劉 嘉，黃 璟

（太原工業(yè)學院，太原 030008）

軍用車輛采用鋰電池驅動時電源管理控制系統(tǒng)的設計

劉 嘉，黃 璟

（太原工業(yè)學院，太原 030008）

軍用車輛采用鋰電池組作為動力源可有效解決排放問題，具有高機動性、隱蔽性、穩(wěn)定性的特性，并能為未來的軍用電磁火力平臺配置創(chuàng)造條件。其中的電源管理系統(tǒng)關系到軍用車輛的電源實施監(jiān)測控制運行，系統(tǒng)工作效果決定了軍用車輛使用的可靠性。通過對軍用車輛動力鋰電池組電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計，可使鋰電池組電源管理控制系統(tǒng)的設計效率得到全面提升。在進行電源管理系統(tǒng)的初步設計過程中，通常需要采用多種不同的方式對其動力體系進行初步的評估。主要針對軍用車輛動力鋰電池組電源管理系統(tǒng)進行設計分析，并提出了相應的優(yōu)化措施。

軍用車輛，動力鋰電池組，控制系統(tǒng)設計

0 引言

隨著能源危機、環(huán)境污染的加劇以及科學技術的不斷發(fā)展，新能源動力技術在汽車上的優(yōu)勢越來越明顯。目前電力驅動技術發(fā)展比較成熟，在汽車行業(yè)已被廣泛推廣及應用。對于軍用車輛來說，新能源動力技術配備了大容量的動力電池組作為動力源，解決了車輛的排放問題，使得車輛具備了較高的機動性、隱蔽性及穩(wěn)定性，同時充沛的電力為未來軍用電磁火力平臺創(chuàng)造了條件，恰好滿足其特殊用途，相對于傳統(tǒng)軍車來說具有不可比擬的優(yōu)勢。在進行軍用車輛動力鋰電池組電源管理控制系統(tǒng)的設計過程中，需要結合軍用車輛的特性對其電力體系進行綜合性的評估。但在全面設計的過程中，依舊會面臨諸多的困難。首先在鋰電池組方面，電源管理系統(tǒng)還存在很多的缺陷，在自動化控制系統(tǒng)方面其控制精準度還不夠高。所以，為了能夠讓電源管理系統(tǒng)的效率得到相應的提升，需要采用多種不同的方式將電源管理系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而讓管理系統(tǒng)得到全面的提升。

1 軍用車輛動力鋰電池組電源概述

1.1 分布式BMS系統(tǒng)

BMS系統(tǒng)在鋰電池電子系統(tǒng)中的應用相當廣泛。在板塊處理上，需要對數據進行科學合理的處理。在設置檢測方面，需要對不同的單元格進行體系結構的相應控制。通常情況下，單體電池的信息需要采用不同的方式對結構體進行信息的精確處理。同時還要采集不同的信息讓單元格得到良好的控制，最終避免信息量的浪費。在單體信息精度的測量方面，需要對系統(tǒng)分布量進行綜合的體系控制，從而讓BMS得到綜合性的控制［1］。

1.2 集中式BMS系統(tǒng)的應用

集中式BMS的應用相對較為廣泛。首先在軍用車輛的電力體系方面，其電源控制系統(tǒng)能夠從多方面進行集中式的數據管控。對于電流狀態(tài)的指示，可以采用不同的體系結構讓電流的整體情況得到相應的平衡。在降低電阻率的同時，還能讓系統(tǒng)的集中管控能力得到持續(xù)的增強。尤其是對于大電量的鋰電子電池，其整體的操作負荷相對較大，操作壓力也較強［2］。

2 電源管理控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)的總體設計

2.1.1 系統(tǒng)的硬件設計

在對軍用車輛的電源管理系統(tǒng)硬件進行設計時，要充分考慮系統(tǒng)內部的結構是否具有合理性和可擴展性，只有系統(tǒng)結構合理，才能保障系統(tǒng)的功能完整。電源管理控制系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示［3］。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

