第51卷第6期doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2013．06．013
基于PIC 单片机的FSE 电动方程式赛车
邓仲卿，阳林，吴发亮，周永光
（510006广东省广州市广东工业大学机电工程学院）
［摘要］电池管理系统在FSE 电动方程式赛车中意义重大，决定电池能量输出和赛车性能。根据FSAE 比赛规则对赛车电池组的要求，设计一种电池管理系统。该系统采用PIC18F6628为主控芯片，霍尔电流传感器LHB100A 用于电流测量，TC1047A 用于温度测量，采用特定的控制策略，实现电池管理系统的功能。经测试表明，该电池管理系统有一定精度，可以满足赛车要求，为今后FSE 赛车电池管理系统的设计提供一定的理论依据。［关键词］FSE ；电池管理系统；PIC18F6628［中图分类号］U469．696 ［文献标志码］A
［文章编号］1673-3142(2013)06-0043-04
Design of Battery Management System for FSE Based on PIC18F6628
Deng Zhongqing ，Yang Lin ，Wu Faliang ，Zhou Yongguang
（Faculty of Electromechanical Engineering ，Guangdong University of Technology ，Guangzhou City ，Guangdong Province 510006，China ）［Abstract ］Battery management system
（BMS ）
plays a vital role in a Formula Student Electric
（FSE ）car since the energy
output of the battery and the performance of the race car are determined by BMS．According to the battery requirements in FSE competition rules ，a battery management system is to be designed．PIC18F6628was selected as the main control chip ，Holzer current sensor LHB100A for current measurement and TC1047A for temperature measurement ，specific control strategy was adopted to realize its function．The test result proves the BMS is accurate to some extent and it could meet the requirements of the car and provide certain theory in designing FSE BMS in the coming days．
［Key words ］FSE ；battery management system ；PIC18F6628
0引言
FSAE 方程式（Formula SAE ）系列赛源于1978年，中国大学生方程式比赛（燃油车）于2010
年首次在上海举办。近年来，德国、日本等国举办
FSE （Formula Student Electric ）大学生方程式汽车
比赛（电动车），中国大学生汽车方程式组委会将于2013赛季推出FSAE 电车赛［1］。
电动方程式赛车的动力电池作为能量源，决定着电动汽车的续航里程，而电池管理系统是电池组的核
心，其性能决定着电池组的综合性能，极大程度影响赛车性能的发挥以及比赛成绩的结果。本文结合中国大学生方程式比赛要求，设计一种FSEC 电动方程式赛车电池管理系统，实现对电池组及单体电池的管理。
1电池管理系统组成与功能
电池管理系统的性能提升是电动汽车发展亟待突破的瓶颈，也是核心的关键问题之一［2］。
电池管理系统（BMS ）主要由CECU 、数据采集模块、均衡管理模块、热管理模块以及电源控制系统等组成，系统框图如图1所示。
电池组电流采集数据，并将数据通过LCD 显示出
农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING
第51卷第6期
Vol．51No．6
2013年6月
June 2013
收稿日期：2013－03－18
修回日期：2013－03－27
图1电池组内部结构框图
Fig．1Diagram of Internal structure of battery
农业装备与车辆工程2013年
来，根据特定SOC 算法对电池组进行均衡管理，同时通过检测到的数据通过控制风扇启停对电池组进行热管理，控制报警器和接触器对电池组进行安全管理。
具体来说，电池管理系统的功能包括：（1）监测：监测电池的端电压、电流、温度等参数；（2）保护：短路保护、反接保护、过载保护、温度保护等；（3）计量：对电池在使用中的剩余电量进行动态报告，并通过剩余电量数据和理论值判断电池的寿命；（4）控制：通过接口与通讯协议将电池的状态与外界连接，实现自控功能。
1．1硬件设计1．1．1芯片选择
电动方程式赛车电池管理系统要实现对锂电池的单体电压、总电压、电流以及温度进行实时测量，需要用到单片机的A ／D 转换模块、数据存储模块。综合这些需求，本文选择microchip 公司研发生产的PIC18F6628单片机作为电池管理系统的主控芯片。
PIC18F6628是带12位A ／D 并采用纳瓦技术的64引脚增强型1MB 闪存单片机，最多有16通道12位模／数转换器模块，该模块具有自动采集功能，休眠模式下亦可转换。2个主同步串行端口模块，2．5～
5V 的宽工作电压范围，内含2个8位定时器和3个16位定时器。图2为电池管理系统实物图。
1．1．2数据采集
1）电压采集
单体电池电压是电池工作状况的重要参数，电压采集精度决定了电池组SOC 状态估计精度［3］。
