动力电池生产管理系统

动力电池生产管理系统（共9篇）

动力电池生产管理系统 篇1

目前, 锂离子动力电池行业尚属于起步阶段, 国内外技术标准还未统一, 导致各种型号锂电池生产工艺不够成熟, 生产线建设也没有固定模式。而现阶段国内锂离子动力电池生产线主要还是模仿国外一些成熟的生产线, 存在产品建线与工艺建线两种方式。

1 产品建线与工艺建线的区别

1.1 产品建线

所谓产品建线, 即按照一种或几种电池产品来规划整条生产线的建设, 要求单一厂房要具备生产电池产品的所有功能单元。在前期生产线设计过程中, 要按照产品的具体规格尺寸、技术指标及产能要求来对厂房的工艺布局、工艺设备、建安设备等进行统一规划, 最终完成电池产品的制造。

1.2 工艺建线

所谓工艺建线, 即按照电池生产的标准工艺路线和工艺条件来规划生产线的建设, 不再要求单一厂房要具备电池生产的所有功能, 而是根据工艺要求的不同建设不同的厂房, 最后采取必要的自动化物流, 实现电池产品的制造。

2 产品建线与工艺建线的优缺点对比

2.1 产品建线优缺点分析

产品建线最大的优势体现在以下几个方面:

(1) 生产线建设周期短。由于在单一厂房完成电池生产全部功能单元的建设, 所以生产线建设周期大幅降低, 投资风险也可有效控制。按照以往建线经验, 基本可以做到生产线开工后一年内形成产能, 充分发挥资金的时间价值。

(2) 自动化实现较为容易。产品建线时各工序衔接紧密, 生产节拍较易控制, 加之没有长距离的物流转运, 非常有利于电池自动化生产的实现。实际生产中, 只需要做好每一个工序的节拍统计, 几乎可以确保整个电池生产的畅通无阻。

(3) 便于生产管理。单一厂房即可实现电池生产, 便于对生产过程中的各项工作进行管理。一个厂房只需要设置一个车间主任, 即可实现对整个电池生产过程的有效管理, 杜绝了各工序责任不明、推诿扯皮的现象, 同时也利于公司生产计划的下达与执行。

除了以上优势, 产品建线在生产线的建设及管理上也存在一些较为明显的弊端。

(1) 设备使用率低。1) 以产品建线时, 单条生产线包含所有工序的生产设备, 各设备产能不一。为满足整条生产线的产能目标, 每一类设备都按照生产线最大产能进行设计。但是在实际生产中, 经常存在多种电池型号互相切换的现象, 这就容易造成部分设备的浪费现象。2) 如该生产线某一类设备需要维修或保养, 则整条生产线的产能都将受到影响, 甚至会因为某种设备发生故障导致整条生产线的停产。3) 生产线设计时虽考虑覆盖多款型号的生产, 但是只能以一种型号为基准, 设备产能、数量的匹配及自动化衔接也都以该种型号为基准做最优设计。在生产其他型号产品时, 设备间的产能匹配不可避免地受到影响, 从而导致部分设备闲置。

(2) 生产环境控制困难, 能源消耗大。1) 由于生产工艺不同, 锂电池生产各工序对温湿度、洁净度的控制要求各不相同。以产品建线时, 对环境有不同需求的设备集中在同一厂房, 造成空调管路及控制系统设计及施工时相对复杂, 增加了环境控制的难度及风险, 另外相对复杂的管路设计对后期厂房改造也带来诸多不便。2) 为了满足整体的产能需求, 单个厂房及需求环境控制区域的设计面积较大, 相对应的其环境控制难度及成本也相应增高。但这又使整个厂房的空调管路及控制系统更加复杂, 对后期整个系统的维护造成不便。3) 由于厂房面积较大, 造成空调管路过长, 其能耗相应增加, 而环境控制效果反而降低。

(3) 厂房安全问题突出。锂电池生产过程中存在的电解液、隔膜、塑料壳体等均属易燃物品, 特别是电解液属低闪点 (30℃) 易燃液体, 遇明火、高温会着火, 遇空气会分解出具腐蚀性的氢氟酸。在注液、化成、储存等工序存在火灾甚至爆炸危险, 而合浆、涂布、电芯等工段则无明显危险源。以产品建线时, 各工序集中在同一厂房内。虽只有个别工序存在危险源, 但依据国家建筑设计规范, 整栋厂房都要依据危险源的类别进行分类定级设计建造。

(4) 真空、压缩、氮气设计难度大。由于生产过程中各工序对真空、压缩空气及氮气都有要求, 而各设备所需真空度值、气压值及氮气纯度各有不同, 靠单一机组很难满足全部使用要求。而多个机组布局, 位置与管线又受制, 特别是真空机组对管线长度有严格要求, 设置过长造成极大的设备和施工浪费。

(5) 工艺路线对生产线建设影响大。现阶段, 锂电池生产标准尚不规范, 各电池生产企业工艺路线也多有不同, 没有一条相对成熟的工艺路线, 而是根据我们认识的提高在不断发生变化。但是, 以产品建线时只能按照既定工艺路线进行厂房布局与设备衔接, 后期一旦工艺路线发生变更, 将很难在现有生产线上进行改造, 存在较大的风险。

2.2 工艺建线

相比产品建线方式, 工艺建线有以下几点优势:

(1) 生产设备集中布局, 设备利用率高, 有利于柔性化生产。

(2) 单体厂房面积较小, 环境控制标准相对统一, 便于暖通及动力系统设计, 有利于关键工序的集中控制。

(3) 根据工艺路线的不同, 可对不同厂房设定不同的防火等级, 大幅降低建设成本。

(4) 工艺变化对厂房布局影响较小, 后期可根据不同的工艺路线对各厂房的衔接顺序进行调整, 有利于生产线的升级换代。

(5) 可严控厂房的人员管理, 有效防止不同人员在厂房流窜, 有利于严格控制厂房人员数量。

同时, 工艺建线方式也存在一些缺点:

(1) 生产线建设周期较长, 需要不同功能单元的厂房全部具备生产能力后才能生产出合格电池产品。

(2) 不同厂房之间转运距离较长, 降低了生产线的整体自动化程度。

(3) 当制品在不同厂房之间转运时环境控制难度较大, 需要增加专用的专业设备。

从以上分析可知, 工艺建线与产品建线各有优缺点, 如何选择, 还需要根据不同企业的实际情况进行综合论证, 表1为产品建线与工艺建线主要指标对比。

3 工艺建线的初步规划

3.1 金属壳电池基本工艺路线

图1为某款电池工艺流程图, 如果是按照产品建线, 流程图所包含的所有工序将全部在一个厂房完成;若要按照工艺建线, 则需要对流程图所示工序进行划分, 根据不同的工序建设不同的厂房。为流程图中所示各工序的环境控制要求, 按照工艺建线时, 环境控制要求也是非常重要的考量因素。

3.2 工艺建线设计基本原则

(1) 优先考虑将温湿度、洁净度要求相同的工序放置在同一厂房。

(2) 产生粉尘和不产粉尘的工序要放置在单独厂房, 方便对粉尘的集中控制。

(3) 注液等关键工序要单独设置厂房, 便于有效监控和管理。

(4) 危险、防火等级不同的工序要单独设置厂房, 便于消防设施的设置及安全管理。

3.3 工艺建线规划方案

按照以上划分原则及不同工序环境控制要求, 可以将电池生产划分在不同的四个厂房进行, 如图2, 以不同的颜色区分。

(1) 合浆涂布厂房

配料间、自动上料、高速分散、干混、合胶、合浆、涂布;保密要求、环境控制单一、谢绝参观、核心工序、人员管理;设置舒适性空调即可, 不用专门除尘设备, 做好上料时粉尘扩散即可。

(2) 电芯制作厂房

主要产尘源, 可在整个厂房设置集中除尘装置;设备种类多, 操作较为复杂, 建议由专人负责一类设备, 采用一人多机模式, 设备换型、改造较多, TPM工作较为困难, 需加强技术、管理工作;培训、备品备件管理等难度较大。

(3) 干燥注液厂房

核心工序, 直接关系电池质量;环境控制要求高, 专用转轮除湿系统, 电解液易燃易爆, 防火等级高, 需加强管理。

(4) 化成静置厂房

危险系数高, 容易出现安全事故;高温静置等。

4 总结

综上所述, 无论是以产品建线还是以工艺建线都有各自的优缺点, 如何选择, 还需进行充分论证, 组织认真评审, 找出适合企业发展的生产线建设方案。

参考文献

[1]谢建国, 赵加宝.以技术创新推动晶体硅太阳能电池智慧生产线建设[J].电子工业专用设备, 2014.

[2]张瀛瀚.大型生产项目前期决策的风险分析与控制[D].北京邮电大学, 2012.

[3]徐学军, 陆德谋, 等.生产线平衡与企业利润关系的研究[J].工业工程, 2009.

[4]彭文生, 李志明, 等.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2002.

[5]寇猛.工业工程在生产线优化中的应用[J].中国管理信息化, 2008.

[6]王章忠.机械工程材料[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[7]林清安.Pro/Engineer零件设计高级篇 (上) [M].北京:清华大学出版社, 2003.

[8]高广章.生产线的平衡及优化方法研究[D].吉林大学, 2004.

动力电池生产管理系统 篇2

2016-03-18 17:50 来源:中汽技术信息

关注我，请点击标题下方的“中汽技术信息” 什么是BMS的核心技术？

最近看到国内某企业的宣传牌，因为采用AUTOSAR的软件构架这样的底层软件而声称“全面掌握BMS软硬件技术”、“达到世界先进水平”、“采用多重均衡控制能力”。很能够吸引眼球。这些东西是BMS的核心技术吗？ 通常BMS系统通常包括检测模块与运算控制模块。

检测是指测量电芯的电压、电流和温度以及电池组的电压，然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令。所以运算控制模块是BMS的大脑。控制模块一般包括硬件、基础软件、运行时环境（RTE）和应用软件。其中最核心的部分——应用软件。对于用Simulink 开发的环境的一般分为两部分：电池状态的估算算法和故障诊断以及保护。状态估算包括SOC（State Of Charge）、SOP（State Of Power）、SOH(Stateof Health）以及均衡和热管理。

电池状态估算通常是估算SOC、SOP和SOH。SOC（荷电状态）简单的说就是电池还剩下多少电；SOC 是BMS中最重要的参数，因为其他一切都是以SOC为基础的，所以它的精度和鲁棒性（也叫纠错能力）极其重要。如果没有精确的SOC，加再多的保护功能也无法使BMS正常工作，因为电池会经常处于被保护状态，更无法延长电池的寿命。此外，SOC的估算精度也是十分重要的。精度越高，对于相同容量的电池，可以有更高的续航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。比如克莱斯勒的菲亚特500e BEV，可以一直放电 SOC=5%。成为当时续航里程最长的电动车。

下图是一个算法鲁棒性的例子。电池是磷酸铁锂电池。它的SOCvs OCV曲线在SOC从70%到95%区间大约只变化2-3mV。而电压传感器的测量误差就有3-4mV。在这种情况下，我们有意让初始SOC有20%的误差，看看算法能不能够把这20%的误差纠正过来。如果没有纠错功能，SOC会按照SOCI的曲线走。算法输出的SOC是CombinedSOC也即是图中的蓝色实线。CalculatedSOC是根据最后的验证结果反推回去的真正SOC。

