畢業(yè)設(shè)計(jì)--純電動(dòng)賽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目：純電動(dòng)賽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　系 別： 汽車工程系 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 汽服102班 </p><p>　　二〇一四年四月三十日</p>

2、;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽（簡(jiǎn)稱“FSEC”）規(guī)則要求電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）對(duì)車載動(dòng)力電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障車載動(dòng)力電池的安全性，延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命的作用。本文設(shè)計(jì)一款基于芯片C8051F340的鋰電池狀態(tài)采集模塊，采用C8051F120對(duì)信息分析整理的主控模塊，并通

3、過CAN總線進(jìn)行信息傳遞的純電動(dòng)賽車BMS。該BMS能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓、電流、溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電池SOC估算，充電管理，絕緣監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集信息進(jìn)行分析管理，制定控制策略避免電池運(yùn)行中過放、過充、過熱等功能。本設(shè)計(jì)滿足中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽要求，在賽車上實(shí)車運(yùn)用，為制造新一代賽車提供數(shù)據(jù)與試驗(yàn)價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵字：FSEC；電池管理系統(tǒng)；采集模塊；主控模塊；CAN</p><p&

4、gt;<b>　　Abstract</b></p><p>　　Formula Student Electric China (referred to as "FSEC") is evolved in the Formula Student China (referred to as "FSC") basis. Chinese college stud

5、ents Contest rules require pure electric vehicle battery management system (Battery Management System, BMS) on-board real-time monitoring of battery safety, protection of battery safety, enhance the role of battery life.

6、 This paper designs a pure electric car lithium BMS C8051F340 chip-based acquisition module status, information analysis using C8051F12</p><p>　　Key Words: FSEC；battery management system；acquisition module；m

7、aster control module；CAN</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　背景和意義</b></p><p>　　1.1.1 電動(dòng)汽車的發(fā)展背景 </p><p>　　近幾年來，隨著我國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展速度的迅猛，我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為了世界的第三大汽車

8、消費(fèi)國(guó)和世界的第四大汽車生產(chǎn)國(guó)[1]。隨著國(guó)際能源危機(jī)的加劇，環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增加，電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)的燃油車已成為現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。由于我國(guó)石油短缺，大部分靠進(jìn)口的現(xiàn)狀，使得電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)的燃油車的趨勢(shì)尤為突出[3]。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的研究開發(fā)技術(shù)與國(guó)外的差距還不大，最近幾年，德、美、日、英等國(guó)，政府都動(dòng)用了行政手段，制定和出臺(tái)了各自符合本國(guó)國(guó)情的電動(dòng)汽車的促進(jìn)政策。相繼美國(guó)、日本、德國(guó)、巴西、英國(guó)、法國(guó)，中國(guó)也出臺(tái)符合本國(guó)國(guó)情的

9、系能源扶持政策[4]。</p><p>　　圖1-1 電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.1.2 大學(xué)生方程式汽車大賽</p><p>　　1979年，大學(xué)生方程式汽車大賽由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)首次創(chuàng)辦，然而中國(guó)跟進(jìn)國(guó)際腳步和根據(jù)本國(guó)國(guó)情，2010，在上海舉辦的第一屆中國(guó)大學(xué)生方程式（簡(jiǎn)稱“中國(guó)FSC”），至2013已連續(xù)舉辦了四屆大學(xué)生方程式汽車大

10、賽。第一屆到第三屆年在上海國(guó)際賽車場(chǎng)成功舉辦，2013年的第四屆賽事第一次在湖北襄陽市成功舉辦。中國(guó)FSC目的在于培養(yǎng)國(guó)內(nèi)的優(yōu)秀汽車人才，提供競(jìng)賽平臺(tái)，提升參賽隊(duì)員的各方面綜合素質(zhì)，為中國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展積蓄人才[5]。 </p><p>　　圖1-2 2013年中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽現(xiàn)場(chǎng)圖</p><p><b>　　純電動(dòng)賽車</b></p>

11、<p>　　大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽是基于大學(xué)生方程式汽車大賽上發(fā)展而來的，而中國(guó)純電動(dòng)賽車比賽是基于中國(guó)前三屆大學(xué)生方程式汽車大賽比賽經(jīng)驗(yàn)和成功舉辦而提出的同類型方程式汽車比賽，旨在促進(jìn)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)中國(guó)新能源汽車的快速發(fā)展。</p><p>　　純電動(dòng)賽車比賽項(xiàng)目包含靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目?jī)深怺6]。各項(xiàng)目分?jǐn)?shù)值分配如表1： </p><p>　　表1--1 大學(xué)生純電動(dòng)

12、汽車大賽項(xiàng)目分值分配表</p><p>　　廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院LS Racing車隊(duì)作為國(guó)內(nèi)首支獨(dú)立學(xué)院大學(xué)生車隊(duì)，而“鹿山E1號(hào)”賽車作為廣西首輛純電動(dòng)方程式比賽賽車，在襄陽市的2013第一屆中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽車比賽上，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院的LS Racing車隊(duì)設(shè)計(jì)與制造的“鹿山E1號(hào)”，在國(guó)內(nèi)和國(guó)外大學(xué)中脫穎而出，并獲得國(guó)內(nèi)第二名的好成績(jī)。</p><p>　　圖1-3 FSEC

13、純電動(dòng)賽車模型圖</p><p><b>　　研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)研究意義</p><p>　　由于電池的特性，在使用過程中需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，其管理系統(tǒng)的研究伴隨而來。電池管理系統(tǒng)（BMS）是通過實(shí)時(shí)對(duì)電池工作有運(yùn)行信息的采集，信息分析管理后對(duì)電池組的SOC估算，對(duì)電池過放、過充、過熱等保護(hù)[7]。電池管理

14、系統(tǒng)對(duì)于電池組的安全使用，制動(dòng)控制策略起到保障電池組的安全性能，并能延長(zhǎng)電池組的使用壽命，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分之一。在電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展上，設(shè)計(jì)開發(fā)BMS來管理電池，以延長(zhǎng)電池的循環(huán)使用壽命，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的安全運(yùn)行情況是研究的主要方向。參加中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽，其規(guī)則中要求當(dāng)電池在充電和放電均需BMS對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以我們的BMS按照大賽規(guī)則要求來設(shè)計(jì)。</p><p>　　中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽

15、車大賽規(guī)則中要求：</p><p>　　1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作或動(dòng)力電池充電時(shí)，電池管理系統(tǒng)需對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。電池管理系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量每塊電池電壓，從而保證電壓處于動(dòng)力電池的參數(shù)表中合理數(shù)值。如果電池組是并聯(lián)電路，則只需要測(cè)量一個(gè)電池單體的電壓既可；</p><p>　　2、電池管理系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量動(dòng)力電池的臨界溫度值； <

