陈子邮，江鹏，李蒙恩，2

(1.东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005;2.广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州 545006)

0 引言

传统的燃油车汽车会有因启动蓄电池馈电而无法启动的场面，然而本身用电的新能源电动汽车也会存在因低压蓄电池馈电而无法启动的尴尬场面，归其原因是新能源电动汽车的电有高压电和低压电之分，高压电来自高压电池包，低压电来自低压电池组，新能源汽车的低压电池组主要给汽车的低压负载提供电源，高压系统主要用于高压部件的供电[1]。低压电池组的电主要是通过DCDC把高压电池包转化成低压充电，如果低压电池组的低压过低或没电，则DCDC和高压电池包都不工作，因而造成整个车都没电，因此新能源电动汽车就无法启动。其中导致低压电池组馈电的原因有多种：长时间不使用车辆，造成低压电池组由于自放电而得不到补充而馈电；由于车上的用电元件忘记关，而造成快速电流流失，譬如车内灯忘关，汽车大灯或小灯忘关；加载的低压负载较多，如防盗报警系统、监控器、GPS定位、智能网联等，容易导致低压蓄电池停放时间过长得不到补充而馈电，等等。虽然低压电池组馈电是低频事件，但是一旦发生对用户来说，使用体验就不好，特别是本来就是电动车，还会因馈电启动不了。因此解决此问题不但有实际意义，也能更好地提高用户的使用体验。本文作者设计了一种基于高压电池组通过分段管理系统[2-5]，其中硬件系统包括供电模块、主控模块、均衡模块和CAN通信模块。

1 基于高压电池组分段应急供电系统整体设计

基于高压电池组分段应急供电系统主要包括高压电池组、低压电池组、热管理、电池均衡管理控制器、DC/DC、低压蓄电池、低压用电设备、开关S1、S2、S3等。系统硬件结构如图1所示[6]。

图1 基于高压电池组分段应急供电系统硬件结构

控制第一开关和第二开关断开、第三开关闭合，为DC/DC转换器和整车低压用电设备供电，以进行低压上电。在低压上电完成后，控制所述第一开关和所述第二开关闭合、所述第三开关断开，为整车高压负载供电，以进行高压上电；同时，通过所述DC/DC转换器为所述整车低压负载供电。为实现以上功能需要电池管理均衡控制器进行控制和安全保护。系统管理均衡控制器主要由SOC估计、热管理、均衡控制管理、数据通信、故障诊断与报警等几部分组成[7]。

2 基于高压电池组分段应急供电系统管理均衡控制器设计

图2为均衡控制器原理图。

图2 均衡控制器原理

2.1 系统管理均衡控制器供电模块

系统正常工作需要15、5、3.3 V电压，这3种电平是由车载24 V低压电源通过电源模块来提供。其中±15 V主要为系统中传感器、运放器等模拟器件供电，5 V为电路中其他的数字器件和采集板供电;3.3 V为主控制器及其外围电路供电。分别采用LM2596-ADJ、LM2596-5、LM2596-3.3进行降压变换，经隔离器ADUM1100进行供电。

2.2 系统管理均衡控制器的SOC估计

电池的SOC通过计算输入和输出的电流电压之积对时间的积分，再通过电压法进行累计误差的补偿，进而确定各部分的SOC，特别是当第三开关S3闭合以后给低压用电设备供电，造成该部分电池的消耗比整车的高压电池包的其他部分电池消耗多，致使整个电池包的容量不均，从而降低对外的实际输出功率和输出容量以及整车的续航里程，时间久了也降低整个电池包的使用寿命以及电池包的性能，因此必须估计出被用于应急供电部分电池的SOC与整个电池包的SOC的差异，进而通过均衡电路实现电池包各部分的均衡，特别是在充电时进行主动均衡，能保障整个电池包的使用性能，以及保护电池包的使用寿命。SOC估计时需要检测输入和输出的电流电压，所设计的电压电流检测的电路如图3所示[8]。

图3 单体电池电压采集结构

图3是电压检测电路通过控制各个开关来选择相应的要检测的单体电池电压，电池总电压通过和分段电压通过分压电路降压后输入单片机的AD输入口，在输入之前还需要滤波和稳压之后接入AD口，电压的采集采用轮流检测[9]。

图4是电流的采样电路，SOC估计主要是通过采样电流和电压之积对时间的积分，因此SOC估计准确性与其采样的精度，传感器抗干扰能力，零漂、温漂和线性度误差有关，采用霍尔闭环双侧电流传感器ACS756，经过滤波进入放大器LM358放大，通过双极性12位AD转换器AD574进行转换测量。

图4 电流采集电路图

2.3 系统管理均衡控制器均衡控制管理

第三开关S3闭合以后给低压用电设备供电，由于低压电是高压电池组的一部分，因此造成该部分的单体电池的消耗比整个高压电池组的其他部分的单体电池消耗多，使整个高压电池组的容量不均。进而在使用过程中就会使有内部的单体电池出现过充或过放现象，不仅影响电池的寿命，而且过充或过放会使电池产生大量的热影响电池的安全性和稳定性，所以均衡控制管理是必需的。实现电池均衡的均衡电路如图5所示。

图5 均衡电路图

采用双向无损均衡的方式，如图5所示。B1、B2、B3、…、Bn为串联单体电池，R1、R2、R3、R4、…、Rn+1为阻值相等的纯电阻，S1、S2、…、Sn+3为单刀双掷开关，S0为转换开关，C为转移电容，L为缓冲电感，D为二极管，图中所有开关均为可控开关基本原理是将能量从电压高的电池转移到相邻电压较低的电池上，譬如，单刀双掷开关S2、S3、S4拨向左端，S1拨向右端。此时，电池B1与转移电容并联，电池B1给转移电容充电。电池B1的电压下降，转移电容电压上升。当电池B1电压等于转移电容电压时，单刀双掷开关S5、S6拨向左端，S3由左端拨向右端。此时，电池B3与转移电容并联，由于转移电容电压高于电池B3电压，转移电容给电池B3充电。在这过程中，电池B3的电压上升，转移电容电压下降。循环往复这两个过程，即可实现各电池间的平衡。

2.4 系统管理均衡控制器数据通信

文中设计的系统管理均衡控制器在进行监测和控制的同时还要对整车控制单元等其他控制单元提供数据和信息，主要通过CAN通信实现的。通信模块主要是CAN通信模块，通过CAN通信向整车控制器提供故障报警，工作状态，并接收整车控制器的指示。此系统采用的是飞思卡尔的单片机MCU有两路CAN通信，一路CAN通信用于充电和均衡管理，处理之后发出相应指令;一路CAN通信与整车CAN总线相连。驱动芯片选择82C250，如图6所示[10]。

图6 CAN通信接口电路图

3 结束语

文中基于高压电池组分段应急供电系统，主要从硬件方面设计的高压电池组的分段管理和均衡控制。并对分段使用的电池组进行了充放电实验测试，在容量不一致时通过均衡电路和控制对低容量电池组进行均衡充电，使电压高的电池转移电能给电池低的电池，尽量多地充电给电池组。