基于电池管理系统的奥运纯电动大巴中的设计

     摘要：本文以北京2008 奥运纯电动大巴的运营为背景，重点介绍了电动大巴上车载电池管理系统的工作特点以及硬件部分的设计理念，并完成了系统各部分之间的通讯设计，最终实现了对电动大巴各种工作状况的检测与控制。

　　1 前言

　　目前，能源紧张已经成为推动世界电动车产业化进程的源动力，随着电动车行业的蓬勃发展，，对作为电动汽车的关键零部件之一的蓄电池管理系统也提出了更高的要求。在北京2008 奥运电动公交专线的运营服务中，北京交通大学研制的应用于奥运纯电动大巴上的电池管理系统（BatteryManagement System，BMS），成功实现了对车载动力蓄电池状况的实时监测，圆满保证了电动大巴的安全运行。该电池管理系统具备单体电压测量、温度控故障、在线分析、故障定位、电池荷电状态估测、显示、故障输出、数据转储、远程监控等功能。它还可应用在采用蓄电池作为动力源或者后备电源的场合，如混合动力汽车、纯电动汽车、机车、公用电话网等。

　　2 电池管理系统的工作过程及特点

　　电池管理系统的主要功能可以分为以下五个部分：

　　1.单箱电池电压的采集；

　　采用光电继电器的逐节电压切入的检测结构，解决了共地的问题，避免了电阻分压式的误差累积的缺点，确保电压测量的准确性和稳定性。利用手动检测模块中的MAX111 实现模数转换后输送到CPU 中进行分析。

　　2.电池管理测控模块的参数设置和数据读取；

　　通过RS-485 总线使电池管理系统的测控模块与手动检测模块的CPU 相连，实现对测控模块的参数设置，同时还可以将测控模块测量到的数据读取到CPU 中。

　　3.检测电池管理系统是否正常和电压测量精度；

　　手动检测模块可以通过LCD 将检测结果，例如电池电压，电池组温度等显示出来，方便用户与电池组的sharp 高亮液晶显示结果进行比较，判断出电池管理系统的工作状态，以利于有效的完成对电池组的管理。

　　4.显示功能；

　　电压检测的结果输送到CPU 后会存储到E2PROM，同时也可以在显示屏上显示出来，方便用户使用。

　　5.为电池管理测控模块提供电源；

　　电动汽车可提供24V 供电电源，变化范围18~32V，所以电池管理系统的工作电源均由此得到。在手动检测模块中，可以通过电源变换部分将24V 变5V，然后经过电源隔离部分实现DC-DC 隔离，就可以为测控模块提供电源。

　　3 硬件电路的设计

　　本章将以作者的实际工程开发为基础，着力讲述系统的硬件构成，及其整体功能的协调实现。

　　3.1 管理系统的总体硬件构造

　　系统的硬件框图如下：

图3.1 电池管理系统的硬件框图

　　3.2 MCU 的应用设计

　　采用的MC9S12A64CPV 是属于Motorola 公司的HCS12 系列，HCS12 是继HC12 系列之后推出的16位MCU，软件兼容HC11。HCS12 系列功能性很强，在智能化仪器仪表，通信设备，家用电器等领域，特别是在便携式，智能化的设备和自控系统中得到了广泛的应用。

　　3.3 数据存储部分设计

　　检测模块在工作中要记录一些重要信息和运行结果，如单体电池电压，温度等，在电动汽车使用过程中记录的电池组运行数据也需要从存储器中读取、写入，备份到PC 机数据库中，便于日后对电池进行分析和*价。这些信息存储的准确性和可靠性直接反映了系统整体的准确性和可靠性。要求在任何情况下，如上电、掉电、各种干扰等，记录的各种数据均不能改变。通行的办法是考虑使用防掉电RAM或EEPROM。防掉电RAM需要电池，成本较高，且电磁兼容性能差。所以选择串行EEPROM 作为数据记录单元，其主要衡量指标有接口方式、容量、擦写次数以及抗干扰能力等。

　　3.4 硬件看门狗设计

　　“看门狗技术”就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则强迫程序返回到0000H 入口处，使程序重新开始。