16、/p><p>　　3、電池管理系統(tǒng)需要對(duì)電池組30%以上的單體電池進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，被監(jiān)控的電池需均勻的分布在電池箱內(nèi)；</p><p>　　4、電池管理系統(tǒng)檢測(cè)電池達(dá)到臨界溫度值，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須立即斷開 [6]。</p><p>　　綜合以上要求，考慮到車載電池箱的布局和結(jié)合比賽賽事規(guī)則要求，每個(gè)電池堆電壓不能超過 120V DC，同時(shí)需要對(duì)不少于30%的電池單體（均布于電

17、池箱內(nèi)）進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)外隨著政府扶持和電動(dòng)汽車研究的升溫，各大產(chǎn)商對(duì)電池作了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型，成功開發(fā)許多BMS在實(shí)車運(yùn)用。有許多外國(guó)優(yōu)秀管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：德國(guó)研究者設(shè)計(jì)的BADICHEQ 系統(tǒng)和 BATTMAN 系統(tǒng)；美國(guó)研究者設(shè)計(jì)的BATOPT管理系統(tǒng)、Smart Guard 系統(tǒng)（如圖1-4）和通用汽車公司EV1

18、電池管理系統(tǒng)（如圖1-5） [8]。這些國(guó)家在電動(dòng)汽車研究上起步較早，給后期研究有非常大借鑒。國(guó)外芯片公司已經(jīng)相繼推出了一系列的電池控制芯片，在實(shí)現(xiàn)智能化管理的要求下，逐步走上智能化電池管理道路。</p><p>　　圖1-4 Smart Guard管理系統(tǒng)實(shí)物圖</p><p>　　圖1-5 EV1電池管理系統(tǒng)實(shí)物圖</p><p>　　國(guó)內(nèi)對(duì)電池的管理系統(tǒng)研

19、究還是剛起步時(shí)期，現(xiàn)在暫時(shí)主要還是借助各大高校的科技力量與電池產(chǎn)商和汽車生產(chǎn)商共同研究開發(fā)，取得了許多的成果和突破。北京交通大學(xué)研發(fā)的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-6，于2002年12月通過科技部驗(yàn)收，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、SOC估計(jì)和均衡充電等功能；2008 年奧運(yùn)會(huì)運(yùn)用的純電動(dòng)公交車上使用的電池管理系統(tǒng)[9]，結(jié)構(gòu)圖如1-7，就是由北京理工大學(xué)、北京交通大學(xué)、中信國(guó)安盟固利和北京京華客車廠等單位校企聯(lián)合成功研制，為舉辦“綠色奧運(yùn)，

20、科技奧運(yùn)”做出了巨大貢獻(xiàn)[10]。另外，還有我國(guó)的電池管理系統(tǒng)供應(yīng)商設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品，如安徽力高新能源技術(shù)公司、深圳市科列技術(shù)有限公司、惠州市億能電子有限公司、哈爾濱冠拓電源公司等生產(chǎn)的電池管理系統(tǒng)已在電動(dòng)汽車上實(shí)際應(yīng)用[11]。</p><p>　　圖1-6 北京交通大學(xué)的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖1-7 奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)公交電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><

21、;p><b>　　課題來源與研究?jī)?nèi)容</b></p><p><b>　　課題來源</b></p><p>　　廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院的LS Racing車隊(duì)至組委會(huì)舉辦方程式汽車大賽4年來已經(jīng)連續(xù)參加了四屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽。車隊(duì)在積極響應(yīng)大賽組委會(huì)號(hào)召，積極備戰(zhàn)純電動(dòng)賽車比賽，按照純電動(dòng)賽車規(guī)則自行設(shè)計(jì)制作了廣西第一輛純電動(dòng)賽車，在

22、首屆純電動(dòng)賽車比賽中“鹿山E1號(hào)”奪取國(guó)內(nèi)第二的好成績(jī)。</p><p>　　本文是根據(jù)2014年中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)方程式汽車大賽規(guī)則要求，研究與設(shè)計(jì)一款電池管理系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)賽車車載電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。用于2014年“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車，對(duì)電池的電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，從而對(duì)電池荷電狀態(tài) SOC值的估算，充放電控制，熱管理，過流、過壓、過熱保護(hù)，通信協(xié)議，絕緣電阻檢測(cè)等要求。</p><

23、;p><b>　　研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　(1)分析鋰電池的工作原理，研究了鋰電池充放電特性及其安全性能方面的影響因素，為“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車車載電池的選用提供參考價(jià)值；</p><p>　　(2)在電池SOC估算方面的研究，分析目前常用的SOC估算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車的實(shí)際運(yùn)用情況，提出綜合方案，精確估算電池SOC；&

24、lt;/p><p>　　(3)采用C8051F340芯片為采集模塊處理器，采集電池的電壓、溫度，進(jìn)行過壓、欠壓、過溫保護(hù)，按規(guī)則要求控制每個(gè)電池箱內(nèi)的2個(gè)絕緣繼電器。設(shè)計(jì)采用C8051F120作為主控模塊處理器，采集電池組的總電流，進(jìn)行過流保護(hù)；</p><p>　　(4)研究電池組絕緣檢測(cè)的方案，當(dāng)絕緣電阻低于250Ω/V時(shí)，需斷開驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并有指示燈提醒；</p><p&

25、gt;　　(5)本設(shè)計(jì)使用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息傳遞，并設(shè)計(jì)兩路CAN（充電CAN，整車CAN）；</p><p>　　(6)電池管理系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車中車載電池監(jiān)控和管理，應(yīng)同時(shí)滿足對(duì)400節(jié)以內(nèi)的單體電池的監(jiān)控和管理；</p><p>　　(7)按照電池管理系統(tǒng)軟件流程圖對(duì)程序編寫，由程序完成對(duì)電池的保護(hù)控制。</p><p><

26、;b>　　鋰電池及其管理系統(tǒng)</b></p><p><b>　　鋰電池工作原理</b></p><p>　　電動(dòng)汽車上的動(dòng)力儲(chǔ)能裝置是安裝在電動(dòng)汽車上的并能夠?qū)﹄娔軆?chǔ)存的一種裝置[12]。鋰離子電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：高比能量，高比功率，體積小，自放電率低，環(huán)保等 [13]。本設(shè)計(jì)的純電動(dòng)賽車上的電池系統(tǒng)對(duì)車載動(dòng)力電池有以下要求： </p>

