军用车辆采用锂电池驱动时电源管理控制系统的设计

刘 嘉，黄 璟

（太原工业学院，太原 030008）

军用车辆采用锂电池驱动时电源管理控制系统的设计

刘 嘉，黄 璟

（太原工业学院，太原 030008）

军用车辆采用锂电池组作为动力源可有效解决排放问题，具有高机动性、隐蔽性、稳定性的特性，并能为未来的军用电磁火力平台配置创造条件。其中的电源管理系统关系到军用车辆的电源实施监测控制运行，系统工作效果决定了军用车辆使用的可靠性。通过对军用车辆动力锂电池组电源系统的优化设计，可使锂电池组电源管理控制系统的设计效率得到全面提升。在进行电源管理系统的初步设计过程中，通常需要采用多种不同的方式对其动力体系进行初步的评估。主要针对军用车辆动力锂电池组电源管理系统进行设计分析，并提出了相应的优化措施。

军用车辆，动力锂电池组，控制系统设计

0 引言

随着能源危机、环境污染的加剧以及科学技术的不断发展，新能源动力技术在汽车上的优势越来越明显。目前电力驱动技术发展比较成熟，在汽车行业已被广泛推广及应用。对于军用车辆来说，新能源动力技术配备了大容量的动力电池组作为动力源，解决了车辆的排放问题，使得车辆具备了较高的机动性、隐蔽性及稳定性，同时充沛的电力为未来军用电磁火力平台创造了条件，恰好满足其特殊用途，相对于传统军车来说具有不可比拟的优势。在进行军用车辆动力锂电池组电源管理控制系统的设计过程中，需要结合军用车辆的特性对其电力体系进行综合性的评估。但在全面设计的过程中，依旧会面临诸多的困难。首先在锂电池组方面，电源管理系统还存在很多的缺陷，在自动化控制系统方面其控制精准度还不够高。所以，为了能够让电源管理系统的效率得到相应的提升，需要采用多种不同的方式将电源管理系统进行优化，从而让管理系统得到全面的提升。

1 军用车辆动力锂电池组电源概述

1.1 分布式BMS系统

BMS系统在锂电池电子系统中的应用相当广泛。在板块处理上，需要对数据进行科学合理的处理。在设置检测方面，需要对不同的单元格进行体系结构的相应控制。通常情况下，单体电池的信息需要采用不同的方式对结构体进行信息的精确处理。同时还要采集不同的信息让单元格得到良好的控制，最终避免信息量的浪费。在单体信息精度的测量方面，需要对系统分布量进行综合的体系控制，从而让BMS得到综合性的控制［1］。

1.2 集中式BMS系统的应用

集中式BMS的应用相对较为广泛。首先在军用车辆的电力体系方面，其电源控制系统能够从多方面进行集中式的数据管控。对于电流状态的指示，可以采用不同的体系结构让电流的整体情况得到相应的平衡。在降低电阻率的同时，还能让系统的集中管控能力得到持续的增强。尤其是对于大电量的锂电子电池，其整体的操作负荷相对较大，操作压力也较强［2］。

2 电源管理控制系统设计

2.1 系统的总体设计

2.1.1 系统的硬件设计

在对军用车辆的电源管理系统硬件进行设计时，要充分考虑系统内部的结构是否具有合理性和可扩展性，只有系统结构合理，才能保障系统的功能完整。电源管理控制系统的硬件结构如图1所示［3］。

图1 系统硬件结构图

需要注意的是，在军用车辆的电源管理控制系统中，提供电量的供电源是车载型的12 V铅酸电池，铅酸电池具有的电压只有在利用转换芯片的前提下才能与工作电压相匹配，为此在设计时主要利用A/D转换芯片对电路进行处理。通常情况下，能够将12 V转换为6 V，确保在可接受范围内。

电流检测是军用车辆电源管理系统功能中十分重要的一部分，能够对电池组的工作运行状态进行十分有效的评估，为此保障电流组的检测结果准确是电源管理系统的关键，本设计采用电磁感应法对其进行设计。