SOP是下一时刻比如下一个2秒、10秒、30秒以及持续的大电流的时候电池能够提供的最大的放电和被充电的功率。当然，这里面还应该考虑到持续的大电流对保险丝的影响。

SOP的精确估算可以最大限度地提高电池的利用效率。比如在刹车时可以尽量多的吸收回馈的能量而不伤害电池。在加速时可以提供更大的功率获得更大的加速度而不伤害电池。同时也可以保证车在行驶过程中不会因为欠压或者过流保护而失去动力即使是在SOC很低的时候。这么一来，所谓的一级保护二级保护在精确的SOP面前都是过眼云烟。不是说保护不重要。保护永远都是需要的。但是它不可能是BMS的核心技术。对于低温、旧电池以及很低的SOC来说，精确的SOP估算尤其重要。例如对于一组均衡很好的电池包，在比较高的SOC时，彼此间SOC可能相差很小，比如1-2%。但当SOC很低时，会出现某个电芯电压急速下降的情况。这个电芯的电压甚至比其他电池电压低1V多的情况。要保证每一个电芯电压始终不低于电池供应商给出的最低电压，SOP必须精确地估算出下一时刻这个电压急速下降的电芯的最大的输出功率以限制电池的使用从而保护电池。估算SOP的核心是实时在线估算电池的每一个等效阻抗。

SOH 是指电池的健康状态。它包括两部分：安时容量和功率的变化。一般认为：当安时容量衰减20%或者输出功率衰减25%时，电池的寿命就到了。但是，这并不是说车就不能开了。对于纯电动车EV来说安时容量的估算更重要一些因为它与续航里程有直接关系而功率限制只是在低SOC的时候才重要。对于HEV或者PHEV来说，功率的变化更为重要这是因为电池的安时容量比较小，可以提供的功率有限尤其是在低温。对于SOH的要求也是既要高精度也要鲁棒性。而且没有鲁棒性的SOH是没有意义的。精度低于20%，就没有意义。SOH的估算也是基于SOC的估算。所以SOC的算法是算法的核心。电池状态估算算法是BMS的核心。其他的都是为这个算法服务的。所以当有人声称突破了或者掌握了BMS的核心技术，应该问问他到底做了BMS的什么？是算法还是主动均衡或者只做BMS的硬件和底层软件？或者只是提出一种BMS的结构方式？

有人说特斯拉之所以牛，是因为它的BMS可以管理7104节电池。这是它牛的地方吗？它真的是管理7104节电池吗？特斯拉model S确实用了7104节电池，但是串联在一起的只有96节，并联的只能算一节电池不管你并联多少节。为什么？因为其他公司的电池组也是只计算串联的个数而不是并联的个数。特斯拉凭什么要特殊呢？事实上，如果你了解特斯拉的算法，你就会知道特斯拉的算法不仅需要大量的工况数据定标，而且还不能保证在任何情况下尤其是在电池老化以后的估算精度。当然，特斯拉的算法比几乎所有国内的BMS算法还是好很多。国内的BMS算法几乎都是电流积分加开路电压的方法用开路电压计算初始SOC，然后用电流积分计算SOC的变化。问题是如果启始点的电压错了，或者安时容量不准，岂不是要一错到底直到再次充满才能纠正？启始点的电压错会出错吗？经验告诉我们，会的，尽管概率很低。如果要保证万无一失，就不能只靠精确的启始点的电压来保证启始SOC的正确。中国新能源汽车均衡问题出在哪里？

去年经过专家评选的某主动均衡技术荣获某锂电金球奖。其理由是它的核心技术--主动均衡技术能够延长电池寿命30%续航里程20%。这一看就不靠谱。因为根本无法定量。你和谁比能够延长寿命30%？和自己比有意义吗？和没有均衡比吗？那你的水平就差远了。和别人比，应该与最好的比才有意义。世界上不说最好的至少还可以的BMS都没有均衡问题。你怎么延长寿命30%呀？延长续航里程也是一样的道理。比如克莱斯勒的Fiat500e,它的SOC容许一直放到5%。请问你还怎么延长20%的续航里程呀？再进一步说，主动均衡难吗？硬件2008年TI就向我当时所在的公司推销它的主动均衡IC了。算法不外乎是同模组到电池相互均衡和不同模组之间的电池相互均衡。通用汽车公司早在6-7年前就已经完成了仿真验证。连文章都有了。从算法角度讲完全没有难度可言。而且主动均衡根本也不是网上说的是“主动均衡功能一直以来是国外产品的杀手锏”。

国外为什么基本上不用主动均衡呢？主要是考虑到成本问题。如果被动均衡就能够搞定，为什么要用主动均衡呢？国内为什么极力鼓吹主动均衡呢？笔者认为主要是被动均衡搞不定。说起被动均衡，绝大多数人告诉笔者说是因为国内电池质量太差一致性不好。但是通过交谈笔者发现根本原因在于概念不清、方法不对。要不然怎么会开车时均衡会越均衡越差？均衡的效果是可以计算出来的。所谓多重均衡技术，分明是没有一种手段可以搞定均衡。有人说被动均衡浪费了很多电。所以不好。以96节串联的电池组为例，我们可以算出在最差情况下，被动均衡到底浪费了多少电。如果均衡电流是0.1A，一节电池在被均衡时大约要浪费0.4W。最差的情况是有95节电池都需要放电，所以，最差情况是有0.4X95=38W。还不如汽车的一个大灯（大约45瓦）费电。如果不是最差的情况，也许只要十几瓦甚至几瓦就够了。所以，尽管被动均衡浪费了一点电，但是它如果能够极大地延长电池的寿命，何乐不为呢？还有人说，对于比较大的安时容量的电池来说0.1A电流太小。如果能够把不均衡消灭在萌芽状态，就不会有无能为力情况的出现。如果电芯本身已经不能正常工作了，无论是主动均衡还是被动均衡都是无能为力的。所以，不能完全责怪电池的一致性不好。也需要从自身找原因。

笔者曾经做过的车里有两款PHEV的车，开了才几个月电池组内的SOC相差高达45%。而且由于SOC、SOP的问题，车在路上经常抛锚。公司一致认为是电池质量问题而且一致同意更换电池供应商。但是我仅仅只是更改了算法，就把均衡的问题解决了。而且是在公司明确规定不许充电的情况下做的。因为已经有一辆车由于电池问题出了事故。电池组中电芯SOC的差别由45%降到了3%。现在车已经行驶了十几万公里了。抛锚的问题再也没有发生过。

怎样的算法才算核心技术？

从控制的角度来说，一个好的算法应该有2个标准：准确性和鲁棒性（纠错能力）。精度越高越好的道理在这里就不多说了。前面提到的电流积分加开路电压实际上是用开路电压纠错，但是这种方法与在线实时纠错相比，显然鲁棒性差远了。这是为什么国外大公司都在用在线实时估算开路电压来实现在线实时纠错的原因。

为什么在这里要强调实时在线估算？它的好处在哪里？通过实时在线估算估算出电池的所有等效参数，从而精确地估算出电池组的状态。实时在线估算极大的简化了电池的标定工作。使得对一致性不太好电池组状态的精确控制成为现实。实时在线估算使得无论是新电池还是老化后的电池，都能保持高精度(Accuracy)和超强的纠错能力(Robustness or errorcorrection capability)。

国内一些人往往不知道别人的算法是什么，一看某个厂家为某名厂生产BMS的某些零部件就认为掌握了BMS核心技术，这样说法是欠妥的。那些要花成千上万块钱去买的大部头的出版物评论各个厂家BMS优劣的却不管各个BMS算法或者说在核心技术方面的区别，实际意义太小。只看是不是为某个有名的OEM提供BMS就认为牛，也不知道到底提供BMS里面的什么东西。不知道有没有一种崇洋的心理。

目前世界上BMS做得最好的应该有什么特点呢？它可以在线实时估算电池组的电池参数从而精确估算出电池组的SOC、SOP、SOH，并且能够在短时间内纠正初始SOC超过10%的误差以及超过20%的安时容量的误差或者百分之几的电流测量误差。美国通用汽车公司在6年前研发沃蓝达时就做过一个实验来测试算法的鲁棒性：将3串并联在一起的电池组拿掉一串，这时内阻增加1/

3、安时容量减小1/3。但是BMS并不知道。结果是SOC、SOP 在不到1分钟就全部纠正SOH随后也被精确地估算出来。这不仅说明算法的强大的纠错能力，而且说明算法可以在电池的整个生命周期中始终保持估算精度不变。

对于电脑而言，如果出现蓝屏，我们一般只需要重新启动电脑就算了。可是，对于汽车，那怕抛锚的概率只有万分之一也是难以容忍的。所以，与发表文章不同，汽车电子需要保证在任何情况下都能工作。做一个好的算法需要化极大精力去解决那些发生概率只有千分之

一、万分之一的情况。只有这样才能保证万无一失。比如说当车高速行驶在盘山公路上，大家所知道电池模型都会失效。这是因为持续的大电流会很快消耗掉电极表面的带电离子，而内部的离子来不及扩散出来，电池电压会急剧下降。估算出SOC会有较大的误差甚至会有10% 以上的误差。精确的数学模型就是数学物理方法教科书上讲的扩散方程。但是它无法用在车上因为数值解的运算量太大。BMS的CPU运算能力不够。这不仅是一个工程难题，也是一个数学和物理的难题。解决这样的技术难题，可以化解已知的几乎所有影响电池状态估算的极化问题。BMS的状态估算技术才是BMS的核心技术。尽管已经过去了6年，目前世界上仍然没有一家供应商能够做到这样的高精度和高鲁棒的水平来保证电池工作的万无一失。就连现在红的发紫的特斯拉也望尘莫及。这不是在吹牛。特斯拉的粉丝一定听说过特斯拉在北京大街上被拖走的事迹吧。特斯拉的算法也不能保证电池老化后的精度和鲁棒性。只有能够保证高精度、高鲁棒的算法才是杀手锏！没有这样的技术怎么弯道超车？ 作者简介

动力电池生产管理系统 篇3

最新一代高性能锂离子电池提供的性能和成本特性能够最终兑现实用的汽车能量存储承诺。这种技术的迅速采用已经在汽车界触发了一轮前所未有地频繁的设计活动，因为制造商在努力占据有利地位，以抓住在迅速增长的混合动力汽车 (HEV) 和全电动汽车 (EV) 市场出现的商机。锂离子电池应用成功的关键在于性能监视，不仅要计算电量以作为运行衡量标准，还要通过防止可能使电池发生劣化的情况来确保电池组的寿命。尤其是，与其它电池化学材料相比，锂离子电池对过度充电或过度放电的容忍度低得多。结果，就成功的电动/混合动力汽车电池管理系统而言，必须连续监视和平衡单个电池的电压。电池管理系统数据采集电路在高压和热插拔方面的危险带来了巨大的设计挑战，在这种电路中，可能需要测量也许 100 个串联连接的电池电压。

关键的电池管理系统功能

锂离子电池在完全充电时提供一个大约为 4V 的工作电压，在完全放电时则约为 2V。具体的充电和放电电压取决于电池类型，并由电池厂商仔细规定。例如，A123 的 ANR26650M1 2.3Ah 电池通常充电到 3.6V，而且在 1.6V 时就认为没电了。电动/混合动力汽车应用中使用的电池阵列常常配置为提供高达 400V 的电压，一般以大概 100V 或更低电压的模块化组件形式出现。电池组封装分接出每个电池的电压，并将这些信号提供给电池管理系统的数据采集部分。其目标是以高准确度和高分辨率 (典型值为 12 位) 测量每个电池的电压以及温度等其它参数。采集电路一般会利用电池检测连接作为局部电源。为了安全，到主处理器的数字信息流必须利用一种基于光、磁或电容的传输方法进行电流隔离。