27、<p>　　(1)有較強(qiáng)充放電能力。評(píng)定電池充放電能力的兩個(gè)重要指標(biāo)是比能量和比功率，這兩個(gè)指標(biāo)直接影響著電池的充放電能力。而電動(dòng)賽車由于在賽道上的不定時(shí)加減速（經(jīng)常會(huì)過載）以及快速充電能力往往要求較高的充放電能力。 </p><p>　　(2)充放電效率。純電動(dòng)賽車中的動(dòng)力電池高充放電效率是保證整個(gè)比賽的所有項(xiàng)目正常完成的一個(gè)重要指標(biāo)。 </p><p>　　(3)使用壽命。

28、由于鋰電池物理化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，所以要求電池的充放電循環(huán)至少要達(dá)到1500次。 </p><p>　　(4)容量。由于電動(dòng)賽車多數(shù)比賽項(xiàng)目都是在賽道上動(dòng)態(tài)運(yùn)行，需經(jīng)過各種工況下的計(jì)算確定電池的容量。 </p><p>　　(5)穩(wěn)定性。純電動(dòng)賽車中的車載電池要在各種工況條件下運(yùn)行，需能夠保持電池性能的穩(wěn)定，保證整車的安全性。</p><p>　　進(jìn)過以上分析，我們的“鹿

29、山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車車載動(dòng)力電使用磷酸鐵鋰電池。以磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池是最適合使用在電動(dòng)汽車上的，磷酸鐵鋰電池具有安全性好、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)[14]。</p><p>　　圖2-1 LiFePO4晶體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2-2 LiFePO4電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　LiFePO4電池正極充放電過程的化學(xué)反應(yīng)方程

30、式如下所示[15]：</p><p>　　充電 LiFePO4 - x Li+ - x e- → x FePO4 + (1-x ) LiFePO4 （1-1）</p><p>　　放電 FePO4 + x Li+ + x e- → xLiFePO4 + (1-x ) FePO4 （1-2）&l

31、t;/p><p><b>　　鋰電池特性</b></p><p>　　純電動(dòng)方程式賽車電池組的選擇需要滿足電機(jī)額定功率、賽車行駛所需的電量要足以完成比賽全部項(xiàng)目以及賽車動(dòng)力性。選擇了山東的一所新能源科技公司的質(zhì)量輕、體積小、放電電流大的F1263155225P（參數(shù)見表2 ）電池作為純電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力電池。圖2-4至圖2-7介紹電池的特性。</p>&l

32、t;p>　　圖2-3 磷酸鐵鋰電池外形圖</p><p><b>　　表2 電池參數(shù)</b></p><p>　　圖2-4 充電特性圖 圖2-5 倍率放電特性圖</p><p>　　圖2-6 循環(huán)使用壽命特性圖 圖2-7 溫度放電特性圖</p>

33、<p>　　根據(jù)中國(guó)方程式汽車大賽規(guī)則和比賽現(xiàn)場(chǎng)情況可知，賽車參與的動(dòng)態(tài)項(xiàng)目分別為：八字繞環(huán)、直線加速、耐久賽以及制動(dòng)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試，總的行駛里程累計(jì)大約為 25km。但為保證賽車能順利完成所有的比賽項(xiàng)目以及考慮電池壽命、整車重量。綜合考慮，我們選擇使用 196個(gè)單體電池，以98串2并連接方式，組成3個(gè)電池模塊分別布置在3個(gè)電池箱內(nèi)，其電池組的總?cè)萘繛?4Ah，總額定電壓為313.6V。</p><p>

34、;<b>　　電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）由三個(gè)模塊組成，有主控模塊(Battery Management Unit，BMU)、采集模塊(Battery Sample Unit，BSU)、顯示模塊(Battery Display Unit，BDU)組成。電池管理系統(tǒng)是通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息傳遞，

35、實(shí)現(xiàn)均衡管理、對(duì)電池充放電管理、溫度管理、安全管理和電池保護(hù)等功能[16]。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)的電池信息采集模塊對(duì)單體電池的電壓測(cè)量，溫度監(jiān)測(cè)，熱管理和 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線通信等功能。電池管理系統(tǒng)的主控模塊實(shí)現(xiàn)的是主要對(duì)電池組的總電流采集，SOC值估算，絕緣電阻檢測(cè)和 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線通信等功能。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)目前有兩種結(jié)構(gòu)，即集中式電池管理系統(tǒng)和分布式電

36、池管理系統(tǒng) [17]，結(jié)構(gòu)如圖2-8，圖2-9所示。 </p><p>　　集中式的電池管理系統(tǒng)是控制模塊中將所有的單體電池的采集線都接入其中，形成一個(gè)總管理控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的采集、分析、管理和控制功能集中在一個(gè)模塊中。</p><p>　　圖2-8 集中式管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　分布式電池管理系統(tǒng)是將電池組進(jìn)行分組，每組的電池由一個(gè)采集模塊來

37、進(jìn)行對(duì)電池信息的采集和處理，充放電管理、絕緣監(jiān)測(cè)管理、熱管理、SOC/SOH的估算、安全管理等功能由一個(gè)主控模塊實(shí)現(xiàn)。采集模塊之間是通過內(nèi)部 CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞，采集模塊與主控模塊是通過外部 CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞。</p><p>　　圖2-9 分布式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　電池管理系統(tǒng)工作原理</p><p>　　集中式電池管理系統(tǒng)

38、由于不能監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電壓和溫度，不易布線，精度要求高，不適合電池組分箱布置。純電動(dòng)賽車必須按照中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽規(guī)則對(duì)電池組每個(gè)單體電池和30%以上電池溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且考慮我們的賽車的總布置，電池組需布置在3個(gè)電池箱內(nèi)，便于管理系統(tǒng)布線，采集精度高。綜合考慮，如圖2-10。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)一款純電動(dòng)賽車BMS基于芯片C8051F340的鋰電池狀態(tài)采集模塊，采用C8051F120對(duì)信息分析整理

39、的主控模塊，并通過CAN總線進(jìn)行信息傳遞。</p><p>　　圖2-10 分布式電池管理系統(tǒng)示意圖</p><p>　　2.4.1 C8051FX系列芯片介紹</p><p>　　(一) C8051F340芯片的主要特性[18]：</p><p>　　1. 片內(nèi)有全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口；</p><p>　

40、　2. 電源穩(wěn)壓器； </p><p>　　3. 帶模擬多路器，有10 位 ADC； </p><p>　　4. 片內(nèi)自帶溫度傳感和電壓基準(zhǔn)器；</p><p>　　5. 片內(nèi)兩個(gè)電壓比較器； </p><p>　　6. 12MHz 內(nèi)部振蕩器和 4倍時(shí)鐘乘法器；</p><p>　　7. 多達(dá) 64KB的片內(nèi) FLA