　　本板设计的看门狗电路采用的是MAX 公司的专用集成微处理器监控复位电路MAX706。

　　MAX706 系列m p 监控芯片能实现以下四方面的功能：

　　1.在电路上、掉电及异常时产生一个长达200ms 的复位信号。

　　2.有一个独立的看门狗。当1.6s 以上没触发看门狗输入时，看门狗输出变低。

　　3.有一个1.25V 的电压门槛检测器，用于掉电报警、电池欠压或监控高于5V 的电压。

　　4.一个低电平有效的手动复位输入，用以实现手动复位功能。

　　3.5 显示部分设计

　　显示部分主要作用是方便用户和电池管理系统的交互操作。通过显示结果，让用户对蓄电池组的工作状态有一个清晰的了解。

　　显示部分主要由液晶器件来完成。选用16*16 点阵显示中文汉字或字符，以每行八个字每屏四行共32 个中文汉字进行显示。所以采用的相关芯片应该是12864 型。考虑到本设计最常显示的字符并不多，只有四十多个，所以决定选用不带字库液晶器件，自行对将要显示的字符进行编码。

　　3.6 电压检测模块设计

　　从电池组将各组电压通过接线引出，经过滤波后，利用光控继电器进行选择，通过电压检测芯片MAX111 进行A/D 转换，后输出，完成电压检测功能。

　　管理系统采用光电继电器的逐节电压切入的检测结构，电池电压的具体测量过程为：例如想要测量电池B1 的电压，则闭合开关S1（其余开关全部断开），这时候Vin=VB1，经过双积分A/D 转换芯片将模拟；下一时间，需要测量B2 的电压，这时只需要先断开S1，然后闭合S2，此时Vin=VB2。依次类推，依次可测量其它电池的电压，并且此种测量方法各个电池互相独立，不存在误差累积的问题，所以测量精度更高。另外，高压电池侧和低压CPU 侧隔离，避免了高压侧对低压侧的威胁。

　　3.7 电源变换模块

　　霍尔元件的供电电压为5V，因为霍尔元件的信号是反馈到驱动元件上，所以霍尔元件的供电电压应该在驱动部分由24V 直接转换，系统的外加引入电源是24V，在通过DC/DC 变换器与控制部分电源完全隔离后，通过电压转换即可得到5V电压。

　　4 通讯接口设计

　　4.1 通讯方式简介

　　单片机与终端计算机的通用接口从类型上讲主要有两种，有线通讯最常见的有232 和485 通讯。RS-485主要适用于远距离，功率损耗较大的场合。本测量系统一般来说多应用于工业场合，环境恶劣，干扰较强，多采用远距离抄表，RS-485优异的抗干扰特性和远距离传输能力就成为本设计的首选。

　　4.2 通讯方式的选用

　　从机挂在RS485 总线上，采用半双工工作方式。因为从机采用单片机MC9S12D64，其引脚为TTL 电平, 串行接口电路由于RS485 信号电平与单片机信号电平(TTL 电平)不一致,因此，采用RS485 标准时,必须进行信号电平转换。本设计中选用MAXIM 公司生产的MAX485 芯片将TTL 电平转换为RS485 电平。

　　4.3 光耦隔离模块的应用

　　为提高工作可靠性，整个系统电路由24V 变换后的单独5V 电源供电，各路信号全部采用光耦隔离输出，杜绝电联系，提高了抗干扰能力。由于信号的高低电平变化不频繁，在从控制质量和成本两方面考虑的前提下，我们采用TI 公司的高速光耦6N137 和Toshiba 公司的低成本光耦TLP521-1 作为信号的隔离芯片，为了保持逻辑的清晰，光耦设计采用同相逻辑。

　　5 结论

　　本文以奥运锂电池为实验对象，专门设计了适用于车载电池管理系统的硬件构成，包括MCU,数据存储，电压检测，显示，通讯部分等，并搭建了整个BMS 的硬件框架。通过分析奥运会期间采用BMS 的电动汽车实际运行状况，文中提出的电池管理系统性能稳定、可靠性好、检测精度高，优点显著。

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