2.1.2 系统的软件设计

在电源管理系统设计过程中，软件系统具有十分重要的作用，其功能框架如图2所示。

图2 系统软件功能框图

为了确保电流检测中通讯速率保持在10 Mbit/s以上，就必须对电流检测软件的设计仔细斟酌。一般情况下，当电流软件的数据读取通讯流程为开始时，SPI接口会进行初始化，继而与Max1033配置相连接，而对于Max1033配置能否进行检测，开始或中断都由硬件timer中断决定，打开中断后，SPI可以向其进行读取数据请求，如果数据准备无误，可以进行读取，如果数据未准备好，则timer中断将取消数据读取请求［4］。

电源管理控制系统的设计与实现涉及到了诸多方面，其设计与实现的主要理念在于保障电池组运行的正常高效，保障电池组的使用寿命及使用安全。在进行设计时要充分考虑到外在电磁、环境因素的干扰，只有这样，才能确保系统管理的有效性、精准性。

2.2 中心系统的设计

军用车辆在进行整体设计的过程中，首先需要对BMS系统进行相应的检测以及数据的全面控制。一般情况下，在中心系统中其锂电子电池内部具有很多的离子物质。所以需要采用集中式BMS系统对其离子负荷的变化情况进行相应的检测，从而排除安全隐患。在中心系统的设计过程中，同样需要注意一些基础的问题。首先，在集中式、分布式的系统组合时，需要对锂电子电池进行综合性的协调，并将一定数量的电池包进行不同的组合，让锂电子电池包的单元格控制更为合理。其综合设计图如图3所示：

图3 电池包综合设计图

从图3中清晰地看到CMU系统在板块结构方面实现了系统的显示、报警以及整车单元格的控制。在CAN总线的控制上，采用3个不同的端口进行接入，逐步实现电路的均衡、数据的采集，然后由3个方面进行数据的输出，最终让中心系统的功能得到全面的实现。

2.3 数据单元设计

在进行数据单元设计的过程中，通常要对不同的数据进行相应的处理。尤其是对于单元格的数据，需要采用多种不同的方式对其数据体系进行相应的监控。一般情况下，在BMS系统中，单元数据还存在较大的变动性。所以在进行数据的传输过程中，需要结合动力系统将isoSPI接口数据进行相应的优化。与此同时，还需要采用多种不同的方式将信息进行整合［5］，为避免其电子系统出现干扰情况，在单元格的设计上，通常需要对系统的结构体系进行全面优化。

2.4 CAN总线系统的优化设计

在进行总线系统的设计过程中，需要以信息网络为基础，采用多种方式让各种数据得到同步传递。在连接层方面，需要对网络传播指令进行综合数据控制，实现系统数据的单线传输以及线路的无线传输。对于不同的SPI接口，需要采用变压装置，让脉冲信号实现同步传递，使抗干扰能力得到持续性的增强。由于软件板块的不同，各种功能也会出现相应的变化，从而使锂电池的管理效率得到全面的增强。

3 电源管理系统的预测分析

3.1 动力锂电池管理控制系统的分布

对于军用车辆来说，最重要的就是蓄电池，如果没有蓄电池，军用车辆也无法启动，而且安装的蓄电池在军用车辆启动时都应该充分被利用，因此，蓄电池的运行管理就显得非常重要。蓄电池管理有以下4个方面：①在运行时，要保障每节电池容量的均匀性。②电池出现问题要及时发现、汇报。③电池在充电或者放电时注意不要过量。④通过各种方法来获取精准的电池荷电状态（soc）。

soc值的大小，能明显反应出电池在军用车辆运行时处于什么状态，所以soc的精准值是最基本的要求。在实际运行中，可以预先测出车辆需要行驶的路程，然后再限定出一个最大值。因为每个电池的性能不一样，所以在受到限定最大值电流通过时，产生的效果也就不一样。根据不同的性能差异，进行均衡充电，始终保持电池内部性能没有被破坏，这样就可以延长电池的寿命。在系统管理的层次结构上，需要采用多种不同的方式让管理系统得到相应的优化，同时还要与BMS系统进行有机结合，以便提升锂电池管理效率。