需要注意的是，在軍用車輛的電源管理控制系統(tǒng)中，提供電量的供電源是車載型的12 V鉛酸電池，鉛酸電池具有的電壓只有在利用轉換芯片的前提下才能與工作電壓相匹配，為此在設計時主要利用A/D轉換芯片對電路進行處理。通常情況下，能夠將12 V轉換為6 V，確保在可接受范圍內。

電流檢測是軍用車輛電源管理系統(tǒng)功能中十分重要的一部分，能夠對電池組的工作運行狀態(tài)進行十分有效的評估，為此保障電流組的檢測結果準確是電源管理系統(tǒng)的關鍵，本設計采用電磁感應法對其進行設計。

2.1.2 系統(tǒng)的軟件設計

在電源管理系統(tǒng)設計過程中，軟件系統(tǒng)具有十分重要的作用，其功能框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能框圖

為了確保電流檢測中通訊速率保持在10 Mbit/s以上，就必須對電流檢測軟件的設計仔細斟酌。一般情況下，當電流軟件的數據讀取通訊流程為開始時，SPI接口會進行初始化，繼而與Max1033配置相連接，而對于Max1033配置能否進行檢測，開始或中斷都由硬件timer中斷決定，打開中斷后，SPI可以向其進行讀取數據請求，如果數據準備無誤，可以進行讀取，如果數據未準備好，則timer中斷將取消數據讀取請求［4］。

電源管理控制系統(tǒng)的設計與實現涉及到了諸多方面，其設計與實現的主要理念在于保障電池組運行的正常高效，保障電池組的使用壽命及使用安全。在進行設計時要充分考慮到外在電磁、環(huán)境因素的干擾，只有這樣，才能確保系統(tǒng)管理的有效性、精準性。

2.2 中心系統(tǒng)的設計

軍用車輛在進行整體設計的過程中，首先需要對BMS系統(tǒng)進行相應的檢測以及數據的全面控制。一般情況下，在中心系統(tǒng)中其鋰電子電池內部具有很多的離子物質。所以需要采用集中式BMS系統(tǒng)對其離子負荷的變化情況進行相應的檢測，從而排除安全隱患。在中心系統(tǒng)的設計過程中，同樣需要注意一些基礎的問題。首先，在集中式、分布式的系統(tǒng)組合時，需要對鋰電子電池進行綜合性的協(xié)調，并將一定數量的電池包進行不同的組合，讓鋰電子電池包的單元格控制更為合理。其綜合設計圖如圖3所示：

圖3 電池包綜合設計圖

從圖3中清晰地看到CMU系統(tǒng)在板塊結構方面實現了系統(tǒng)的顯示、報警以及整車單元格的控制。在CAN總線的控制上，采用3個不同的端口進行接入，逐步實現電路的均衡、數據的采集，然后由3個方面進行數據的輸出，最終讓中心系統(tǒng)的功能得到全面的實現。

2.3 數據單元設計

在進行數據單元設計的過程中，通常要對不同的數據進行相應的處理。尤其是對于單元格的數據，需要采用多種不同的方式對其數據體系進行相應的監(jiān)控。一般情況下，在BMS系統(tǒng)中，單元數據還存在較大的變動性。所以在進行數據的傳輸過程中，需要結合動力系統(tǒng)將isoSPI接口數據進行相應的優(yōu)化。與此同時，還需要采用多種不同的方式將信息進行整合［5］，為避免其電子系統(tǒng)出現干擾情況，在單元格的設計上，通常需要對系統(tǒng)的結構體系進行全面優(yōu)化。