41、SH 存儲(chǔ)器； </p><p>　　8. 多達(dá) 4352 字節(jié)片的RAM； </p><p>　　9. 硬件實(shí)現(xiàn)的SM Bus/ I2C、增強(qiáng)型UART和SPI串行接口； </p><p>　　10. 4個(gè)通用的16 位定時(shí)器； </p><p>　　11. 片內(nèi)VDD監(jiān)視器、上電復(fù)位和時(shí)鐘丟失檢測(cè)器；</p><p&g

42、t;　　12. 多達(dá) 40個(gè)端口 I/O（容許 5V輸入）。</p><p>　　(二) C8051F120芯片主要特性[19]：</p><p>　　1. 與8051單片機(jī)兼容的CIP-51 內(nèi)核；</p><p>　　2. 片內(nèi)有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口；</p><p>　　3. 12位ADC，PGA和8通道模擬多路復(fù)用器；&l

43、t;/p><p>　　4. 有兩個(gè)12 位 DAC； </p><p>　　5. 2 周期16 x 16 乘法和累加引擎；</p><p>　　6. 128KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器；</p><p>　　7. 8448字節(jié)的片內(nèi)RAM；</p><p>　　8. 有可尋址64KB 地址空間的外部數(shù)

44、據(jù)存儲(chǔ)器接口；</p><p>　　9. 5個(gè)通用的16位定時(shí)器；</p><p>　　10. 片內(nèi)溫度傳感器和看門狗定時(shí)器。</p><p>　　2.4.3 設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)可監(jiān)控電池組的運(yùn)行狀態(tài):電池的電流值、電壓值和溫度值，并從采集到的信息來進(jìn)行估算電池組的SOC值，對(duì)電池的過充、過放、過熱、絕緣等

45、故障采取相應(yīng)保護(hù)措施，保證電池在運(yùn)用過程中安全可靠，以延長(zhǎng)電池的循環(huán)使用壽命。</p><p>　　分布式的電池管理系統(tǒng)要由主控模塊、采集模塊和顯示模塊三部分組成。電池管理系統(tǒng)的采集模塊主要采集單體電池的電壓、溫度，并控制熱管理模塊，過溫啟動(dòng)風(fēng)扇讓電池箱內(nèi)的電池散熱；主控模塊主要負(fù)責(zé)接收來自采集模塊的數(shù)據(jù)并對(duì)其統(tǒng)一管理, 制定控制策略對(duì)電池過放電、過充電、過熱、絕緣故障保護(hù)，并對(duì)電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理控制，估算電池的

46、荷電狀態(tài)(SOC)，控制BMS報(bào)警裝置，所有數(shù)據(jù)都通過CAN總線進(jìn)行傳遞，采集到的信息在可顯示屏中顯示，便于駕駛員觀看，便于檢查維護(hù)。</p><p>　　“鹿山電動(dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車使用的動(dòng)力電池組由98串組成，而且課題要求需監(jiān)控400串單體電池。如圖2-11所示，每個(gè)采集模塊最多可監(jiān)測(cè)36個(gè)單體電池，采集電池?cái)?shù)量較多，可減少采集模塊的數(shù)量，較容易布線。如要監(jiān)控“鹿山電動(dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車的98串車載電池，只需3個(gè)

47、采集模塊；如要監(jiān)控400串電池，也只需12個(gè)采集模塊便可。</p><p>　　圖2-11 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.4.4 控制策略</p><p>　　對(duì)于電池管理系統(tǒng)：每箱電池正負(fù)極都有一個(gè)繼電器，全部串聯(lián)在電路里使用，過充過放保護(hù)切斷時(shí)同時(shí)動(dòng)作切斷；箱體上對(duì)應(yīng)繼電器有手動(dòng)指示燈開關(guān)，可以強(qiáng)制斷開繼電器。B箱和C箱的管理系統(tǒng)中采集模塊用芯

48、片I/O口控制箱內(nèi)的繼電器；A箱的一個(gè)繼電器也由模塊芯片I/O口控制，另外一個(gè)繼電器由主控模塊控制，閉合時(shí)比其它繼電器要延時(shí)閉合，需要閉合主繼電器時(shí)要先閉合和它并在一起的預(yù)充繼電器，預(yù)充電完成后再閉合該繼電器，預(yù)充電完成后會(huì)自動(dòng)斷開該繼電器，系統(tǒng)每次上電都需要先預(yù)充電。</p><p>　　對(duì)于整車：有顯示屏顯示采集數(shù)據(jù)，如有故障則報(bào)警或切斷相應(yīng)繼電器。有故障時(shí)顯示屏報(bào)警。當(dāng)達(dá)到一級(jí)故障時(shí)，BMS通過CAN總線向

49、整車發(fā)送一級(jí)故障信息，整車接到一級(jí)故障報(bào)警后要減功率運(yùn)行或者按照協(xié)議內(nèi)容做其它處理；當(dāng)達(dá)到二級(jí)故障值后，BMS控制放電繼電器延時(shí)3秒斷開或者按照協(xié)議內(nèi)容做其它處理。</p><p>　　對(duì)于充電機(jī)：BMS與充電機(jī)通信，當(dāng)達(dá)到一級(jí)故障時(shí)，BMS通過CAN總線向充電機(jī)發(fā)送一級(jí)故障信息，充電機(jī)接到一級(jí)故障報(bào)警后要減小充電電流；當(dāng)達(dá)到二級(jí)故障值后，BMS控制繼電器延時(shí)3秒斷開。</p><p>　

50、　電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 電池信息采集模塊</p><p><b>　　電壓采集</b></p><p>　　電池電壓的采集數(shù)據(jù)的采集精度，對(duì)SOC的精度非常重要。采用C8051F340芯片作為信息采集處理器，其芯片有10位ADC，片內(nèi)有64KB FLASH 存儲(chǔ)器，轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到200ksps。本設(shè)計(jì)方案使用開關(guān)

51、矩陣方法，一個(gè)C8051F340芯片最多可采集36串單體電池（若并聯(lián)電池組只需監(jiān)測(cè)1個(gè)單體電池即可），當(dāng)采集單體電池超過36個(gè)單體電池電壓采樣時(shí)，可以串聯(lián)多個(gè)采集模塊使用，而C8051F340芯片相互獨(dú)立工作。“鹿山電動(dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車使用的動(dòng)力電池組由98串2并組成，電池組分別布置在三個(gè)電池箱內(nèi)（A箱36串2并，B箱36串2并，C箱26串2并），電池組這樣的布置方案，3個(gè)電池箱只需分別布置1個(gè)采集模塊（即1個(gè)采集芯片C8051F340

