高可靠智能型两_三轮车换电式动力锂电池管理系统设计_吉祥.pdf

wwwele169com|91电子基础0 引言近年来，随着“互联网+”和共享经济的快速崛起，共享经济的发展如火如荼，共享电动自动车作为其中重要的组成部分对居民的观念和生活产生了深远的影响，高效、节能、绿色、环保的共享出行已演变为居民交通的重要方式之一1。此外，数据显示截至 2021 年底，我国外卖用户规模已达到5.44 亿，约为我国网民数量的一半，并且规模还在持续不断上升，巨大的需求对于外卖配送的效率提出了极高的要求。截至 2020 年我国邮政全行业业务总量为 21053.2 亿元，“十三五”期间的年均增速高达 29.9%2。疫情期间，我国网上实物商品零售仍保持正增长，同时，直播带货等新型销售业态的快速发展，预计在“十四五”期间，我国快递业务量仍将保持 25%35%的增长速度。随着快递、外卖、共享出行等行业的快速发展，电动二/三轮车行业业务发展迅速。2018年12月，GB/T36972-2018 电动自行车用锂离子蓄电池正式发布3，2019 年 4 月，GB 17761-2018 电动自行车安全技术规范（即电动自行车新国标）正式实施，电动自行车锂电池淘汰铅酸电池的进程正式拉开帷幕。换电式电动二/三轮车具备使用成本低、“无限”续航等独特的技术优势，可以满足快递、外卖、共享出行等行业高周转率的要求，因此得到了快速发展，成为上述行业首选的交通工具与运行模式。在电动二/三轮车动力电池换电业务中，电池系统及其管理是其核心动力来源和控制模块4。国内外对于动力锂电池管理系统的研究，多面向单件价值高的道路汽车产品，少有研究系统性的关注小型二/三轮车用换电动力锂电池管理系统应用问题5。为此，本文根据快递、外卖、共享出行等行业的特点，提出并设计了适合电动二/三轮车换电动力锂电池技术需求的电池管理系统方案，为上述行业提供了高可靠、智能化的电池管理系统。1 电池管理系统硬件设计电动二/三轮车换电式动力锂电池管理系统的硬件架构如图 1 所示，主要包括微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）、电源模块、模拟前端（Analog Front End，AFE）、均衡电路、充放电及预充电路、温度及电流检测电路、通讯模块及接口、实时时钟（Real Time Clock，RTC）、高可靠智能型两/三轮车换电式动力锂电池管理系统设计吉祥，许杨，曾国建 （安徽锐能科技有限公司，安徽合肥，230009）基金项目：2021年合肥市关键共性技术研发（2021GJ052），2021年合肥市博士后研究项目（NO.2021291）。摘要：本文分析了电动两/三轮车换电领域电池管理系统的技术需求，基于微控制单元与模拟前端芯片，设计了具备精确的电池状态估计、完善的电池故障诊断与保护、完整的充放电控制、高效的数据通讯与诊断功能的电池管理系统，同时给出了换电式动力锂电池管理系统的硬件架构与软件功能模块技术方案，并针对两/三轮车复杂的运行工况，提出了基于热平衡的可充放电功率估计方法，最后分析了产品在工程化推广应用中存在的问题，提出了建议与意见。关键词：电动两/三轮车；电池管理系统；硬件架构；软件设计B-B+预充电路放电MOS充电MOSMCU电池均衡电路AFE电源模块温度检测电流检测EEPROM通讯模块驱动P+接口P-接口通讯接口RTCDET接口图 1 电动二/三轮车换电式动力锂电池管理系统硬件架构图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.03.00792|电子制作 2023 年 2 月电子基础电池正负极接口、输出正负极接口、DET 接口等，各模块功能说明如下：(1)微控制单元电池管理系统的核心控制模块，用于电池荷电状态（State of Charge,SOC）、能 量 状 态（State of Energy,SOE）、健康状态（State of Health,SOH）的在线估计与校准；接收并完成整车控制器（Vehicle Control Unit,VCU）指令，同时向 VCU 反馈锂电池与 BMS 状态信息；采集动力锂电池各种状态信号，完成电池系统的监测与保护功能。