用于锂离子技术的电池管理系统的另一个重要功能是进行电池平衡，以补偿轻微的电池失配并最大限度提高电池组工作寿命。在当前一代电池管理系统设计中，这是通过按需切换电压最高电池上的负载电阻，以无源方式进行的。这种无源方法需要一些热设计，以消除与平衡过程有关的热量浪费。人们设想未来的平衡方法要采用冷却运行、高效率有源开关模式电源转换技术。

混合动力和电动汽车电池系统必须设计成在安装之前和在汽车运输或储存时，能承受长期不工作状态。由于这个原因，任何电路模块消耗的空闲功率要远低于电池自放电功率，这是至关重要的，而且要最大限度降低过度放电风险。甚至更重要的是，沿着电池串流动的空闲电流必须很好地匹配，以确保这些电池在储存时不会变得不平衡。

电池管理系统架构考虑因素

为了跟踪电动汽车/混合动力汽车的负载动态特性，包括放电和再充电工作模式，电池监视电子组件以每秒 50 个采样或更高的速率对所有电池电压采样。这意味着电池组有极大的原始信息流动速率，就一个由 96 个电池组成的电池组而言，负载采样速率也许达到 60kbps。考虑到典型的微处理器功率和其它必需开销，在模块级分配处理工作量而且通过误差标记、其它“预先加工”的充电信息以及高级控制来限制隔离的数据链路中的信息流是有意义的。

此外，必须仔细考虑每节电池的摆放，因为在汽车中电池的实际尺寸和重量对可用性和重量分配有实用意义。将电池摆放到模块中可用来在一辆汽车中分配重量，以及提供共性和易操纵性。模块尺寸必须是为电动/混合动力汽车市场而设计的，在这一市场上，较小的尺寸往往会提高成本和束线配线的复杂性。模块化电池组装可能包含一个控制数据采集过程的微处理器和一个坚固的通信接口。

数据采集方法

在电池组模块内，需要电路系统测量和控制电池电压。因为电池串上每节电池的电压都有一个依次升高的共模电压，典型解决方案是在每节电池上使用一个高质量、高共模差分放大器。这个差分放大器提供一个转换信号，这个信号为由一个模数转换器 (ADC) 来数字化做好了准备。差分放大器输入端的高共模电压将是准确度的限制因素。就一个诸如 LT1991A 这样的高性能单片差分放大器而言，典型共模抑制比 (CMRR) 为 90dB，而且对大约 50V 的共模输入电压或者大约 12 个锂离子电池的电压而言，可提供 12 位性能。这也很好地对应了 LT1991A (最高 60V) 的输入电压能力，因此一个实用设计可以处理一组 12 个电池电压的读数。这样的电路系统可以适当地隔离，因此可以重复叠置以如所希望的那样获得更多的电池电压读数。当然，低空闲功率和电池平衡等其它电池管理系统需求也需要大量的附加组件来满足。

一种更具成本效益的方法是，采用一个专门为完成这一任务而设计的集成式监视器解决方案。LTC6802 就是这样一个“基本构件”器件，它允许以最少的组件构成电池模块，但满足前面提到的所有电池管理系统性能需求。这个多节电池监视器器件对多达 12 个串联连接的电池电压提供准确的 12 位直接数字化、电池平衡控制和甚至一对用于温度读数或其它参数的附加 ADC 输入。LTC6802 ADC 不像差分放大器电路那样依靠电阻网络，并在每节电池上提供一个一致的轻负载以及在空闲时自动采用一种低功率备用状态以降低功率。一个到本机微处理器的串行外围接口 (SPI) 数字连接构成命令和数据通信途径。LTC6802 集成电路 (IC) 用作一个到微处理器的标准从属 I/O 器件，从而使所有电池管理系统算法都能用软件编码并由开发商独有控制。有一个 LTC6802 版本包含一个可以级联的 SPI 端口，从而允许很多“叠置”的电池分组通过微处理器的单一 SPI 端口工作，这进一步降低了模块设计的成本和复杂性。图 1 显示了用这种方法实现一个含有很多电池的电动/混合动力汽车用模块基本拓扑。

电池平衡电路

目前这一代电池管理系统设计中的电池平衡是采用无源方式 ((即: 对模块或电池组中具有较多电荷的电池两端的负载电阻进行开关操作) 完成的。均衡电流一般由监视器 IC 外部的晶体管处理。这允许充足的电流并避免可能对准确度造成有害影响的芯片发热问题。图 2 显示了一个与 LTC6802 一起使用的典型电池输入电路，其中包括一个小型 PMOSFET 开关和一个用于平衡的负载电阻以及用于滤波和保护的其它无源组件。

电池平衡开关的控制是用一条从微处理器到监视器 IC 的命令实现。为了最大限度提高准确度，该监视器 IC 可以在 ADC 转换时打开电池平衡开关，以确保最大限度减小电池连接中的 I*R 压降，因此确保在测试时准确测量每节电池的电压。在不工作时，监视器 IC 自动打开所有平衡开关，并采用最低功耗状态，以防止意外的电池放电。

电池平衡开关还可以通过增加一个与电池输入串联的电阻用于自测试，如图 2 所示。如果开关接通，那么电池电压读数就会显示一个可预测的变化，从而对开关和 ADC 端口功能提供一个验证。不过，这个功能要求电池平衡开关在 ADC 转换时是接通的。LTC6802 已经预料到这种自测试功能，ADC 测量在这些情况下用一条简单的配置命令启动。

热插拔的影响

将大型电池组连接到电子组件的过程带来了巨大的设计挑战。一般情况下，数据采集电子组件在电池连上之前是不加电的。此外，电池到电子组件的连接需要大量接触点，通常跨很多单个连接器。结果是，在热插拔情况下连接可能随机发生。随着电容充电，这也许形成异常的浪涌电流通路，尤其是图2所示的滤波器电容。尽管一般情况下 IC 包含内部保护结构，以防止处理和组装引起损坏，但是这些结构不是用来管理与外部电容有关的大量能量，而且片外保护需谨慎实施。图2显示了对开关和 IC 的几种层次的保护。

为了防止电池输入之间的能量压差，可以在每个电池输入上增加标准 6.2V/500mW 齐纳二极管。这些二极管在电池连接过程中接触点连接时，会自动在缺失的输入上分配安全电压。它们还携带 RC 滤波器部分所需的瞬态电流。选择 6.2V 额定值的齐纳二极管，是因为其电压足够高以最大限度减小电池漏电流，将其降至几微安，同时其电压又足够低以保护 IC。

随着电路加电，某些连接序列可能在滤波器电阻上引起高的瞬时电压。这种电压大部分会加在相联 MOSFET 的栅源之间。由于这个原因，建议与每个 MOSFET 的箝位保护一起使用一个串联栅极电阻，如 3.3kΩ。箝位保护通常在晶体管封装内部，但是如果内部没有，那么一个分立的齐纳二极管可以提供这种保护。在这种情况下，应该选择栅极齐纳电压以防止超过 MOSFET 的 VGS 规格。在图 2 中，选择该二极管与所提及 MOSFET 的 VGS 额定值匹配。栅极电阻将栅极齐纳二极管和 IC 开关控制引脚之间的瞬态电流限制到一个安全水平，同时仍然确保一个快速的栅极控制响应。

基准设计细节

图3显示了一组 12 个串联连接的锂离子电池与 LTC6802-1 监视器 IC 连接的完整原理图。具有更多节电池的电池模块可以按需复制这个电路，加上一个微处理器和/或隔离的数据收发器。有更多节电池的模块中使用的追加 IC 只是级联它们的 SPI 连接。LTC6802 独一无二的电平移位架构是可配置的，以使普通电压模式 SPI 信号可直接与一个微处理器通信。就 IC 之间的通信而言，这些级联器件配置为用一个电流模式 SPI 信号工作。LTC6802 可用少至 4 节电池工作，以支持各种不同的电池模块排列架构。

这个原理图还显示了如何对待数据端口以提供坚固的可靠性，以免受到启动浪涌以及在汽车使用时可能发生ESD 事件的影响。低端的 SPI 端口使用一个标准和面向总线的浪涌抑制器，该抑制器像低电容齐纳二极管那样提供逻辑电压箝位。图中所示的串联电阻保护浪涌抑制器免受短暂过载的影响，但是如果发生一个持续和需要能量的故障，串联电阻会安全地无法开路。在高端的 SPI 端口处显示了一种不同的处理方式，正的过载由肖特基二极管箝位到最高端的电池连接，负的过载由 600V 二极管隔离。负的过载情况设计为无害的，因为在模块集成到汽车中的组装或服务阶段，这是相对可能出现的情况，在这种情况下，模块电压的叠置也许是断续的。这里，串联电阻器限制了端口电流, 并在发生严重故障时变成牺牲元件。

LTC6802 还提供其它一些有用的功能，这些功能简化诸如板上 5V 串联稳压器、通用 ADC 输入、通用数字输入和输出 (GPIO) 等模块电路系统。例如，GPIO 可以用作多路复用器控制，以将两个 ADC 输入扩展到 8 个通道的容量。为了确保IC 恰当工作，提供一个开漏输出监视器定时器，以指示通信的空闲期。

结论

混合动力汽车电池管理系统的分析 篇4

近年来, 电动汽车的发展不断成熟, 但也还有很多问题没有解决, 例如:如何有效利用电池的能量, 延长电池的寿命以及电动车能量回收等问题。其中如何有效地使用电池是电池管理的首要问题。电池自身的性能参数影响电池的寿命, 电池外部因素也影响电池的寿命, 如电池的充放电参数, 电池的温度, 对电池维护的方式和频率。为了增加电池的寿命, 了解电池当前的状态, 就要借助电池管理系统 (BMS) , 优化电池的外部参数, 大大提高电池的寿命, 及时掌握电池的状态。

1 BMS的硬件实现

1.1 BMS的结构

系统以镍氢电池为对象, 对于镍氢电池, 它的状态与其端电压、通过的电流及工作环境的温度有关。所以, 设计BMS的首要任务是对这些量的准确采样。这里采用集中式测量数据的方案, 集中式数据检测方案的系统结构如图1所示。相对于分布式测量来讲, 集中式测量对参数的测量速度较快, 可靠性高, 数据的实时性好, 系统的维护比较便利, 成本低。

BMS中电池组假定由24个单体 (每个单体12V) 串连而成的, 一般情况下, 其电压为288V左右。所以, 为了安全, 电压隔离开关矩阵的设计是很必要的。

1.2 电压、电流和温度的采样

1.2.1电压采样

蓄电池组电压在288V左右。以多个单体为一组, 组成蓄电池模块, 测量电池模块的电压。每个电池的标称电压一般为12V左右。图1中的电压隔离开关矩阵和逻辑控制单元构成了串联蓄电池组电压测量的技术方案。原理如图2所示。