52、）。即使課題任務(wù)需要采集400串電池，也只需12個(gè)采集模塊。本文設(shè)計(jì)的方案中使用開關(guān)矩陣的方法來測(cè)量電路的電壓，由于需要采集單體電池的數(shù)目較多，可減少設(shè)計(jì)成本，測(cè)量的精度增高，但是需要結(jié)合繼電器的方法。利用開關(guān)矩陣方法把每塊電池的正負(fù)兩極的數(shù)據(jù)采集線引出，即可測(cè)量每塊電池的電壓值。</p><p>　　該設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，當(dāng)S1、S2、S11、S12開關(guān)均閉合時(shí)，而其它開關(guān)均斷開時(shí)，即可將電池B1的兩端

53、電位分別接入C8051F340芯片中，片內(nèi)自有10位的ADC，可直接測(cè)出電池端電壓。采集芯片C8051F340有48個(gè)引腳，40個(gè)I/O口，20個(gè)可正負(fù)電壓輸入口，內(nèi)部有兩個(gè)可編程電壓比較；當(dāng)S2、S3、S11、S12開關(guān)均閉合時(shí)，而其它開關(guān)均斷開時(shí)，可測(cè)電池B2的端電壓。按此方法類推可測(cè)出其他9個(gè)單體電池的端電壓。</p><p>　　圖3-1 開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　利用

54、開關(guān)矩陣的方法測(cè)電池電壓，還需結(jié)合繼電器控制開關(guān)。選用松下AQW214EH光耦繼電器，該器件采用緊湊的（寬）6.4mm×（長(zhǎng)）9.86mm×（高）3.2mm尺寸，它具有高靈敏度，高速度響應(yīng)導(dǎo)通電阻極小，速度快的優(yōu)點(diǎn)。AQW214EH光耦繼電器是由低電平模擬信號(hào)控制，由兩個(gè)光電隔離開關(guān)集成在芯片內(nèi)，通過芯片的I/O電平控制開和關(guān)，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 AQW214EH

55、光耦繼電器</p><p>　　如果監(jiān)測(cè)的電池組有m個(gè)電池時(shí)，則需要m+1個(gè)控制開關(guān)，每個(gè)控制開關(guān)需要用芯片中的1個(gè)I/O口來控制，則整個(gè)電路需要使用m+1個(gè)I/O口。本設(shè)計(jì)要求監(jiān)控的電池?cái)?shù)目比較多，顯然C8051F340芯片的I/O口不夠用，所以需要使用更少的I/O口來實(shí)現(xiàn)這一要求，現(xiàn)以“鹿山電動(dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車98串2并電池組為例說明，電池組分別布置在三個(gè)電池箱內(nèi)（A箱36串2并，B箱36串2并，C箱26串2

56、并），電池組這樣的布置方案，3個(gè)電池箱只需分別布置1個(gè)采集模塊，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 電壓采集電路圖</p><p>　　測(cè)量36串單體電池時(shí)需要37個(gè)I/O口，C8051F340芯片只有40個(gè)，并且只有20個(gè)電壓正負(fù)輸入I/O口，則芯片的I/O明顯不夠用。為提高精度，使用開關(guān)矩陣方法并且I/O口復(fù)用時(shí)，只需要占用19個(gè)I/O口。將36串電池分成4組，設(shè)計(jì)出I/

57、O口復(fù)用的開關(guān)矩陣，如圖3-4所示，第一組為1—9號(hào)電池，第二組為9—18號(hào)電池，第三組為19—27號(hào)電池，第四組為28—36號(hào)電池。給每個(gè)電池兩端都設(shè)置一個(gè)開關(guān)（第一組S1—S10，第二組S11—S20， 第三組S21—S30，第四組S31—S40），控制對(duì)每塊電池的測(cè)量選擇是否閉合相對(duì)應(yīng)的開關(guān)，四組的每一組電池組都需要設(shè)置一個(gè)總控制開關(guān)（第一組S41—S42，第二組S43—S44，第三組S45—S46，第四組S47—S48），哪一組

58、總開關(guān)閉合來來選哪一組電池測(cè)量。I/O口復(fù)用的開關(guān)矩陣方法，從37個(gè)I/O口可減少至18個(gè)，大大減少了I/O口的使用量。如當(dāng)測(cè)量B1號(hào)電池時(shí)，I/O1和I/O2為低電平，同時(shí)閉合S1、S2、S41、S42，其他開關(guān)均斷開，則B1號(hào)電池端電壓進(jìn)入電壓測(cè)量總線V+、V-，便可測(cè)出該電池的端電壓，S41、S42繼續(xù)閉合，按</p><p>　　按照上面的方法，每一組有n塊電池串聯(lián)，總共有m組，就需要n +1+

59、 2m個(gè)芯片的I/O口 。節(jié)約芯片I/O口的使用，單個(gè)芯片采集到的電池更多。</p><p><b>　　電流采集</b></p><p>　　電流采集時(shí)只需要對(duì)多個(gè)鋰電池串聯(lián)的總電流進(jìn)行采樣即可，電流采樣準(zhǔn)確與否對(duì)于SOC評(píng)估有著非常重要的影響，電流采集值需要較高的采樣精度。</p><p>　　電池組的總電流使用的是閉環(huán)

60、霍爾電流傳感器（如圖3-4所示）采集 [21]。用霍爾元器件測(cè)量信號(hào)，可以直接反映當(dāng)前被測(cè)導(dǎo)線通過的電流大小 [22]?！奥股紼2號(hào)”純電動(dòng)賽車的車載動(dòng)力電池最大放電電流可達(dá)240A，選用型號(hào)為L(zhǎng)HB-300A的閉環(huán)霍爾電流傳感器。</p><p>　　霍爾電流傳感器通過電磁感應(yīng)得到的電壓信號(hào)較小,通常只有幾個(gè)mV左右,而芯片的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)于輸入端的要求是0-5V。LHB-300A閉環(huán)霍爾電流傳感器將放大電路集

61、成在傳感器內(nèi)部,就能夠直接與芯片的A/D采樣端口相匹配。霍爾傳感器的輸出電壓為±5V，所采用差分方式采集，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-5 傳感器接線示意圖</p><p>　　圖3-6 電流采集電路圖</p><p>　　若測(cè)量出的電流為正時(shí)，說明電池組處于放電狀態(tài)；若測(cè)量出的電流為負(fù)時(shí)，說明電池組處于充電狀態(tài)。</p>&

62、lt;p><b>　　溫度采集</b></p><p>　　溫度對(duì)電池容量有著重要的影響，必須合理控制電池箱內(nèi)電池的溫度，防止電池因?yàn)闇囟鹊膯栴}而影響整車的性能。中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽規(guī)則要求，比賽車若使用鋰電池，則電池管理系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)至少30%的電池溫度，并且被監(jiān)測(cè)的電池要在電池箱內(nèi)均勻分布。如果一個(gè)溫度傳感器與多個(gè)單體電池直接接觸，就可用該溫度傳感器監(jiān)測(cè)多個(gè)電池。本設(shè)計(jì)對(duì)“鹿山E2