2.4 CAN總線系統(tǒng)的優(yōu)化設計

在進行總線系統(tǒng)的設計過程中，需要以信息網絡為基礎，采用多種方式讓各種數據得到同步傳遞。在連接層方面，需要對網絡傳播指令進行綜合數據控制，實現系統(tǒng)數據的單線傳輸以及線路的無線傳輸。對于不同的SPI接口，需要采用變壓裝置，讓脈沖信號實現同步傳遞，使抗干擾能力得到持續(xù)性的增強。由于軟件板塊的不同，各種功能也會出現相應的變化，從而使鋰電池的管理效率得到全面的增強。

3 電源管理系統(tǒng)的預測分析

3.1 動力鋰電池管理控制系統(tǒng)的分布

對于軍用車輛來說，最重要的就是蓄電池，如果沒有蓄電池，軍用車輛也無法啟動，而且安裝的蓄電池在軍用車輛啟動時都應該充分被利用，因此，蓄電池的運行管理就顯得非常重要。蓄電池管理有以下4個方面：①在運行時，要保障每節(jié)電池容量的均勻性。②電池出現問題要及時發(fā)現、匯報。③電池在充電或者放電時注意不要過量。④通過各種方法來獲取精準的電池荷電狀態(tài)（soc）。

soc值的大小，能明顯反應出電池在軍用車輛運行時處于什么狀態(tài)，所以soc的精準值是最基本的要求。在實際運行中，可以預先測出車輛需要行駛的路程，然后再限定出一個最大值。因為每個電池的性能不一樣，所以在受到限定最大值電流通過時，產生的效果也就不一樣。根據不同的性能差異，進行均衡充電，始終保持電池內部性能沒有被破壞，這樣就可以延長電池的壽命。在系統(tǒng)管理的層次結構上，需要采用多種不同的方式讓管理系統(tǒng)得到相應的優(yōu)化，同時還要與BMS系統(tǒng)進行有機結合，以便提升鋰電池管理效率。

3.2 動力鋰電池管理控制系統(tǒng)的運行

在進行動力鋰電池的管理過程中，要對運行體系結構進行全面的設計。一般情況下，需要采用軟件與硬件相結合的方式，讓系統(tǒng)管理結構得到相應的優(yōu)化。在軟件體系端方面，采用C語言編程讓程序得到良好的控制，同時還要采用中心控制方法對信號進行綜合采集，最終增強BMS系統(tǒng)的時效性。在硬件處理方面，要結合鋰電子物質對其進行均勻分布。對于充電、放電的穩(wěn)定性都要進行綜合性的評估，最終達到理想的運行管理效果。

4 電源管理系統(tǒng)的測試

4.1 測試方案的確定

在實際操作中，很多專業(yè)人士通過不同的實驗，再根據自身經驗得出的soc值都是比較準確的。不管在哪一個實驗環(huán)節(jié)，即使最重要的放電試驗后期，對于電池何時終結放電的預判能力都非常準。根據以往的試驗可以得到一條試驗曲線，對這條曲線進行邏輯思維思考，就可以實現對soc值的預測。

4.2 測試系統(tǒng)的設計

4.2.1 輸入輸出語言變量隸屬函數的確定

首先要確定端口電壓的修正值U50的子函數。在進行變量函數確定之前，應對其變量曲線進行分析，如圖4所示。

圖4 端口電壓變量曲線圖

從圖4的曲線分布圖可以看出，它的子函數范圍在｛9.6.13｝之間，然后再將U50分為不同的7個子集｛VH.VVH.M.S.H.VVS.VS｝，它們表示的意義就是特別高到特別低的所有數值。而這些子集和隸屬函數對以后推算出soc的值有很大的影響。在確定隸屬函數時，因為soc在不同時段感受到的電壓不同，所以它的變化會有許多種，而導致所選用的函數兩頭數值也會不一樣。根據不同電壓變化得到不同的放電曲線，這樣就可以得到子集的隸屬函數。