CPU通过逻辑控制单元, 控制由高速光隔固态继电器阵列组成的高压通道, 将被测电压送到隔离放大单元的输入端。隔离放大单元的输出送CPU的A/D。其中固态继电器选择光电隔离继电器AQW214, 该继电器隔离电压为1500V, 灵敏度高, 无需专门驱动电路, 并且响应速度快, 导通电阻稳定, 开路漏电电流极低。

逻辑控制单元由74IS138译码器及相关器件组成, 要考虑误操作时的自锁特性。隔离放大单元选择线性隔离放大器AD202。AD202是一种变压器耦合、微型封装的精密隔离放大器, 它通过片内变压器耦合, 对信号的输人和输出进行有效的电气隔离[1]。

1.2.2电流采样

电流的采样是估计电池剩余电量 (SOC) 的主要依据, 因此对其采样的精度, 抗干扰能力、零飘、温飘和线性度误差的要求都很高。在这里采用的电流传感器是LT308 (LEM) , 该电流传感器是基于霍尔原理的闭环 (补偿) 电流传感器, 具有出色的精度、良好的线性度和最佳的反应时间, 同时也具有很好的抗干扰能力。供电电源为±12V或±15V。由于从LEM过来的电流是双向的, 因此其转换得到的电压是以地 (GND) 为中心变化的一个正负电压, 选用的模数转换器是单向的, 所以要将其电压提供至0V以上。为此, 设计以一个加法器 (前端的运算放大器) , 它的功能是将以0V为中心的正负电压提升至以3V为中心放大的正电压。后端的运算器为一个反相器, 将有加法器得到地负电压转换为正电压, 同时起到功率发大的作用。通过两级运放, 最终将信号变为0～5V的标准信号进入AD转换器。

1.2.3温度采用

蓄电池的工作状态与其内部温度及工作的环境温度都有着很重要的关系。温度测量的方法一般有两种。其一是用数字式温度测量器件, 如采用单总线的DS1820。但由于电池管理系统中要求多点测量温度, 各个温度测量器件分布在电池箱体内, 与总的控制主板间的走线较长, 且汽车上的各种干扰较强, 采用数字式的测量方法时, 需要总线有一定的抗干扰能量。第二种放法是采用模拟信号测量。为简单起见, 采用传统的热敏电阻作为温度传感器。选用的热敏电阻为NTC (负温度系数) 型, 它是一种热敏性半导体电阻器, 其电阻值随着温度的升高而下降。电阻温度特性可以近似地用下式来表示:

RT=RN×EXP[B (1/T-1/TN) ]

式中:RT, RN分别表示NTC在温度T (K) 和额定温度K (TN) 下的电阻值[Ω) ;T, TN为温度, 单位K (TN) =273.15+TN (℃) ;B, 称作B值, NTC热敏电阻特定的材料常数[2]。

这种温度测量的方法可靠性高, 热敏电阻对温度的变化灵敏度也很高, 是一种经济且实用的方法。

1.3 硬件抗干扰

电池管理系统是一个含有多种元器件和许多子系统的典型单片机系统。外来电磁辐射, 内部元器件之间, 子系统之间, 各传输通道之间存在相互干扰。硬件的抗干扰, 主要从两个方面来考虑:

首先, 是电路设计方面。对于与外部系统相连的信号做好相应的隔离。对于数字信号可直接采用光耦进行隔离, 光耦两端有不同的电源, 以实现彻底的隔离。对于模拟信号, 我们采用了较为简单的FIV方式进行隔离。电源是容易引起干扰的部分, 在将外电源引入系统时也是需要经过隔离的, 在BMS中采用隔离型DC-DC隔离。

其次是PCB布线方面。印刷电路板 (PCB) 是单片机系统非常重要的一部分。所以PCB在设计中必须采用有效的抗干扰措施。可采用双层板设计, 没有独立的电源层和地线层。在布置元件时尽量走最短的路线, 以减少线阻和分布电容电感。为了防止不同区域的射频电流相互耦合, 采用功能分区的方式设计PCB是较为合理的。在地线问题上, 一般将数字地和模拟地分开走, 最后在合适的位置将其连接在一起。

2BMS软件

2.1BMS软件的实现

BMS的主要任务是检测出电池的各个可测量。通过对其的分析, 估计电池的剩余容量并对电池的状态做监测, 及时做出各种错误报警。即:状态检测、剩余容量估计、错误报警。状态检测是循环检测电池的状态参量, 如电压、温度、电流等。电池剩余容量的估计和错误的报告都基于此。电池的剩余容量的估计包括两个部分:带压缩因子的安时容量和补偿校正。两部分共同确定了电池的剩余容量SOC。错误报警主要包括电池的过充、过放, 温度过高、过低, 电池一致性报警等。这些状态的判断都基于对电池电压、电流、温度的准确测量。BMS软件是用51汇编来实现, 它的执行效率高, 且通用性好。

图3给出了BMS软件结构框图。其中*1是实现电池状态判断和剩余容量补偿的主要部分。DS12887是一个带掉电保持RAM的时钟芯片, 利用它可以保存电池前一次使用后的剩余容量, 并可以将一些数据保存其中。同时, 它也可以记录电池停放的时间, 为估计电池的剩余容量提供依据。

系统自检是指系统在上电时检测其通讯及各测量点是否正确, 并记录有错误的测量点。对应蓄电池来说, 过充和过放都会对电池造成较大的损伤, 有时甚至会造成严重的事故性后果。因此, BMS必须准确估计电池的容量状况, 并判断是否存在过充、过放。一旦发现错误, 应及时将错误信息发送给整车管理系统, 以做出相应的处理。高温对电池的工作也是有影响的。从图4可以看到, 在高温下镍氢电池的充电效率会明显降低。 (图中曲线1为低温时的充电效率, 曲线2为高温时的充电效率)

因此, 在实际中每个放置电池的箱子一般都设有一个风扇, 用于通风。BMS根据电池温度及电池环境温度来控制风扇的运行, 从而实现对电池的温度控制。如果电池

内部有异样温度产生, BMS也将此作为错误信号及时发送给整车管理。

2.2 软件抗干扰措施

软件抗干扰主要是:1) 消除模拟输入信号的噪声 (如数字滤波技术) ;2) 程序运行混乱时使程序重入正轨的方法[3]。

对于消除模拟信号的输入噪声。BMS在所有的A/D转换环节均采用均值滤波的方式, 提高信号的抗干扰能力。

防止程序运行混乱的方法则有多种, 如指令冗余、软件陷阱的设置等。指令冗余CPU取指令过程是先取操作码, 再取操作数。

单片机系统的软件抗干扰措施较多, 这里只使用很少的一部分。对单片机系统来说, 最根本的是硬件的抗干扰, 软件抗干扰是一种辅助和完善, 但在实际中多种方法并行使用会取得更好的抗干扰结果。

3 结语

本设计用于混合动力汽车的镍氢动力BMS。此BMS的软件和硬件的实现比较完善, 能及时地掌控电池的各种参数, 了解电池当前的状态, 对电池起到很好的维护作用, 提高了电池的寿命。

摘要：研究了用于混合动力汽车的镍氢动力电池管理系统。该系统采用集中式测量方案, 具有安装简单、抗干扰能力强等优点;在此基础上设计了电池管理系统软件。该软件以单片机为核心, 可有效地实时监测动力电池的各种运行参数, 判断电池的状况及故障报警, 系统运行稳定、可靠, 延长了电池的使用寿命。

关键词：混合动力汽车,电池管理系统,电池监测与控制

参考文献

[1]王玲.混合动力大巴用高比功率镍氢电池的管理系统设计[J].北方工业大学, 2004 (6) .

[2]徐学峰.传感器、变送器、测控仪表大全[M].北京:机械工业出版社, 1998:358.

动力电池生产管理系统 篇5

为了延长动力电池组的使用寿命,动力电池组一般采用三段式充电,即先大电流恒流充电,当电池组端电压上升至充电截止电压时,减小充电电流恒压充电,最后小电流浮充[1],其要求充电器为输出电压及电流均可调的直流电流源。相对于产生大量谐波的二极管或晶闸管相控整流器及具有电压源特性的电压型PWM整流器[2,3,4,5],电流型PWM整流器(PWM-CSR)具有良好的功率因数和电流源特性。电压型PWM整流器从电路拓扑结构的简洁性和系统效率方面优于PWM-CSR,但其输出电压高于电网电压峰值,若电池组端电压低于电网电压峰值时,还需要一级降压变换器,成本较高,且电压型PWM整流器采用大电容滤波,为了减小开机瞬间电容充电对电网的冲击,需要对电容进行预充电。PWM-CSR的直流侧采用电感滤波,不需要进行预充电,可靠性高,能够根据三段式充电提供不同等级的恒定直流电流,其输出电压可从零开始调节,并且低于电网电压峰值,可在较宽范围内针对不同电压等级的电池组充电。

PWM-CSR为强非线性耦合系统[6],直接电流控制的双闭环控制系统的参数设计与整定存在困难,且需要成本较高的高精度电流传感器[7,8]。针对此种情况,本文采用间接电流控制策略实现网侧单位功率因数。文献[9-10]研究了电压型整流器在abc坐标系空间矢量实现方法,PWM-CSR的三逻辑控制不同于电压型PWM整流器的二逻辑控制[6],该方法不能直接应用于PWM-CSR,本文针对PWM-CSR的三逻辑控制的特点,对传统电流矢量调制方法进行了改进,并在三相静止坐标系下设计了以TMS320F2808为主控芯片的三相PWM-CSR充电装置。

1 三相PWM-CSR间接电流控制原理

三相PWM-CSR接动力电池组的电路如图1所示,只考虑三相平衡时,其输入侧的空间矢量满足:

其中,n为a、b、c,Isn为电网侧n相电流矢量;En为n相网侧电压矢量;UCn为LC滤波器n相电容电压矢量;In为交流侧n相电流矢量;R为三相电抗器的内阻;C为交流侧滤波电容;ω为电网电压的角频率;VDw为直流侧电感续流二极管;动力电池模型由电池组内阻Rsd串联电池组端电压Usoc近似代替。

以a相为例,若无功率因数校正,超前的电容电流使电网电流超前电网电压,导致了PWM-CSR具有超前的功率因数[11]。若图1所示的系统运行于单位功率因数,稳态运行时交流侧电流Ia的Ia1分量与LC滤波器电容电流ICa的ICa1分量大小相同且方向相反,其矢量图如图2所示,图中ULa为a相LC滤波器电感电压矢量。由图2可得:

调制比m定义为:

其中,|In|为n相交流侧电流基波电流幅值,Idc为直流侧输出电流。

忽略图1中的三相电抗器等效阻抗,并联立式(1)—(3),可得[12]:

其中,Em为电网侧a相电压峰值。

稳态运行时,若电网侧电压、LC滤波器参数确定,可由式(4)计算交流侧的电流滞后电网电压的角度γ,将三相相电压同步信号滞后γ即可得到交流侧电流的同步参考信号,再通过空间矢量合成该参考电流矢量,即可实现网侧单位功率因数。设交流侧电流ia、ib、ic为:

其中,Im为PWM-CSR交流侧基波电流峰值。

2 电流矢量调制

只考虑式(5)中对称基波电流情况,三相PWM-CSR交流侧三相电流矢量如式(6)所示,6个非零矢量在αβ坐标系中的分布如图3所示。

其中,Idc为充电系统输出电流值。

图3中,I7、I8、I9为零矢量,其分别对应a、b和c相上下桥臂直通。零矢量作用时,直流侧电感通过图1中的续流二极管VDw续流。图中三值开关函数σn(n=a,b,c)定义[13]为:

2.1 传统的电流矢量调制

传统电流矢量调制[12,13,14,15]需要将参考电流矢量变换到dq轴系或者αβ轴系。dq轴系变换是利用参考电流矢量q轴分量和d轴分量的比值确定参考电流矢量所在的扇区,再计算参考电流矢量与图3所示的非零矢量的夹角δ,通过计算三角函数得到非零矢量的作用时间,该方法的扇区判断需要计算非特殊角的三角函数,计算量较大。文献[12]利用三相静止坐标系下的参考电流在任意扇区中总有两相电流符号相同、且与另一相电流相反的特点,将电流侧参考电流的值与零进行比较,当大于零时,输出1,而小于零时,则输出0,通过式(8)计算出相应的值。

非零矢量作用时间的计算则是将参考电流矢量及参与合成的2个矢量变换到αβ轴系得到α轴分量和β轴分量,再利用矢量等效作用原则,计算出非零矢量作用的时间。以Ⅰ扇区为例,将参考矢量I*、I1和I6分解得到α分量、β分量,由式(9)计算出I6和I1矢量作用时间T1、T2。

其中,Ts为一个开关周期。

同理算出参考矢量在其他扇区时,非零矢量的作用时间,如表1所示。

表中,U、V及W分别为:

该方法的扇区判断较为简单,但算出N值与扇区的实际值不对应,其非零矢量作用时间的计算方法繁琐,参考矢量在不同的扇区时,需要对非零矢量进行分解,未充分利用其在三相静止坐标系下进行扇区判断的优势,需要坐标系变换,计算量大,对硬件的要求较高。

2.2 改进的电流矢量调制

改进的参考电流矢量扇区判断方法则是依据在三相静止坐标系下参考电流瞬时值的正负进行判断。当参考电流矢量在Ⅰ扇区,有参考电流矢量的值ira>0、irb≤0、irc≤0。若已知ira>0、irb≤0、irc≤0,则可判断参考电流矢量在Ⅰ扇区,同理可给出参考电流矢量在其他扇区的判断条件。

PWM-CSR充电系统直流侧采用电感滤波,其输出电流方向不会突变。PWM-CSR为三逻辑控制,其上桥臂、下桥臂同时只有1个开关管导通。以参考矢量在Ⅰ扇区为例,参考电流矢量由I1和I6矢量合成,由图3和式(7)可知,矢量I1和I6作用时,a相上侧开关管导通,即a相相电流为Idc,b相和c相的下侧交替导通,b相和c相的相电流为-Idc,在Ts内根据矢量等效作用原则有:

将矢量I*=[irairbirc]T、I1=[Idc0-Idc]T、I6=[Idc-Idc0]T代入式(11),可计算出I1和I6矢量作用的时间T1、T6:

从式(12)可以看出,改进的非零电流矢量作用时间计算直观易懂,充分利用了三相电源Y形连接时三相相电流之和为零的特点,省去了坐标变换和三角函数计算。同理推算出参考矢量在其他扇区时的非零矢量的作用时间,改进的扇区判断方法及非零矢量作用时间计算如表2所示。

表中,A、B和C分别为:

在Ts内的剩余时间则由相应的零矢量补充,为了减小零矢量作用时开关管的切换次数,当参考矢量在Ⅰ、Ⅳ扇区时,由零矢量I7补充;当参考矢量在Ⅲ、Ⅵ扇区时,则由零矢量I8补充;参考矢量在Ⅱ、V扇区时,由零矢量I9补充。零矢量作用时,直流侧滤波电感由图1所示的二极管VDw续流。

3 控制系统及电路设计

3.1 控制系统设计

动力电池组充电系统的主要控制目标:一是调节直流侧电流使其跟踪参考电流并保持恒定;二是通过间接地控制电网侧电流获得单位功率因数并尽量减小谐波。根据前文分析,设计了如图4所示充电系统,控制系统采用TI公司的TMS320F2808型号的DSP实现。对于图4所示的系统,PI控制器的输出为调制比m,由式(3)知,调制比m控制交流侧电流的峰值,三相同步相电压滞后角度γ,乘以调制比m,作为电流矢量调制的参考矢量,通过表2判断参考矢量所在扇区并计算非零矢量的作用时间。

参考文献[6]可知:

当PWM开关频率远高于PWM-CSR电网基波频率时,忽略PWM-CSR交流侧电流中的谐波分量,控制系统传递函数结构如图5所示。

忽略滞后角度γ,图5中的二阶闭环传递函数为:

输出电流环为典型一型系统,取ξ=0.707来兼顾系统的稳定性和快速性[16],上升时间取半个工频周期,允许误差取2%,则有:

其中,T为工频周期。

联立式(15)、(16)可计算出PI参数:

3.2 交流调理电路及二、三逻辑转换

在实际电路设计过程中,图4所示的充电系统采用的DSP只能识别大于零的信号,需要对三相相电压同步信号进行调理,a相电压调理电路[17,18]如图6所示。

当a相输入为零时,调理电路的输出电压为:

即将a相相电压的零电平提升至电源电压的一半。为了恢复调理前的信号,DSP采集信号值相应地减去电源电压的一半,同时调理电路的输出U′a和输入Ua的相位相反,在DSP内部需要作反相处理。b相、c相相电压与a相相同。

DSP根据表2计算出非零矢量的作用时间,由输出端口给出的是两电平信号,即对同一桥臂,不存在同一桥臂2个开关管全导通的情况,用二值开关函数P描述为:

PWM-CSR为三逻辑控制,开关函数如式(7)所示,分析式(7)和式(19)可以得出二、三逻辑之间的关系如式(20)所示。DSP生成的二逻辑信号经式(20)转换,可得到三逻辑驱动信号。

4 系统仿真及实验

为了验证文中所提的设计方案,在Saber中搭建了图4所示的系统,仿真参数为:三相线电压为38 V/50 Hz,滤波电容C=10μF,电感L=0.1 m H,等效电阻R=20 mΩ,直流滤波电感Ldc=4 m H,电池组端电压为22 V,内阻为30 mΩ,开关频率为10 k Hz。PI参数Kp=0.1,Ki=0.6。为了减小开关管的导通和关断损耗,在开关管的两侧并联了一个2μF的吸收电容。为了考察系统的启动性能及输出电流的跟踪性能,在0.1 s时参考电流从50 A下降并于0.12 s下降至30 A,a相输入电压、电流及输出电流波形如图7所示。从图7中可以看出,系统启动半个工频周期后,电压与电流同相位,实现单位功率因数,动态响应良好,输出电流能迅速跟踪参考电流的变化,并维持稳定,输入端亦能跟踪网侧电压。

采用三菱的PM800HSA060智能功率模块和RM300HA-24F功率二极管搭建了一台1.5 k V·A的三相电流型PWM充电样机,并对7节200 A·h的磷酸铁锂电池组进行充电。参数与仿真参数一致,样机采用380 V/38 V自耦变压器供电。图8为50 A电流充电时的a相电压、电流及输出波形。从图中可以看出,a相电流波形与a相电压同相位,且输出电流的纹波较小。图9为开机瞬间a相电压、电流及输出电流波形。从图9中可以看出,a相输入电流在半个工频周期内跟踪电网电压波形,实现单位功率因数;但输出电流的上升时间为20 ms,与仿真波形存在一定的偏差,主要原因是Saber仿真采用理想器件仿真,而实际做实验时,直流侧滤波电感较大,输出电流的响应速度受到一定的限制。

5 结论

本文采用间接电流控制策略实现了PWM-CSR充电系统单位功率因数运行,改进了需要坐标系变换的传统电流矢量调制算法,同时设计了以TMS320F2808型号的DSP为主控芯片的控制系统。由仿真和实验结果来看,充电系统运行于网侧单位功率因数,有效地抑制了输入电流谐波,网侧电流和直流侧输出电流跟随性能好,具有一定的工程意义。

摘要：针对动力电池组三段式充电特性,设计了用于动力电池组充电的三相电流型PWM整流器的主电路,采用了电流空间矢量调制的间接电流控制策略和PI控制器实现网侧单位功率因数运行和直流侧电流稳定输出。为了避免传统电流矢量调制所需要的坐标轴系变换,给出了在三相静止坐标系下的电流矢量调制算法。在此基础上给出了由TMS320F2808芯片控制的电流型PWM充电器控制系统。详细介绍了PI控制器、三相电压调理电路及二/三值逻辑转换的设计方法。该装置省去了网侧电流检测,能在较宽范围内输出纹波较小的充电电流,动、静态性能良好。计算机仿真与动力电池组充电实验结果表明,所提设计方案是可行的。

动力电池生产管理系统 篇6

伴随新能源汽车的不断发展,作为新能源汽车产品中最重要的部件———锂离子电池的需求量也越来越大,当前动力电池的生产工艺还没有较 为成熟的 技术,在可靠性、连 续化、一致性、无污染等方面生产工艺正在不断升级,其中最为关键的 技术是正负极片的制备,它决定了电池质量[1]。传统的生产是采用机械切割,极片的边缘会产生毛刺,对电池的安全性造成 影响,同时机械切割作用力的存在对极片也会产生不利影响。本文采用激光工艺来消除机械切割对极片产生的不利影响,激光在涂布均匀的极片料带上行走,切割出带有极耳的极片,动态切割、一次成型。机器前段匀速送料,中段采用激光 打标软件来输入切割图形,待切割的电池极片匀速经过激光振镜(激光切割执行部件)时,振镜按照输入切割图形高速切割极片。此套系统工作效率高,更换切割图形无需换刀具,直接修改切 割图形即可,精准涂布,废料少,只有少量铝箔。

1生产流程

分条好的极片上卷,从主放卷辊放出,经过拖料辊,最后通过纠偏系统传送至激光飞切装置。在此中间有两个张力控 制器来匹配前后电机由于放料卷半径的变化产生的速度变化,自动纠偏器检测微调极片边线位置,在进入激光切割装置之 前,两个正反转除粉电机用来除去极片上的细微粉尘,保障极片的质量。设备中段为激光切割,色标传感器检测到信 号之后,待极片恒速传送到待切割区域,激光控制系统通过控制振镜飞速运动改变出光路径完成极片图形切割,同时废料去除装置去除多余废料,待后段传感器检测到加工完成的极片后,取料机械手动作,料盒主动接 料处理并 计数,待达到收 集数值换 料盒。图1为锂电池激光极片切割机工艺流程图。

2系统设计

本系统硬件采用了模块化设计思路,设备分为前段恒速送料单元、中段激 光切割单 元、后段极片 收集单元,模块间采 用I/O通信,主控采用一个嵌入式工业运动控制器,激光切割系统采用专业的激光打标控制器,控制X、Y两个自由度振镜,让激光光路在焦平面运动,切割待加工图形,设备后段极片收集 单元由抓料机械手和自动料盒转换装置组成。

激光切片机放卷示意图如图2所示,主放料电机驱动料卷主动放料,料带在张力辊上摩擦产生张力,张力的大小随摆 辊摆角变化。张力传感器A测量摆辊的角度,输出的电压与检测的张力成正比,张力的大小反馈前后电机的速度是否匹配。张力传感器的电压值与主放料电机转速相乘作为放卷电机速度给定值。显然,此控制系统属于按扰动补偿的张力开环控制系统,在系统扰动下 (卷径和主 放料电机 速度改变 )张力发生变化。