63、號(hào)”純電動(dòng)賽車每個(gè)電池箱內(nèi)36串2并電池組的溫度進(jìn)行測(cè)量，選用的是體積較小的數(shù)字化DS1820溫度傳感器。DS1820測(cè)量精度為±0.5°C，溫度測(cè)量的范圍為－55℃～＋125℃。DS1820內(nèi)部自有集成的A/D轉(zhuǎn)換，無需外圍增加A/D轉(zhuǎn)換模塊。</p><p>　　在對(duì)“鹿山電動(dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車電池溫度采樣時(shí)，以A箱36串2并電池組為例，均勻地選擇電池組中的12節(jié)，接線如圖3-7所示，在這1

64、2節(jié)電池中每一節(jié)表面貼裝1個(gè)DS1820溫度傳感器，以此監(jiān)測(cè)得超過30%的電池溫度。</p><p>　　圖3-7 溫度采集電路圖</p><p>　　3.2 充放電模塊</p><p>　　3.2.1 預(yù)充電回路</p><p>　　系統(tǒng)中必須安裝一個(gè)預(yù)充電電路，該電路要能在第二個(gè)絕緣繼電器閉合之前為中間回路預(yù)充電至電壓達(dá)到當(dāng)前電池電

65、壓的 90%以上。BMS 對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行信號(hào)采集，當(dāng)檢測(cè)表明動(dòng)力蓄電池溫度等參數(shù)處于正常時(shí)，BMS 控制絕緣繼電器閉合，預(yù)充電回路給高壓負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路電壓達(dá)到當(dāng)前動(dòng)力電池電壓的 90%以上從而防止動(dòng)力蓄電池接通瞬間產(chǎn)生浪涌電壓，預(yù)充電動(dòng)作是每次高壓上電都必須進(jìn)行的。 </p><p>　　在A#電池箱中布置預(yù)充電繼電器，閉合時(shí)比其它繼電器要延時(shí)閉合，需要閉合主繼電器時(shí)要先閉合和它并在一起的預(yù)充繼電器

66、，預(yù)充電結(jié)束后再閉合該繼電器，使回路中電壓值達(dá)到動(dòng)力電池組的 90%以上時(shí)，預(yù)充電結(jié)束后該繼電器自動(dòng)斷開。電池系統(tǒng)每次上電都需要先預(yù)充，我們選用型號(hào) TYCO 預(yù)充電繼電器EV100，預(yù)充電電路如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 預(yù)充電電路圖</p><p>　　3.2.2 放電回路</p><p>　　賽車在行駛過程發(fā)生緊急狀況時(shí)，車手通過按下主艙

67、的急停開關(guān)，可切斷安全回路，由于負(fù)載兩端仍有高壓，此時(shí)放電回路會(huì)通過電阻和繼電器，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓達(dá)到5秒內(nèi)電壓降到 40VDC 以下。放電回路其要能承受最大放電電流至少15s，放電回路如圖3-9所示。5秒內(nèi)有放電的高壓總線從312V至40V，這是87.2％。</p><p>　　圖3-9 放電回路</p><p>　　3.2.3 充電控制</p><p>　　根

68、據(jù)中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)賽車比賽要求和為減少比賽賽車整車質(zhì)量，方便、快速充電等要求，我們選用直流非車載充電機(jī)[23]。使用CAN總線與 BMS 進(jìn)行通信的功能，從而獲得電池狀態(tài)參數(shù)。在電池充電過程中，可根據(jù)BMS 實(shí)時(shí)采集到的電池信息，通過管理單元?jiǎng)討B(tài)調(diào)整充電電流。</p><p>　　充電機(jī)是通過外掛CAN 通信模塊來連接 CAN 總線，通過CAN總線發(fā)送命令給充電機(jī)進(jìn)行充電控制。BMS

69、 依據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)，利用合理算法，將計(jì)算結(jié)果通過 CAN 傳送給充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)充電過程實(shí)時(shí)控制，提高充電過程的安全性和高效性，并延長(zhǎng)了電池的循環(huán)使用壽命[24] ，如圖3-10所示。充電機(jī)連接后自動(dòng)按以下策略充電，帶 CAN 的充電機(jī)充電的過程分為 3個(gè)階段： </p><p><b>　　1）預(yù)充電 </b></p><p>　　在預(yù)充電階段，電池管理系統(tǒng)控制充電

70、機(jī)以較小的電流值進(jìn)行充電。當(dāng)單體電池的最低電壓高于預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，即轉(zhuǎn)入到恒流充電階段；如果低于預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，則繼續(xù)以該電流值進(jìn)行充電，直到單體最低電壓高于預(yù)先設(shè)置報(bào)警值時(shí)，即轉(zhuǎn)入到恒流充電階段，否則停止對(duì)電池的充電。 </p><p><b>　　2）恒流充電 </b></p><p>　　在恒流充電階段，電池管理系統(tǒng)控制充電器進(jìn)行充電時(shí)的電流值設(shè)定

71、充電，充電電壓達(dá)到預(yù)定值，即轉(zhuǎn)入到恒壓充電階段。</p><p><b>　　3）恒壓充電 </b></p><p>　　在恒壓充電階段，電池管理系統(tǒng)控制充電機(jī)減小輸出電流直至單體最高電壓低于</p><p>　　預(yù)先設(shè)置的過壓報(bào)警值時(shí)停止對(duì)電池充電，電池管理系統(tǒng)控制充電機(jī)以調(diào)整后的電流繼續(xù)恒流充電。當(dāng)恒壓充電階段里電壓不再上升，并且當(dāng)充電電

72、流值減小到設(shè)置值后，結(jié)束對(duì)電池充電。</p><p>　　圖3-10 充電工作示意圖</p><p><b>　　CAN模塊</b></p><p>　　3.3.1 CAN總線簡(jiǎn)介</p><p>　　CAN（Controller Area Network）是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一

73、[25]。在汽車產(chǎn)業(yè)中電子控制系統(tǒng)被開發(fā)，線束的數(shù)量也隨之增加，為減少線束的數(shù)量廣泛的使用CAN總線。CAN 具有以下幾種屬性： </p><p>　　1. 報(bào)文的優(yōu)先權(quán)；</p><p>　　2. 保證延遲時(shí)間；</p><p>　　3. 設(shè)置的靈活性；</p><p>　　4. 時(shí)間同步的多點(diǎn)接收； </p><p&g

74、t;　　5. 系統(tǒng)寬數(shù)據(jù)的連貫性；</p><p><b>　　6. 多主機(jī)； </b></p><p>　　7. 錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定 [24]。</p><p>　　從成本，可靠性等方面綜合考慮，選用CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)信息的傳遞 [27]。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)將采集到的電池信息和故障信息實(shí)時(shí)地通過CAN總線