3.2 动力锂电池管理控制系统的运行

在进行动力锂电池的管理过程中，要对运行体系结构进行全面的设计。一般情况下，需要采用软件与硬件相结合的方式，让系统管理结构得到相应的优化。在软件体系端方面，采用C语言编程让程序得到良好的控制，同时还要采用中心控制方法对信号进行综合采集，最终增强BMS系统的时效性。在硬件处理方面，要结合锂电子物质对其进行均匀分布。对于充电、放电的稳定性都要进行综合性的评估，最终达到理想的运行管理效果。

4 电源管理系统的测试

4.1 测试方案的确定

在实际操作中，很多专业人士通过不同的实验，再根据自身经验得出的soc值都是比较准确的。不管在哪一个实验环节，即使最重要的放电试验后期，对于电池何时终结放电的预判能力都非常准。根据以往的试验可以得到一条试验曲线，对这条曲线进行逻辑思维思考，就可以实现对soc值的预测。

4.2 测试系统的设计

4.2.1 输入输出语言变量隶属函数的确定

首先要确定端口电压的修正值U50的子函数。在进行变量函数确定之前，应对其变量曲线进行分析，如图4所示。

图4 端口电压变量曲线图

从图4的曲线分布图可以看出，它的子函数范围在｛9.6.13｝之间，然后再将U50分为不同的7个子集｛VH.VVH.M.S.H.VVS.VS｝，它们表示的意义就是特别高到特别低的所有数值。而这些子集和隶属函数对以后推算出soc的值有很大的影响。在确定隶属函数时，因为soc在不同时段感受到的电压不同，所以它的变化会有许多种，而导致所选用的函数两头数值也会不一样。根据不同电压变化得到不同的放电曲线，这样就可以得到子集的隶属函数。

4.2.2 测试规则的设计

在进行规则的设计中，必须拥有长时间的经验累计数据库、事实集和经验公式。在相同温度下，利用恒流放电的方法试验，可以得到内阻的经验公式，而获得这种公式的目的是为了修正端口电压所做的准备。换一种情况看，当电流测试相同时，不同的温度会对放电曲线产生不同的影响。如将温度值设定为warm，就是根据相同的温度在放电曲线上的取出规则。这些规则也不是一成不变的，需要根据实际情况在操作时进行反复修改［6］。

4.2.3 终端电阻要求

很多总主干线，在CAN_H和CAN_L之间只有一个终端电阻。这样才能作为主干的终止。很多终端建立在这两者之间。所以，要把其中一个作为终端的电阻，如表1所示。

表1 终端电阻数据要求

从表1中可以清楚地看到终端电阻的数据要求，在自感系数的设计方面通常为固定值1。在电阻值的设定方面，会根据电力系统的动力输出而作出相应的改变。

5 结论

军用车辆动力锂电池组电源管理控制系统的设计分析十分关键。本文讨论了电源管理控制系统整体设计过程中的系统优化及中心单元格体系的设计，最后探讨了控制系统中测试系统设计方案。通过相关设计与分析得到以下结论：①进行中心系统设计时，采用集中式BMS系统对其离子负荷的变化情况进行相应的检测，调整中心单元格体系，可以排除锂电池内部充放电的安全隐患，提高军用车辆工作的安全性。②利用系统的软硬件，获取并预测电池荷电状态，根据不同的性能差异，进行均衡充电，可保持电池内部性能不被破坏，达到延长电池寿命的效果，减轻后勤维护保养的压力，充分提升军用车辆工作性能的可靠性。

［1］黄章华，陆华忠，吕恩利，等.基于ARM和CAN的电动汽车电池管理系统 ［J］.华南农业大学学报，2009，8（4）：105-109.

［2］王涛，齐铂金，吴红杰，等.基于DSP和OZ890的电池管理系统设计［J］.电池工业，2009，14（1）41-43.

［3］王琦.电动汽车电源管理系统设计与实现［D］.大连：大连理工大学，2011.

［4］张胜军.电动车电池管理系统的设计与实现［D］.北京：北京工业大学，2015.

［5］黎林，姜久春.电动汽车电池组绝缘检测方法的研究［J］.电子测量技术，2009，33（2）：76-78.

［6］郑敏信，齐铂金，吴红杰.基于双CAN总线的电动汽车电池管理系统［J］.汽车工程，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

刘 嘉（1982- ），男，山西祁县人，硕士，讲师。研究方向：机械创新设计与控制。

1002-0640（2017）06-0163-04