放卷在极片拉伸作用下,根据胡克定律,放卷张力为:

式中,A为极片的横截面积;e为弹性形变;E为弹性模量;l0为未拉伸极片长度;l为拉伸极片长度;T0为张力初始值;V1为主放卷电机速度;V2为拖料电机速度。

由式(1)知,要使放卷 张力T恒定,只需主放 卷电机速 度V1跟随V2。加入恒张力控制[2,3,4],此闭环系统控制方案如图3所示。

由张力传感器输出0~5V电压反馈,与初始比例阀设定值比较,通过PID调节,主机速度是PID调节值与主机速度值的结合,组成了张力的闭环系统。此系统通过实际运行能够克服电机速度和卷径变化等因素带来的张力波动。

3系统软件架构

3.1嵌入式控制器功能分析与设计

根据设备工艺流程来分析PLC的功能并进行设计:(1)恒速飞切电机的控制:通过中间 的张力传 感器带动 拖料电机 运动,保障激光切割区域料带恒速,实现恒速送料。(2)主动放料电机的控制:放料电机启动,跟随前面拖料电机的速度,根据张力传感器来调整放料的转速,实现平稳放料。(3)激光飞切单元控制:主要是色标传感器检测到切割信号,经过一段固定 距离传送至激光切割区域,这个距离的计算是通过比较电机编码器的值来实现,出光信号通过I/O输出,激光飞切控制卡触发激光器去执行。(4)废料除去单元控制:色标传感器检测到切割信号,待极片传送至切割区域,等待极片切割完成的一瞬间,废料除去电机启动,通过拨杆打掉废料。(5)极片收集单元控制:传感器检测到极片加工完成之后,启动取料机械手去抓 取极片,并且通知收料盒准备接料。

3.2程序主要实现的功能

嵌入式控制器CPAC-OctoBox主要负责伺服系统的驱动,包括控制放料电机、拖料电机、恒速切割电机,放料电机卷径的变化转化成张力的变化,通过张力模拟量的变化直接转换控制前后电机的线速度变化,实现对系统激光切割的恒速送料,通过I/O启动激光切割 系统、废料去 除系统、机械 手取料系 统。程序流程图如图4所示。

3.3可视化界面的设计

系统选用的是eView触摸屏,主要实现以下功 能:设备系统的监控、调试维护、报警信息显示、设备运行参数设定等。设备操作 系统主界 面如图5所示,系统根据 功能分成4个子菜单。

监控界面主要监控设备的主要执行部 件、运行状态 参数,还有设备的输入/输出I/O点。在监控界面可以实时查看各个执行部件及输入/输出I/O口的状态,方便随时检修设备,快速查找故障原因。

在设备参数界面可以输入参数,修改激光 出光的距 离D,以方便设备在不同速度下切割不同形状极片,恒速切割伺服速度可以设定,同时显示放料伺服、拖料伺服、恒速切割伺服实时速度。

4极片切割实验统计

实验测试切片机系统切割精度,激光切割距离黑色涂布层边缘有3mm,目的是方便测试重复切割精度。实验随机统计了600片,采用VMS-150F影像测量仪测试。根据式(2)计算出标准差,实验统计结果如表1所示。

平均值μ=3.0283,计算得到标准差σ=0.1392。

单位:%

5结语

系统以嵌入式控制器为核心,采用模块 化设计,实现了对伺服系统的高精度控制,通过I/O控制激光切割系统、极片收集系统、料盒换盒系统协同工作。该系统达到设 计要求,能够使锂电池极片动态切割机的切割精度满足工艺要求。

摘要：针对电池极片模切机生产极片有毛刺,影响电池质量问题,设计了一种基于嵌入式控制器的锂离子电池切片机,能连续动态切割锂离子动力电池的阳极,极耳一次成型。系统采用激光振镜作为激光的执行部件,实现实时动态切割,采用微型处理器作为主控PLC进行系统调度。模块化设计,系统分为恒速送料模块、激光切割模块、极片收集模块,具有精度高、省原材料、设备维护简单、电池生产效率高的特点。

动力电池生产管理系统 篇7

随着电动汽车的快速发展, 电动汽车动力蓄电池的研究也日益受到关注。动力蓄电池状态监测是对电池特性进行深入研究的前提和基础。例如, 电池的状态分析、电池剩余电量估计、电池安全管理和电池信息管理等, 都基于电池实时状态监测[1]。然而, 电池状态数据的采集和处理总是存在一定的滞后, 状态监测的实时性也是一个相对的概念[2]。本文对电池状态信息的采集、传递和处理环节的“实时性”进行了深入探讨, 充分考虑电池状态监测过程中遇到的实际问题, 提出一种动力蓄电池状态实时监测系统。该系统能够实时采集并记录电池的电压、电流和温度, 可用于动力蓄电池的特性研究、故障诊断及事后分析。

1 电池状态监测实时性探究

1.1 时延的不可避免性

在动力蓄电池状态监测过程中, 以下几个环节的时延只能降低, 不能消除:电池监测回路 (battery monitoring circuit, BMC) 的信息采集环节、信息传递环节以及监控系统控制单元的信息处理环节。

BMC是指与所要采集的电池参数最接近的芯片及其辅助电路, 可以是单片机、模数转换器及某些专用芯片[3]。BMC信息采集环节时延的主要原因是模/数转换需要一定的时间。通常, 完成一个8位的模/数转换用时约为100 us[1,4]。

信息传递环节的时延取决于数据传输的波特率以及信息的长度。

控制单元是监测系统的最高决策芯片, 控制着电池信息采集、LCD屏信息显示、Flash芯片信息存储、定时中断等多项功能, 这些任务之间的协调、调度也不可避免地会造成时延。

因此, 电池状态监测系统是一个相对实时的系统。

1.2 时延的负面影响

动力蓄电池的状态监测对实时性的要求较高, 因为时延会造成一定的负面影响。例如, 在对电池进行快速充电时, 是以电池端电压作为减小或切断充电电流的依据。在充电周期的前期和后期电池电压变化很快, 电池状态监测时延会造成电流调控的时机不准, 轻则影响电池充电效果, 重则损伤电池甚至可能造成安全事故。

另外, 目前对于电池剩余电量 (state of charge, SOC) 的评估, 采用的主流方法仍然是电荷累计法 (CC法, 又称作电流积分法) , 即MCU将每个时刻采集到的电流, 通过积分或求和的方式累积起来[5]。如果采样不均匀, 或者采样频率过低, 都将严重影响SOC评估的准确性。

1.3 采取的措施

设计动力蓄电池状态实时监测系统时, 应充分考虑不同物理量对于实时性的耐受度, 从可行性、可靠性、经济性等方面综合考虑, 分析状态信号的变化特征。根据不同用途, 确定采样频率、仪表显示和数据存储等频率。

2 电池状态监测

2.1 电池电压监测

电动汽车动力蓄电池多采用磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池电压的工作范围在2.2V~3.6V[1], 电压精度的选择取决于电压数据的用途。如果用于过压保护, 精度要求相对较低;如果用于仪表显示, 精度要求也不高;对电压采集精度要求最高的是开路电压法 (OCV) 测SOC。

本文设计的动力蓄电池实时监测系统采用MC9S12DG128单片机作为MCU, 该MCU自带16路10位的A/D转换器, 而动力蓄电池的实际电压在0V~5V之间, 所以, 可以直接将电池的正负极连接在MCU的A/D转换器引脚上, 测量精度为5mV[6]。

2.2 电池电流监测

电流是要测量的三个物理量中对测量频率最敏感的物理量, 因此本文用电流的检测频率、显示刷新频率以及存储频率作为系统的定时中断频率。

电池特性研究中对电流监测频率要求最高的就是用CC法测SOC, 一般采用1Hz的频率[7]。因此本系统采用1s的定时中断来执行一次信息的采集、显示和存储操作。系统所指的实时性是指延时在1s以内。

常用的电流监测方法有串联电阻法、霍尔传感器法, 虽然串联电阻法成本低, 但是电阻的热损耗对于电池特性研究会造成负面影响, 因此选用自带功率放大器的霍尔传感器采集电流[1,8]。

2.3 电池温度监测

电池的温度关系到电池使用过程的安全性, 但电池的安全性对温度的敏感度不高, 从系统功能和成本两方面综合考虑, 选用热电偶做温度传感器, 接线图如图1所示。

3 系统设计

3.1 系统整体设计框图

该动力蓄电池状态实时监测系统由摩托罗拉公司的MC9S12DG128单片机和五个功能子系统构成。系统整体设计框图如图2所示。

系统的主要功能是实时采集动力蓄电池的电压、电流和温度信息。通过LCD屏显示实时时间、电池电压、电流和温度信息。通过存储键控制是否将这些实时数据储存到Flash芯片中;通过导出键控制是否将Flash芯片中的数据导出到PC中。

3.2 实时时钟模块

系统的实时时间由美国DALLAS公司的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302提供。用MC9S12DG128芯片通用I/O口模拟时序, 读/写DS1302时间信息, 其接线如图3所示。

3.3 数据的显示、储存与导出

3.3.1 状态信息的显示

每隔1s采集并显示一次动力蓄电池的电压、电流和温度信息, 同时显示DS1302提供的实时时间, 显示功能通过LCD屏实现。MCU通过通用I/O口控制LCD。

3.3.2 状态信息的存储

3.3.2. 1 Flash芯片容量计算

系统需要Flash芯片记录的信息有实时时间信息、电池电压、电流和温度信息。其中实时时间信息为DS1302提供的1Byte的小时信息、1Byte的分钟信息和1 Byte的秒钟信息。Flash芯片储存数据的方式为AAI-Word-Program (auto address increment programming) , 每次向Flash芯片中写入一个Word长度的数据, 为了方便实现数据的存储, 在1Byte的小时信息前加入1Byte的无用信息。所以, 每条时间信息的长度是4Bytes。存入Flash芯片中的电池电压、电流和温度信息是通过MC9S12DG128单片机的10位A/D模块转化后的数字信息, 每条电池电压、电流和温度信息的长度都为2Bytes。

每条信息的长度=实时时间信息长度+电压信息长度+电流信息长度+温度信息长度=10Bytes

系统设计了存储键控制是否启用Flash芯片记录数据的功能。实际应用和实验中, 动力蓄电池一次完整的充放电过程不超过48小时。系统的数据1s更新并记录一次。所以, 系统所需Flash芯片的最小容量为:

10Byte/s×48×3600s=1728000Bytes

因此, 选用一块2MBytes的Flash芯片SST25VF016B作为数据存储芯片。

3.3.2. 2 Flash芯片硬件连接

MC9S12DG128单片机的通用I/O口PS4~PS7与SPI0接口复用。Flash芯片通过这个SPI接口与主控芯片进行通信, 其接线如图4所示。

3.3.3 状态信息的导出

系统采用串行通信接口 (serial communication interface, SCI) 与PC机进行通讯, SCI属于UART规范, 波特率为115200, 8位数据位, 1位停止位, 无奇偶校验。MCU的SCI接口通过一个电平转换芯片MAX232CPE驱动之后, 可以通过RS232数据线直接与PC通信。状态信息经过程序解码之后, 按设定好的格式导出到PC, PC采用串口调试软件SSCOM接收数据。数据导出的格式为.txt文件, 将文件后缀名改为.csv可得到Excel表格的电池状态信息数据。系统设计了导出键来启动或停止数据导出。

3.4 系统软件设计流程图

系统采用模块化的软件设计方法, 主程序从功能上分为初始化、开中断、实时时间获取和显示、电池状态信息获取和显示、Flash写入1条数据、Flash导出1条数据这几个模块。主程序执行过程如图5所示。

需要说明的是, 系统在执行Flash数据导出时, 实时时间获取、电池信息获取和显示都将停止, 直到Flash芯片中所有数据导出完毕或者用户再次按下导出键结束数据导出过程。系统的Flash数据导出功能是在电池的状态信息测试、记录完成之后进行的, 用于事后对测试的充放电周期内的电池特性进行研究、故障诊断等。因此, 数据导出阶段对MCU的独占, 不影响该系统的正常使用。

主程序控制命令语句中的Flag、Switch1和Switch2的值都是通过1s的定时中断程序控制的。图6给出了1s定时中断程序流程。

4 结语

本文设计了一种动力蓄电池状态实时监测系统, 可以实时显示并记录动力蓄电池的电压、电流和温度状态, 并且提供了可选的数据导出功能, 可将Flash芯片中记录的动力蓄电池状态信息导出到PC。该系统可用于动力蓄电池的特性研究、故障诊断等, 具有很强的实用价值。

参考文献

[1]谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].广州:中山大学出版社, 2011.