(2)电源模块主要包括 DC-DC 与低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO），用于电池管理系统中微控制单元、模拟前端芯片、通信芯片等供电，通常采用 DC-DC 将电池电压降低12V，用于通信系统供电，再采用LDO转换电压至3.3V用于 MCU 与 EEPROM 等芯片的供电。(3)模拟前端模拟前端芯片可以根据工作模式的不同，处于保护模式或者采集模式。其中保护模式主要是单独使用该芯片，提供电池 PACK 的硬件保护功能，如电池的过充、过放、高温、低温、短路、断线等保护。在本文的电动二/三轮车换电系统中，模拟前端芯片工作在采集模式，采集电芯的电压、温度及电流，配合 MCU 完成电池 PACK 的管理，同时为电池PACK 提供硬件保护功能。(4)均衡电路由于电池组生产过程与使用过程中难以避免的不一致性，通常需要在 BMS 中增加均衡电路消除不一致性引起的负面影响，以实现电池组的主动均衡或被动均衡。综合考虑技术难度、实现成本与均衡性能，电动二/三轮车锂电池管理系统多采用被动均衡方式，即可满足产品的技术需求。(5)充放电及预充电路充放电电路用于电池系统的充电与放电控制，预充电路用于电池 PACK 外部直流电容的预充电。电动二/三轮车BMS 一般采用 MOSFET 作为充放电回路及预充回路的控制元件，并由 AFE 配合相应的 MOSFET 驱动电路，实现电池正端的充放电与预充控制。(6)通讯模块及接口实现与 VCU 之间的通讯，接收 VCU 发送的指令，并将电池系统状态信息发送给 VCU，同时也可以根据车辆运营维护方的需要提供统一的故障诊断服务，实现故障的诊断、复位与历史记录等功能，便于车辆运营维护方的售后维修保养，其中常用的协议有 CAN、RS-485 等。此外，为了实现车联网等方面的功能，通常还需要配合 4G 或 5G 网络通讯。(7)温度及电流检测电路在动力锂电池中，由于多个动力电池串联使用，通常仅需要检测串联后的电池总电流，通过采集电池的充放电电流，来实现电池 SOC、SOE 与 SOH 的在线估计，因而电流检测的精度与采样频率对于电池 SOC 的在线估计与系统安全性至关重要。此外，还需要采用NTC热敏电阻对环境温度、电池箱温度等进行监测，实现对于电池运行过程中出现高低温情况的安全保护，同时，在电池 SOC 估计中也应考虑温度对其影响，提高电池 SOC 的估计精度。(8)实时时钟主要功能是为 BMS 提供精确的时间基准，并根据车辆的技术要求，定时唤醒 BMS 监测电池系统的状态是否存在异常，同时可为历史故障记录功能提供参考时间，便于后期维护与故障分析。(9)输出正负极接口与 DET 接口输出正负极接口是动力锂电池系统的充放电接口，DET接口则用于判断输出正负极接口是否与车辆完好连接。2 电池管理系统软件设计电动二/三轮车换电式动力锂电池管理系统的软件功能模块如图 2 所示，根据车辆的技术需求，将应用层划分为状态机、电池状态估计、控制策略、通讯等功能模块，各功能模块说明如下：控制策略通讯电池状态估计BMS状态机唤醒与休眠流程充电流程放电流程功率表功率转换策略SOC估计均衡策略故障诊断与保护策略SOH估计SOE估计通讯模块诊断模块图 2 电动二/三轮车换电式动力锂电池管理系统的软件功能模块图(1)状态机模块状态机模块是 BMS 协调各种状态与信号，实现系统逻wwwele169com|93电子基础辑控制的核心，BMS 的状态机根据 VCU 发送的指令、系统的状态信息与检测的输入输出信号，按照预先设定的工作状态进行状态转移，完成 BMS 的充电与放电、休眠与唤醒控制流程，实现不同工况下的充放电控制，同时使 BMS 具备低功耗的技术优点。