系统软件均采用模块化。本系统采用光耦隔离的方法，光耦隔离采用日本东芝公司生产的
TL082。单体电池电压经过调整电路后期输出调整
到处理器A ／D 转换的测量范围（0～3．3V ），单体电池电压检测电路如图3所示。
2）电流采集
电流的采样是估计电池剩余容量（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。因为电动方程式赛车上运行时电机电流正负数值从几安到数百安培，且变化率较大，因此必须选用响应速度快、具有优良线性度的高精度霍尔传感作为电流采集单元。在实际中采用霍尔电流传感器
LHB100A ，该电流传感器是基于霍尔原理的闭环
（补偿）电流传感器，具有出的精度、良好的线性度和最佳的响应时间，同时也具有很好的抗干扰能力。
（3）温度采集
检测电池组中单体电池在工作过程中30％单体电池温度，防止单体电池环境温度过高或过低，从而影响锂电池的寿命与性能发挥。温度检测模块采用TC1047A 对温度进行检测，该传感器为线
性的电压输出温度传感器，电压大小与测得的温度成比例关系，可以测量－40～125℃的温度范围，工作电压是2．5～5．5V 。TC1047A 输出信号经电容
C1滤波后输入到单片机进行A ／D 转换，其中R 取
值为10k Ω，图4为温度采集电路图。
图2电池管理系统内部图
Fig．2Diagram of battery management system
电流传感器
接触器
12V 电源
CECU BMS
图4温度采集电路图
Fig．4Diagram of temperature acquisition circuit
图3电池电压检测电路图
Fig．3Diagram of battery voltage detection
锂电保护芯片
circuit
44
第51卷第6期1．3热管理系统
热管理系统包括CECU 、风扇、温度传感器以及相关线束。根据大赛要求，电池管理系统需对
30％以上的电池进行温度检测，被监测电池均匀分布在电池箱体内。该电池管理系统对每3个单
体电池布置一个温度传感器，传感器布置于两单体电池中间位置，图5为电池热管理系统结构。
2软件设计
2．1电池管理系统主程序
系统软件采用模块化程序设计，程序用C 语
言编写［4］，电池管理系统主程序流程框图如图6所示，初始化程序后，采集电压、电流以及温度等参数，估测初始SOC ，同时通过LCD 显示，并将采集到的初始数据存储通过特定的控制策略进行失效诊断，一切正常则允许电池组能量输出，否则限制电池组能量输出，重新采集数据并报警。
2．2控制策略
电池管理系统的控制策略［5］
如图7所示。首先进行初始SOC 估计，根据采集到的电压、电流、温度以及运行时间来估计初始SOC ，通过判断电
池环境温度、电池组绝缘性，结合比赛模式和初始
SOC 状态对电池组进行失效诊断，当SOC 限制条
件、温度限制条件以及失效诊断都满足后，则允许电池组能量输出，否则限制电池组能量输出。
3实车试验
系统设计制造完成后，经过实际装车试验，将
电池组安装在某电动方程式赛车上，图8为该试验用电动方程式赛车图。
使用3．2V ／10Ah 的磷酸铁锂电池，汽车以匀速行驶工况，在停车1min ，待电压稳定后，采集到其中部分电池单元电压数据，图9为不同SOC 状态电池单元电压曲线。
图7电池管理系统控制策略
Fig．7Battery management system control strategy
电池组
接线盒
控制器
车轮
差速器
图8试验用方程式赛车
Fig．8FSE electric car for test
图5电池热管理系统结构
Fig．5Battery thermal management system structure
风扇外部空气温度传感器
电池箱顶盖
电池组
电池箱底板
内部空气
图9不同SOC 状态电池单元电压曲线
Fig．9Battery cell voltage curve of different SOC
SOC＝0．9SOC＝0．7SOC＝0．5SOC＝0．3
012345678910
电池单元编号
3．43．33．23．13．0
电池单元电压／V
图6电池管理系统主程序流程
Fig．6Battery management system of the main program
flow
（下转第49页）
邓仲卿等：基于PIC 单片机的FSE 电动方程式赛车电池管理系统设计
45
第51卷第6期
试验表明：当SOC依次为0．9、0．7、0．5、0．3时，电池单元电压相应下降，且每个电池单元下降幅度大致一致，动力电池电压测量误差在8％以内，能实时根据动力电池状态进行监控、故障分析和报警，达到了设计要求。
4结束语
1）本文介绍了一种基于PIC18F6628的电动方程式赛车电池管理系统。该系统结合中国大学生方程式比赛要求，采用PIC18F6628为主控芯片来实现电池管理系统的功能要求。经测试表明，该系统有一定精度，能满足参赛要求。
2）根据大赛要求，须有制动能量回收，该电池管理系统尚未考虑到制动能量回收控制策略，有待进一步研究。
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作者简介邓仲卿（1989—），男，广东工业大学2011级硕士研究生，研究方向：FSE电动赛车技术、电动汽车关键技术。Email：dzq816＠163．com
阳林：男，博士，教授，硕士生导师，广东工业大学汽车系。研究方向：车身模具CAD／CAE／CAM／VR，电动汽车关键技术。
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作都简介迟宝山（1958—），男，吉林长春人，教授，研究方向：军用车辆系统论证，仿真及评估技术。E－mail：abxc＠foxmail．com
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迟宝山等：轮腿式行走系统研究综述49
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