[2]南金瑞, 孙逢春, 王建群.纯电动汽车电池管理系统的设计及应用[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2007, 47 (增2) :1831-1834.

[3]Dong Tingting, Li Jun, Dai Haifeng.Analysis on the Influence of Measurement Precision of the Battery Management System on the State of Charge Estimation[C].Asia Pacific Power and Energy Engineering Conference, Chengdu, China, 2010.

[4]Odd Jostein Svendsli.电池管理应用中精确测量和温度稳定的重要性[J].今日电子, 2010 (1) :28-31.

[5]Li Yuheng, Wei Xuezhe, Sun Zechang.Low Power Strategy Design for Battery Management System[C].International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Au-tomation, Changsha, Hunan, China, 2009.

[6]孙同景, 陈桂友.Freescale9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[7]Zhang Baofeng, Wang Ya, Zhu Junchao.Design of High Speed Data Acquisition System Based on FPGA and DSP[C].Inter-national Conference on Artificial Intelligence and Education, Hangzhou, China, 2010.

动力电池生产管理系统 篇8

关键词：动力电池,故障诊断,无线传感网络,STM32F103VB

磷酸铁锂电池作为HEV的主要动力源之一, 在使用过程中需要对其工作状态进行在线检测和快速故障诊断[1]。针对当前HEV动力电池故障诊断自动化程度低以及电池组管理困难的现状, 设计了基于ZigBee无线传感网络的便携式HEV动力电池故障诊断系统。系统采用分布式网络结构对动力电池的电压、充放电电流、电池阻抗和电池组工作温度等参数进行在线检测。故障诊断信息通过无线传感网络发送给手持故障诊断终端、无线打印机和上位机进行存储和管理。相对于传统人工电池检测的管理方法, 便携式HEV动力电池故障诊断系统实现了动力电池组状态信息的动态监测和快速故障诊断, 以及电池数据信息的网络化传输, 解决了传统车载动力电池管理系统布线的困难, 具有成本低、易于安装、性能稳定等优点。

1 系统设计与工作原理

便携式HEV动力电池故障诊断系统由电池组高压检测模块、STM32F103VB主处理器、支持ZigBee协议栈的无线传感模块、触摸屏手持终端、无线打印机等组成, 通过无线传感网络实现对HEV动力电池故障信息的在线检测与快速故障诊断。便携式HEV动力电池故障诊断系统的系统结构如图1所示。其中, 每个电池组分别由10块磷酸铁锂电池组成。

当故障诊断系统对HEV动力电池进行在线检测诊断时, 便携式终端通过STM32F103VB主处理器分别对每个电池组发送诊断指令。各电池组中的下位机在接收到诊断指令后分别检测每块电池的电压、充/放电电流、电池阻抗、电池组温度等信息, 并将故障信息 (电池编号、故障代码等) 通过无线传感节点发送至故障诊断系统的便携式终端, 由主处理器STM32F103VB对动力电池的数据信息进行分析处理、显示、存储和无线打印。

根据实际HEV动力电池可能出现的故障, 对其故障码进行分类, 如表1所示。

2 硬件电路设计

2.1 高压隔离与采样

通常情况下, HEV动力电池由100块磷酸铁锂电池串联而成。电池组中各采样点具有较高的共模电压而相邻采样点之间的压差不大, 因此必须对其进行高压隔离。在对HEV动力电池状态信息进行实时监测的过程中, 既要解决前端采样电路与后端数据处理电路之间的共地问题, 还要实现对HEV动力电池电压采样通路的高速开关控制。

HEV动力电池故障诊断系统采用日本松下AQW214S光耦继电器作为高压隔离器件, 同时也作为电压采集系统的高速信号采样器件。AQW214S光耦继电器的隔离电压高达1 500 V, 耐压值为400 V, 连续负载电流为±130 mA, 平均动作时间0.3 ms, 且具有较小的导通电阻和漏电流, 满足诊断系统高压采样和隔离的设计要求。具体的高压隔离与采样开关电路如图2所示。

除此之外, 下位机STM32F103VB内部还集成了12 bit的A/D转换器, 对隔离后的电压信号进行模数转换, 满足便携式HEV动力电池诊断系统的精度要求。

2.2 CC2530无线传感节点

便携式HEV动力电池故障诊断系统选用支持ZigBee协议栈的CC2530无线传输模块。CC2530是TI公司以C51为内核的ZigBee芯片, 支持了国际通用的IEEE802.15.4标准以及ZigBee标准, 提供了101 dB的链路质量, 具有较高的接收灵敏度和较强的抗干扰性, 同时具有较低的系统功耗、低成本、时延短、高容量、高安全性等特点[2]。

CC2530在无线数据传输方面表现出了良好的性能, 但由于自身资源有限, 在触摸屏控制 (真彩液晶屏) 、数据处理、海量存储等方面不能满足系统的要求[3]。因此, 便携式HEV动力电池故障诊断系统选用了基于CortexM3内核的STM32F103VB主处理器来实现上述功能, 与CC2530构成双处理器结构。

CC2530与ARM处理器 (手持终端中的主处理器、电池组中的下位机) 之间采用串口通信, 波特率设置为57 600 b/s, 实现便携式终端、上位机以及下位机之间数据信息的无线收发, 具体电路如图3所示。

需要说明的是, 与动力电池组下位机串联在一起的CC2530被设置为路由器, 用于收发STM32F103VB主处理器与下位机之间的数据信息;与手持终端相连的CC2530则被设置为协调器, 除了实现各个设备模块间的数据收发功能外, 还用于控制整个无线传感网络节点的加入、删除与通信控制。

2.3 STM32F103VB主处理器

STM32F103VB是一款高性能、低功耗的32位ARM处理器。芯片集成了丰富的片上资源, 支持1μs的双12位A/D转换器、4 MB/s的USART, 以及18 MB/s的SPI等。此外, 处理器还在系统架构上进行了改进, 支持单周期乘法、硬件除法和高效的Thumb2指令集。STM32F103VB时钟频率最高可达72 MHz, 每秒可完成200万次的乘加运算。在待机模式下, 消耗电流下降到2μA, 具有较低的系统功耗。

STM32F103VB主处理器及外围接口电路如图4所示。存储电路采用24C128, 用于保存动力电池的故障记录及SOC值等。时钟芯片DS1302产生时间和日期, 外接32.768 kHz的晶振用于提供精确的秒中断以实现对动力电池SOC值的计算和校正。

便携式HEV动力电池故障诊断系统采用3.7 V高性能锂电池供电, 而系统各个电路模块均采用3.3 V供电。因此系统采用LM1117-3.3作为稳压模块。LM1117-3.3压差仅为0.18 V, 即使锂电池电压下降到3.5 V, 仍能提供3.3 V的稳定电压。此外, 为了保证A/D转换的精度, 系统选用TL431为A/D转换器提供精准的2.495 V参考电压, 其误差不超过±0.4%。

3 软件设计

便携式HEV动力电池故障诊断系统采用双处理器结构设计, 因此在系统软件设计过程中, 需要分别对协处理器CC2530和主处理器STM32F103VB进行编程。CC2530采用IAR Embedded Workbench平台进行开发, 选用的Z-Stack版本是ZS-tack-CC2530-2.3.0-1.4.0。STM32F103VB则选用Keil for ARM平台进行开发。

主处理器协同CC2530 (协调器) 负责诊断指令的发送、分析处理电池诊断信息, 以及手持终端的显示、数据的分析、上传和无线打印等;下位机协同CC2530 (路由功能) 实现对电池组中各种参数的采集、监控和故障诊断, 并通过无线传感网络接收来自主处理器的诊断指令并将诊断数据传送给上位机。具体的系统软件流程如图5所示。

上位机分析软件采用Visual Basic6.0软件开发设计, 利用VB软件中的窗口控件实现界面主体的搭建。与诊断仪之间的数据通信则通过MSComm控件来实现, 在上位机分析软件中, 可直观地查看电池电压、温度、阻抗、充放电电流、SOC值以及故障代码等信息。

由于车载环境中存在较多的外界干扰, 故障诊断系统需要对动力电池各个状态参数的测量数据进行滤波处理, 去除偶然因素引起的波动或者由于采样器不稳定引起的脉动干扰。系统对各电池参数进行连续采样, 通过滑动滤波对采样序列进行处理, 以减小外界干扰引起的误差。最后将滤波后的数据发送到STM32F103VB主处理器上, 由便携式终端将诊断数据传送至上位机进行分析、评估和打印。

4 实验结果分析

选用南京嘉远HEV动力电池 (磷酸铁锂电池, 10个电池组共100块) 进行测试, 以福禄克万用表的测量读数作为标准值[4,5]。使用HEV动力电池故障诊断系统对不同工况下磷酸铁锂动力电池的状态信息进行在线检测诊断, 并与标准值进行比对。表2显示了某次实验过程中怠速状态下诊断系统3号电池组的读数以及故障代码。

从表2中数据及故障代码可以看出, 第36号电池出现电压过低的现象。经排查, 该故障是由于该电池质量不合格, 长期充放电引起电池起鼓所致。此外, 动力电池放电电流的误差主要是由于电流值偏小、对应霍尔传感器的非线性区造成的, 可通过软件校正或选用其他线性度更好的电流传感器来替代。

结合HEV动力电池故障诊断和ZigBee无线通信技术, 设计了基于无线传感网络的便携式HEV动力电池故障诊断系统。诊断系统采用STM32F103VB实现对HEV动力电池的在线检测诊断, 选用CC2530模块对动力电池的状态信息进行实时传输, 避免了在车辆上铺设通信线路的困难。便携式HEV动力电池故障诊断系统成本低, 服务设施灵活, 不受车载空间条件的限制, 满足实时监测和远程数据通信的要求, 可方便改进并推广到其他检测诊断系统中。

参考文献

[1]郭佑民, 胡广鹏, 谢飞.机车蓄电池在线监测与地面分析系统[J].仪表技术与传感器, 2012, 23 (8) :51-54.

[2]唐慧强, 咸爱国.基于无线传感器网络的手持式校准器[J].电子技术应用, 2012, 38 (8) :50-52.

