(shí)際電池電類別 誤差（mv）電壓（mv） 壓（mv）總電壓 51.47 51.25 231號(hào)電池單節(jié)電32003205

32002號(hào)電池單節(jié)電壓3204320223號(hào)電池單節(jié)電壓3205320054號(hào)電池單節(jié)電壓31983201-35號(hào)電池單節(jié)電壓3204320046號(hào)電池單節(jié)電壓31953200-57號(hào)電池單節(jié)電壓31983200-28號(hào)電池單節(jié)電壓3205320059號(hào)電池單節(jié)電壓31943200-6

10號(hào)電池單節(jié)電壓31963200-411號(hào)電池單節(jié)電壓32023200212號(hào)電池單節(jié)電壓31973200-313號(hào)電池單節(jié)電壓31933200-714號(hào)電池單節(jié)電壓31983200-215號(hào)電池單節(jié)電壓32043201316號(hào)電池單節(jié)電壓320232002表2充電電流測試對(duì)比

實(shí)際充電電流值（A）采集到的充電電流（A）誤差（A）88.0899.10.1101010表3放電電流測試對(duì)比實(shí)際放電電流值（A）采集到的放電電流（A）誤差（A）1515.10.12020.10.13029.9-0.14039.8-0.22.2監(jiān)控平臺(tái)鋰電池?cái)?shù)據(jù)測試

電池管理系統(tǒng)米集的鋰電池ID、SOC、單體電壓、電流、溫度、位置等有效信息，通過4G移動(dòng)通訊技術(shù)上傳到監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)可同時(shí)管理多個(gè)鋰電池組的上傳信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。發(fā)現(xiàn)電池組有異常問題，可通過人工電話或其他方式聯(lián)系用戶，達(dá)到提前預(yù)警功能。經(jīng)過測試，監(jiān)控平臺(tái)上鋰電池組的信息真實(shí)有效，電池組的實(shí)際位置與手機(jī)定位精度誤差在10米范圍以內(nèi)滿足設(shè)計(jì)需求。130WdflSjpqq-j|diie>_^]電址：1閃WriJBD亞社瞬島^■as^i-ieuweuiSMl匚**I I囲L3sjBEflni^nwuman^~i*. ■f^~~ijuiau^WdflSjpqq-j|diie>_^]電址：1閃WriJBD亞社瞬島^■as^i-ieuweuiSMl匚**I I囲L3sjBEflni^nwuman^~i*. ■f^~~ijuiau^|rr| |■?：|i^s~|ml~~|nr|ms|曲眉於霄M?■ 】 'RPR卜剜|JR g*:i|3lS?~Cl3~i2.五ijM|■*■F^~ir^~=iTErii±B、-azu11a?|r|，?適|和|*Few|d.o|ir±血jm|id：.2-? ?吐IL莊血|~5~■I：Tai*-|moInTiw-|moIisij?-ir^p—IIt|3■:HO DD利—匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚廠5如2I-〔口唧.："IstzjWp応I仏:?WW□帕毆旺Hm：：wEg"皿T申曲哥丘■耳MQpraEfl!#5；tS狂刖氣圧*|?WWMEOI^||^~TutE^msMw應(yīng)細(xì)APT 茫遊STOW電2JBCisp^h^js曲 m雄m?.*kwfriEB*1?|mWEW止班皿礎(chǔ),ao宜4憂電怕財(cái)匹jaobuHMMIrtWC飆和冊(cè)聽咻顧冋購吃BWUtliHi^rtMMriJH/cIMKW磯FMKH7|rHH^w^razw魯|[iw呻 v|3酣跑血初用陽圧嚴(yán)-弘軸立樹誦丘z-IM??BW|m|F9i<ft?SB3結(jié)語綜上所述，二輪電動(dòng)自行車鋰電池管理管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)課題，不僅要具備電子電路專業(yè)知識(shí)，還需要對(duì)鋰電池的化學(xué)特性深入的了解。本文從鋰電池組安全方面入手，將電池基本信息進(jìn)行采集，并上傳至大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)。利用大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)鋰電池及時(shí)的安全預(yù)警，同時(shí)也可以對(duì)用戶車輛狀況、鋰