75、傳輸，然后在顯示屏上顯示電池信息。電池管理系統(tǒng)的采集模塊之間內(nèi)部CAN進(jìn)行通信，主控模塊與采集模塊，主控模塊與整車控制器之間外部CAN進(jìn)行通信。</p><p>　　3.3.2 CAN模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)重要目的是為了減少線束數(shù)目，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性?！奥股诫妱?dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車CAN總線連接示意圖如圖3-11所示。電池管理系統(tǒng)將采集到的電池

76、信息和故障信息實(shí)時(shí)地通過CAN總線進(jìn)行信息傳輸，然后在電池管理系統(tǒng)液晶顯示屏上顯示；電池管理系統(tǒng)依據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)，利用合理算法，將計(jì)算結(jié)果通過 CAN 傳送給充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)充電過程控制；整車控制器通過CAN對(duì)整個(gè)系統(tǒng)信息進(jìn)行整理分析，制定相應(yīng)整車控制策略；PC機(jī)可通CAN實(shí)時(shí)查閱與維護(hù)故障。</p><p>　　圖3-11 CAN總線連接示意圖</p><p>　　本文設(shè)計(jì)選用的CAN控制

77、器為MCP2515：</p><p>　　作為獨(dú)立CAN控制器的MCP2515芯片，支持CAN總線技術(shù)要求規(guī)范，其通訊速率達(dá)到1Mb/s。MCP2515控制器與采集模塊芯片、主控模塊芯片的通信是通過串行接口SPI（Serial Peripheral Interface）來傳遞的。CAN協(xié)議引擎是MCP2515的核心，能夠在CAN上進(jìn)行發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文。當(dāng)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將報(bào)文加載到相應(yīng)的信息控制寄存器和緩沖器中。通過串

78、行接口設(shè)置控制寄存器位對(duì)應(yīng)于開始發(fā)送命令，檢查通訊狀態(tài)由相應(yīng)的控制寄存器讀取。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的CAN通信模塊CAN收發(fā)器采用ISO1050芯片。ISO1050提供差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收能力。由于ISO1050內(nèi)部已自帶有電氣隔離器，在電路中控制器MCP2515與收發(fā)器ISO1050之前連接無需再設(shè)計(jì)電氣隔離電路。MCP2515的可以直接與ISO1050相連。在實(shí)際電路中，CANH與CANL兩端并聯(lián)1個(gè)

79、120Ω的電阻，可以起到抑制反射回波的作用，如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 CAN模塊電路圖</p><p><b>　　絕緣監(jiān)測(cè)模塊</b></p><p>　　在“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車中，動(dòng)力電池組額定電壓為312V。在如此高的電壓下運(yùn)行，對(duì)于車載的高電壓系統(tǒng)與電動(dòng)賽車底盤之間的絕緣性能必須要提出較高的絕緣要求。中國(guó)

80、大學(xué)生純電動(dòng)汽車大賽規(guī)則中要求絕緣電阻必須至少為500 Ω/V，低于250 Ω/V時(shí)需在30s內(nèi)切斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6]。因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組相對(duì)電動(dòng)汽車底盤的絕緣性具有重要的意義。</p><p>　　如圖3-13所示，絕緣檢測(cè)電路主要有開關(guān)S1、S2（開關(guān)選用光繼電器AQW214EH），和已知電阻數(shù)值的電阻R1、R2組成。和為待求的絕緣電阻，正負(fù)母線與底盤的電壓分別為和[28]。</p&g

81、t;<p>　　圖3-13 絕緣檢測(cè)原理圖</p><p>　　檢測(cè)原理為：當(dāng)開關(guān)S1、S2 均斷開時(shí)，采用分壓的方法進(jìn)入芯片AD通道分別測(cè)出和的電壓，從而得出此時(shí)電池組正負(fù)母線間電壓為和，列公式3-1;</p><p>　　然后閉合S1，斷開S2，此時(shí)檢測(cè)到正母線對(duì)地的電壓和，列公式3-2。</p><p><b>　　（3-1）<

82、/b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　由式(3-1)和(3-2)聯(lián)合求解，可以得到：</p><p>　　=(-1) （3-3）</p><p>　　= （3-4）<

83、/p><p>　　圖3-14 絕緣監(jiān)測(cè)模塊電路圖</p><p>　　計(jì)算出正負(fù)對(duì)底盤的絕緣電阻和，當(dāng)絕緣電阻若低于500 Ω/V，則報(bào)警；若低于250 Ω/V，則斷開驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　3.5 熱管理模塊</p><p>　　溫度是控制車載電池的主要參數(shù)之一，對(duì)電池性能影響比較大。如圖3-15所示，在-20℃

84、時(shí)，放電時(shí)容量是較低的，在60℃時(shí)，放電時(shí)的容量是最大的。在45℃以上放電容量增加不大，說明在溫度升高，電池內(nèi)部的各類化學(xué)反應(yīng)速率加快，電池內(nèi)阻將降低，放電速率將加快。但是溫度過高，會(huì)破壞電池內(nèi)部的化學(xué)平衡，從而導(dǎo)致?lián)p失部分電量，減少了電池的循環(huán)使用壽命。也增加了安全隱患，控制溫度在一定范圍內(nèi)，是消除安全隱患的最好措施。本文考慮實(shí)際運(yùn)用和成本方面，采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式，選用風(fēng)扇對(duì)電池進(jìn)行散熱。 “鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車使用的是強(qiáng)制風(fēng)冷的措

85、施,以保證電池溫度控制在電池最佳使用范圍內(nèi)。當(dāng)電池的溫度達(dá)到最高允許值時(shí),風(fēng)冷不能足以降低電池箱內(nèi)的溫度時(shí),則根據(jù)控制策略需要斷開相應(yīng)的繼電器來切斷整車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),以保證整車的安全。</p><p>　　圖3-15 磷酸鐵鋰電池不同溫度放電曲線</p><p>　　磷酸鐵鋰電池最佳使用溫度范圍應(yīng)在 10-45℃，因此，通過一定的保護(hù)措施，確保電池組的充電和放電過程中，在最佳的溫度范圍。防

86、止電池工作狀態(tài)時(shí)溫度過高,本文設(shè)計(jì)使用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱。通過電池管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到電池箱內(nèi)電池組中各單體電池的溫度信息，當(dāng)電池溫度達(dá)到風(fēng)扇啟動(dòng)閥值時(shí),啟動(dòng)風(fēng)扇對(duì)電池箱內(nèi)的電池進(jìn)行降溫,直到溫度降到風(fēng)扇關(guān)閉閥值時(shí)而關(guān)閉。為保證電池的安全可靠，當(dāng)電池溫度達(dá)到一級(jí)故障值（設(shè)置值為55℃）時(shí),電池管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息；當(dāng)電池溫度達(dá)到二級(jí)故障值時(shí)（設(shè)置值為60℃）,電池管理系統(tǒng)發(fā)出信息斷開箱內(nèi)繼電器來切斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于