4.2.2 測試規(guī)則的設計

在進行規(guī)則的設計中，必須擁有長時間的經驗累計數據庫、事實集和經驗公式。在相同溫度下，利用恒流放電的方法試驗，可以得到內阻的經驗公式，而獲得這種公式的目的是為了修正端口電壓所做的準備。換一種情況看，當電流測試相同時，不同的溫度會對放電曲線產生不同的影響。如將溫度值設定為warm，就是根據相同的溫度在放電曲線上的取出規(guī)則。這些規(guī)則也不是一成不變的，需要根據實際情況在操作時進行反復修改［6］。

4.2.3 終端電阻要求

很多總主干線，在CAN_H和CAN_L之間只有一個終端電阻。這樣才能作為主干的終止。很多終端建立在這兩者之間。所以，要把其中一個作為終端的電阻，如表1所示。

表1 終端電阻數據要求

從表1中可以清楚地看到終端電阻的數據要求，在自感系數的設計方面通常為固定值1。在電阻值的設定方面，會根據電力系統(tǒng)的動力輸出而作出相應的改變。

5 結論

軍用車輛動力鋰電池組電源管理控制系統(tǒng)的設計分析十分關鍵。本文討論了電源管理控制系統(tǒng)整體設計過程中的系統(tǒng)優(yōu)化及中心單元格體系的設計，最后探討了控制系統(tǒng)中測試系統(tǒng)設計方案。通過相關設計與分析得到以下結論：①進行中心系統(tǒng)設計時，采用集中式BMS系統(tǒng)對其離子負荷的變化情況進行相應的檢測，調整中心單元格體系，可以排除鋰電池內部充放電的安全隱患，提高軍用車輛工作的安全性。②利用系統(tǒng)的軟硬件，獲取并預測電池荷電狀態(tài)，根據不同的性能差異，進行均衡充電，可保持電池內部性能不被破壞，達到延長電池壽命的效果，減輕后勤維護保養(yǎng)的壓力，充分提升軍用車輛工作性能的可靠性。

［1］黃章華，陸華忠，呂恩利，等.基于ARM和CAN的電動汽車電池管理系統(tǒng) ［J］.華南農業(yè)大學學報，2009，8（4）：105-109.

［2］王濤，齊鉑金，吳紅杰，等.基于DSP和OZ890的電池管理系統(tǒng)設計［J］.電池工業(yè)，2009，14（1）41-43.

［3］王琦.電動汽車電源管理系統(tǒng)設計與實現［D］.大連：大連理工大學，2011.

［4］張勝軍.電動車電池管理系統(tǒng)的設計與實現［D］.北京：北京工業(yè)大學，2015.

［5］黎林，姜久春.電動汽車電池組絕緣檢測方法的研究［J］.電子測量技術，2009，33（2）：76-78.

［6］鄭敏信，齊鉑金，吳紅杰.基于雙CAN總線的電動汽車電池管理系統(tǒng)［J］.汽車工程，2008，30（9）：788-791，795.

Design of Power Control System when Military Vehicle Used Lithium Battery

LIU Jia，HUANG Jing
（Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030008，China）

Military vehicle using lithium battery as power source can effectively solve the emission problem，has high mobility，invisibility，stability characteristics，and can create the conditions for future military electromagnetic fire platform configuration.The power management system is related to the military vehicle power supply monitoring and control operation，the effectiveness of the system determines the reliability of military vehicles.through the optimization design of military vehicle power lithium-ion battery power system，the design efficiency of lithium-ion battery power management control system is fully improved.In the preliminary design of power management system，it usually needs to use a variety of different ways to make a preliminary evaluation of its dynamic system.In this paper，the design and analysis of military vehicle power lithium-ion battery power management system are focused，and the corresponding optimization measures are proposed.

military vehicle，power lithium battery，control system design

TJ818；TM911

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.037

2016-05-15

：2016-08-19

劉 嘉（1982- ），男，山西祁縣人，碩士，講師。研究方向：機械創(chuàng)新設計與控制。

1002-0640（2017）06-0163-04