(2)电池状态估计模块电池状态估计模块主要根据采集的充放电电流、电池温度、电池电压等信息，采用安时法并结合在线修正算法，实现精确的电池 SOC、SOH 与 SOE 估计，同时，根据电池的状态信号，完成电池 SOC 等的在线校准，提升电池剩余电量指示的用户体验。(3)控制策略模块控制策略模块涉及电池功率限制、电池均衡、故障诊断与保护功能。其中功率限制主要根据车辆的运行状态、电池的状态信息等，对电池 PACK 的峰值充放电电流、持续充放电电流进行限制，保证电池在不同的工况与电池性能约束条件下，提供相应的输出能力。均衡模块根据电池系统所处运行状态、电池检测电压、电芯压差等信息，实现电芯之间的快速均衡。故障诊断与保护模块根据电池系统的状态信息，完成电池 PACK 与电池单体的过充、过放、高温、低温、短路、断线故障，充放电回路故障，通讯故障，输出端短路故障等的在线诊断，并执行预先设定的保护策略，保证电池系统的安全可靠运行。(4)通讯模块通讯模块主要功能是采用 CAN 或者 RS-485 协议，完成与 VCU、云端服务器之间的交互通讯，同时具备售后人员所需对于电池系统的故障诊断与故障历史记录功能。3 基于热平衡的可充放电功率估计方法两/三轮车换电式动力锂电池的功率状态（State of Power，SOP）指的是电池正常工作情况下，接下来一段时间内的峰值放电或充电功率，其估计精度对于加速或起步工况下最大化输出功率、充电工况下缩短充电时间和制动工况下最大化制动能量回收都具有重要的意义，直接影响车辆的安全可靠运行。但是，对于两/三轮车换电式动力锂电池系统来说，当其工作在大功率放电状态时，由于电池容量低，放电电流大，此时电池端电压剧烈下降，但 SOC 和温度瞬间变化率较小，使得估计的可放电功率还是维持在较高水平，容易导致电池端电压低于过放保护电压，从而触发放电保护，或者估计可放电功率断崖式下降，使得车辆动力性能显著降低，影响客户体验；反之，在电池充电时，由于电池容量低，充电电流大，此时电池端电压剧烈上升，但 SOC 和温度瞬间变化率较小，使得估计的可充电功率还是维持在较高水平，容易导致电池端电压高于过充保护电压，从而触发充电保护，或者估计可充电功率断崖式下降，回馈能量无法完全回收。由于 SOP 与电池的 SOC、温度直接相关，因此通常基于电池当前 SOC 和温度的二维 SOP 表进行可充放电功率的估计，但是，两/三轮车换电式动力锂电池系统可能存在连续峰值功率运行等复杂工况，因此，本文根据动力电池系统的发热与散热物理过程，提出了基于热平衡的可充放电功率估计方法，以保证系统的安全可靠运行。定义锂离子动力电池系统的热预算初值为()_initialbudgetpeaklimitcontinuouslimitpredictionwindowHIIT=(1)其中 Hinitial_budget是动力电池系统的初始热预算；Ipeak_limit和 Icontinuous_limt分别是根据 SOC 与温度查找 SOP 表所获得的峰值限制电流与连续限制电流；Tprediction_window是热预算预测时间窗口。如果动力电池系统的工作电流超过连续限制电流Icontinuous_limt，则说明动力电池系统运行会额外产生更多的热量，此时需要通过降低动力电池系统的热预算降低系统的限制电流。()_budgetprebudgetoperationcontinuouslimitsamplingtimeHHIIT=(2)其中，Hbudget是系统的实时热预算；Hpre_budget是系统上一采样周期的实时热预算，其初始值为 Hinitial_budget；Tsampling_time是系统的采样时间。反之，若动力电池系统的工作电流低于连续限制电流Icontinuous_limt，则系统的热预算应逐渐恢复，增加系统的限制电流。()_budgetprebudgetoperationcontinuouslimitsamplingtimeHHIIT=+(3)由于实时热预算与动力电池系统的 SOP 直接相关，因此，需要将其限制在零与热预算初值之间。_00initialbudge