[3]AKYILDIZ I F, SU W, SANKARASUBRAMANIAM Y.Wireless sensor networks:A Survey.Computer Networks, 2002, 38:393-341.

[4]刘玉珍, 程政, 蒋靖.基于ZigBee的井下巷道瓦斯监测系统[J].仪表技术与传感器, 2012, 9 (9) :49-52.

动力电池生产管理系统 篇9

虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)允许用户根据自身需求设计自己的仪器系统,充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能[1]。虚拟仪器是由计算机硬件资源和良好人机交互功能的图形用户界面软件组成,在测控领域有广泛的应用,帮助工程技术人员解决了许多传统测控仪器所遇到的多种问题。例如黎芳等针对传统的电池电压检测系统不能满足燃料电池系统中采集量过多,实时性强的问题,提出了基于虚拟仪器和CAN总线构成的燃料电池电压检测系统[2]等。

动力电池技术作为电动汽车核心技术之一,对电动汽车整车性能起着决定性作用,为保证动力电池正常、安全、高效地在电动汽车上使用,在进行电动汽车开发与设计过程中,需要对动力电池性能进行全方位的测试实验。于此同时,动力电池实际应用中需要配置电池管理系统对电池运行状况进行监控,为电动汽车提供准确可靠的动力电池信息并对电池进行可靠的管理,而电池管理系统的工作是否正常直接影响到动力电池的性能发挥和寿命的衰减。

在进行动力电池性能试验和检验动力电池管理系统工作是否正常时,需要高精度的动力电池数据采集系统实时采集动力电池的电压、温度和电流等参数,对动力电池及其电池管理系统自身运行性能及各项功能进行实时监测,在动力电池系统出现故障时需要对其进行诊断,进而为分析动力电池性能和判断电池管理系统工作情况提供可靠的依据。而目前应用于动力电池高精度测试的设备比较少,而且价格昂贵,而低端的动力电池检测设备,操作过程复杂,测试人员劳动强度大,测量精度差,难以满足产品级的动力电池及其管理系统的测试需要。

相关领域的研究人员已开展了一系列基于虚拟仪器进行锂离子保护板校验和测试[3]、蓄电池内阻测试[4,5]等方面的研究,充分利用了虚拟仪器的多线程技术、直观易用的图形化人机交互界面技术等,与传统数据采集系统相比,该系统具有成本低、采样精度高、控制容易、使用灵活方便等特点[6]。

笔者所在的研发团队开发的基于虚拟仪器的锂离子动力电池数据采集系统可用于动力电池的实时监控和参数分析,采用PCI总线,扩展性好,采样速度高,测试精度容易得到保证,相关的成果可以用于高等学校电动汽车有关课程的实验配套设备建设,也可作为电动汽车产品开发与研究人员开展相关研究工作的配套实验工具,既可服务于教学,又能应用于科研,可在从事电动汽车相关教科研工作的企事业单位进行推广和应用。

2 关键技术问题

锂离子电池电气性能的测试参数多、精度要求高,传统的手动测试和现在的电池生产厂家的多级结构测试系统都不能满足实验室测试的要求[7]。

结合虚拟仪器技术开发电动汽车动力电池实验数据在线采集系统,利用高速PCI总线技术、分层管理理论和多线程技术,多路并行、高速采集动力电池各种实验数据,在有限的硬件资源情况下,灵活定制符合多种电动汽车用动力电池测试要求的测试方案,为动力电池及其管理系统的工作性能分析提供依据,可解决目前测试过程中采样速度低、成本高、劳动强度大、数据分析能力弱等缺点,使采集系统具有较高的灵活性、兼容性和可重用性,采集结果具有较强客观性和较高的自动化程度。

基于虚拟仪器的锂离子电池参数自动采集测试系统软件,配合实验室配套硬件如程控电源、电子负载、锂离子动力电池、工控主机和相关PCI总线DAQ数据采集板卡,通过CAN总线通信协议控制程控电源和电子负载,使其满足测试条件,同时用基于PCI总线的高速数据采集系统实时对原始数据进行采集,并通过软件滤波技术和数学算法进行数据处理,得出测试结果。测试人员可以在后续工作中根据测试结果对电池的性能进行分析,也可以将测试结果与电池系统原先配备的电池管理系统的测试结果进行对比,进而分析该电池管理系统工作情况是否正常。在软件开发过程中,如何合理运用Lab VIEW开发环境,开发基于PCI总线的DAQ数据采集系统,充分利用其提供的丰富的接口函数,使得软件开发周期大为缩短,测试流程尽量简单,测试结果尽量精确,是本采集与测试系统设计成功的关键。

另外,通过图形化编程语言,搭建直观易懂、操作简便的人机交互界面,可以大大减轻测试人员的工作量,避免测试过程中的错误操作,提高测试效率,保证测试的安全而顺利地进行。

(1)基于PCI总线提高系统通用性和降低系统成本

DAQ(Data Ac Quisition)数据采集,是基于计算机标准总线的内置功能插卡。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的虚拟仪器。而PCI(Peripheral Component Interconnect)是目前个人电脑中使用最为广泛的标准总线接口。基于PCI总线的虚拟仪器测试系统在性能、灵活性、易用性和价格等方面较传统仪器测试系统具有绝对优势。

(2)提高系统灵活性、界面友好性和自动化程度

虚拟仪器融合计算机强大的硬件资源,在数据处理、显示、存储等方面的突破传统仪器的限制,通过部分仪器硬件功能的软件化,降低了系统成本,增加了系统灵活性;利用计算机强大的数据处理能力,使复杂的数值算法得以在仪器中应用;而其高度自由的图形用户界面设计功能,使用户开发个性化强、界面友好、人机交互性能好的软件界面成为可能;另外其丰富的接口和通讯功能又可以实现高度的信息共享[8]。把虚拟仪器技术应用于系统的软硬件设计中,操作简单,自动化程度高,数据处理也更加方便。

3 基于虚拟仪器的动力电池数据采集系统硬件设计

动力电池数据采集系统硬件主要包括主控机、PCI总线数据采集接口卡、信号调理器、各种传感器、CAN总线接口卡等,如图1所示。采用基于PCI技术的高精度、高速率并行数据采集卡构成信号采集层,通过PCI总线将数据传输到主控机。

(1)动力电池单体电压采集

以车用锂离子动力电池为研究对象,根据锂离子动力电池的特点,其充放电过程中单体电池工作电压范围主要位于2.5 V~5 V之间,信号采集与调理模块可选用研华的PCI-1747U型PCI总线模拟量输入卡进行锂离子动力电池单体电压的采集。研华提供的该款PCI总线适用独立式高速模拟输入适配卡。它具有64路单端或32路差分16位高分辨率模拟量输入通道,取样率高达250 k S/s,针对A/D取样提供连续、不间断、高速的串流数据,以便控管内存。采集数据通过高速PCI总线上传至主控机。

(2)电池温度采集

动力电池温度采集要求能够及时反映动力电池温度变化情况,对采样速率的要求相对单体电压采集较低,按照当前电池管理系统温度采集模块的发展情况及精度要求,选择低速数据方式以降低测试成本。

笔者采用基于温度传感器DS18B20的温度巡检模块,采集电池温度信号,并通过总线接口卡与主控机进行通讯,将电池温度数据传输到主控机。

(3)电流采集

电池工作电流的采集采用霍尔式电流传感器,配合PCI总线模拟量输入采集卡实现采集。

(4)与电池管理系统数据通讯

电池管理系统采集到的参数通过CAN总线对外输出,因此,系统根据CAN总线通讯协议,利用研华PCI-1682U型CAN通讯卡实现与电池管理系统之间的数据通讯,进而掌握电池管理系统工作情况。PCI-1682U型CAN通讯卡是2端口CAN总线通用支持开放CAN协议的PCI通讯卡,在工业测控领域应用广泛。

(5)主控机选型

主控机是测试系统的核心,笔者采用研华AIMB-769母板,配合PCA-6114P12扩展卡实现各类PCI数据采集卡的安装。该母板为Intel酷睿2四核ATX母板,支持VGA,2路COM,单路LAN,能够满足高速数据处理要求。

4 图形化人机交互软件界面开发

图形化界面是虚拟仪器人机交互的主要组成部分,所开发的数据采集人机界面如图2所示。

动力电池数据采集的一种方式为通过电池管理系统的CAN通讯功能采集获取电池的各种参数,这种方式的优点是不仅可以获取电池的电压、电流和温度等一次参数,而且还可以获取剩余电量SOC等二次参数。本文用两个线程来实现基于CAN总线的数据采集,主线程为CAN通讯数据接收线程(如图3),辅线程为CAN总线数据解析线程(如图4)。前者主要完成CAN通讯接口卡的初始化设置和CAN总线数据的收发。所收到的数据通过局部变量的方式传递到数据分析线程,根据CAN通讯协议对数据进行分拣和分析。

动力电池数据采集的另一种方式为通过PCI数据采集卡获取电池单体的参数。这种方式的缺点是只能获取一次参数,二次参数需要经过计算得到。图5所示为单体电池电压采集线程。

如果数据采集的目的主要是监测单体电池的故障,或者电池管理系统采集电池的一次参数的功能是否正常,则只需将通过上述两种方法获得的电池一次参数进行对比分析即可。如果要实现电池管理系统二次参数计算精度验证等复杂功能,则需要进行二次开发,在通过PCI数据采集卡获取一次参数后,按照电池管理系统制定的算法策略或其他更精确的算法进行二次参数的计算,然后再与电池管理系统本身输出的二次参数进行对比。

5 结论

结合笔者开发过程,总结以下几点。

(1)基于PCI总线的高速、高精度DAQ数据采集系统硬件与基于多线程的多路并行同步数据采集软件相结合,精度高而成本低,在有限的硬件条件下满足动力电池参数高速数据采集要求,解决了常规测试仪器功能单一的问题,同时可以替代昂贵的专用测试仪器。

(2)基于PCI总线的DAQ数据采集系统可扩展性强,可在数据采集的基础上增加数据分析处理功能,进而实现电池的二次参数的复杂计算。

(3)通过图形化编程语言,搭建直观易懂、操作简便的人机交互界面,可以大大减轻测试人员的工作量,避免测试过程中的错误操作,提高测试效率,保证测试安全而顺利地进行。人性化的人机交互界面的设计也使得动力电池数据采集与分析更加方便直观。

参考文献

[1]张亚萍,马明星.虚拟仪器在汽车数据采集系统中的应用[J].成组技术与生产现代化,2009(03):17-20.

[2]黎芳,李迪,邱惠廷,等.基于虚拟仪器和CAN的燃料电池检测系统[J].微计算机信息,2009(16):84-85.

[3]于子敏,唐慧强,甘会川.基于虚拟仪器锂电池保护电路校验系统的实现[J].自动化与仪表,2011(04):46-49.

[4]杨权,周厚强,徐晓东,等.基于Lab Windows/CVI的锂离子电池内阻测试系统设计[J].电源技术,2012(04):483-485.

[5]刘登峰,邵天章,王琳.基于Lab VIEW的蓄电池内阻测试仪的设计[J].测控技术,2011(03):103-105.

[6]熊玉勇,张海鸥,王桂兰.基于虚拟仪器的磁电机定子自动检测系统[J].机电工程,2014,31(3):338-341.

[7]徐晓东,刘洪文,冯高辉.基于Lab Windows/CVI的锂离子电池测试系统设计[J].测控技术,2010(12):39-41.