87、溫度低于10℃時(shí),磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻隨著溫度的下降會(huì)增加，進(jìn)行一定時(shí)間的充放電即可，這一過程不需要主動(dòng)地去控制管理，因?yàn)殡姵爻浞烹娺^程電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)屬于放熱反應(yīng), 部分能量轉(zhuǎn)化為熱量,電池的溫度就會(huì)逐漸升高，電池的工作溫度會(huì)很快上升到正常溫度。</p><p>　　“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車有3個(gè)電池箱，每個(gè)電池箱內(nèi)有三個(gè)風(fēng)扇，風(fēng)扇的開啟與關(guān)閉直接有電池管理系統(tǒng)中采集模塊直接控制。比賽規(guī)則要求電池管理系統(tǒng)需要對(duì)電

88、池組的30%以上的電池進(jìn)行溫度的檢測(cè)，所檢測(cè)到的電池需要在電池箱內(nèi)并是均勻分布的。我們使用的是對(duì)流的傳熱方式，對(duì)流傳熱的情況與流體通過的通道尺寸形狀有關(guān)，將單體電池布置在散熱片上，如圖3-16所示，散熱片上留有空隙，更好提高散熱效率。當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池出現(xiàn)過熱時(shí)，電池管理系統(tǒng)啟動(dòng)電池箱內(nèi)安裝的冷卻風(fēng)扇，實(shí)施強(qiáng)制風(fēng)冷動(dòng)作來保證電池工作在更加良好的溫度環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的每個(gè)采集模塊可采集到36串電池電壓，而對(duì)12個(gè)單體電池溫度的采集監(jiān)控。如果采集模

89、塊采集到12個(gè)單體電池中任何一個(gè)單體電池超過36℃時(shí)，即啟動(dòng)風(fēng)扇；當(dāng)溫度低于34℃時(shí)，即關(guān)閉風(fēng)扇。采集模塊可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)到的單體電池溫度來控制風(fēng)扇啟動(dòng)，電池溫度達(dá)到36℃時(shí)開啟風(fēng)扇，34℃時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇。電池箱內(nèi)的熱管理模塊電路圖如圖3-17所示。</p><p>　　圖3-16 散熱片和電池連接圖</p><p>　　圖3-17 熱管理模塊電路圖</p><p>

90、<b>　　3.6 顯示模塊</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)要能夠能提供各種異常的報(bào)警信息，及時(shí)提醒駕駛員和維護(hù)人員，來采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，顯示模塊（Battery Display Unit，BDU）有友好的人機(jī)交互界面，能夠方便地設(shè)置初值和修改參數(shù)，可以使駕駛員和維護(hù)人員能夠直觀的查看電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[29]。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)所有計(jì)算

91、結(jié)果都是通過CAN進(jìn)行信息傳輸，在顯示屏上進(jìn)行顯示各種信息。顯示屏中顯示單體電池電壓、電池組總電壓、放電和充電電流、30%以上單體電池溫度、故障信息、SOC估算值等信息。</p><p>　　“鹿山E2號(hào)”純電動(dòng)賽車顯示屏，為了設(shè)計(jì)上的美觀，使用高清背景圖片做儀表顯示的背景圖，設(shè)計(jì)選用thin film transistor (TFT)晶體管觸摸液晶屏 ( TFT LCD屏)，如圖3-18所示。為使車手能更直觀、

92、清晰地了解賽車的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，利用取字模軟件建立了賽車顯示所需要的文字、數(shù)字，并生成了獨(dú)立的字庫，在選取顯示文字、數(shù)字時(shí)直接從程序里面提取我們自主建立的字庫里面的資料。</p><p>　　圖3-18 TFT LCD屏外形圖</p><p>　　SSD1963顯示控制器內(nèi)含1200K字節(jié)的幀緩沖器，它還配備并行MCU接口在不同的總線寬度來接收?qǐng)D形數(shù)據(jù)和從MCU發(fā)出的命令。</p>

93、<p>　　SSD1963顯示控制器功能：</p><p>　　1、支持高達(dá)864×480的24bpp的顯示；</p><p>　　2、支持TFT的接口面板；</p><p>　　3、支持8位RGB接口；</p><p>　　4、硬件為0，90，180，270度旋轉(zhuǎn)；</p><p><b

94、>　　5、硬件顯示鏡像；</b></p><p><b>　　6、硬件窗口；</b></p><p>　　7、動(dòng)態(tài)背光控制（DBC），通過PWM信號(hào)；</p><p>　　8、8/9/16/18/24-bit MCU接口；</p><p><b>　　9、撕裂效果信號(hào)；</b>&l

95、t;/p><p>　　10、內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器。</p><p><b>　　SOC估算</b></p><p>　　3.7.1 SOC定義</p><p>　　電池管理系統(tǒng)采集到的電池信息，通過計(jì)算從而估算電池組的SOC(State of Charge) [30]。準(zhǔn)確的SOC值，可以直觀清晰了解電動(dòng)汽車的剩余電量和可續(xù)駛里

96、程的的信息。電池組的剩余容量，電池總?cè)萘康臄?shù)值與電池剩余容量的比值[31]：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式3-5中，是電池中剩余的電荷余量， 是電池的標(biāo)稱的電荷容量。</p><p>　　3.7.2 常用估算SOC的方法</p><p>　　電池SOC估計(jì)方法主要有：安時(shí)法，開

97、路電壓法，電阻法，卡爾曼濾波方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[32]。</p><p><b>　　（1）安時(shí)法</b></p><p>　　安時(shí)法是通過某段時(shí)間內(nèi)對(duì)負(fù)載電流的積分來估算電池組的SOC。原理公式如下，</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式3-6中， 是— 時(shí)刻電

98、池組的剩余電量，t為時(shí)間，i為電流值。</p><p>　　安時(shí)法是電池工作時(shí)間對(duì)電流值積分而計(jì)算得出SOC值，由于電池的初始SOC難以確定問題而影響SOC準(zhǔn)確度。</p><p><b>　?。?）開路電壓法</b></p><p>　　開路電壓法是電池在未工作狀態(tài)下，測(cè)量電池的開路電壓來確定電池組的 SOC值。該方法比較簡(jiǎn)單，但是在電池工作

99、狀態(tài)下開路電壓法是不能實(shí)際測(cè)出的，因此開路電壓法在電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行中是不能動(dòng)態(tài)檢測(cè)出的。</p><p><b>　?。?）內(nèi)阻法</b></p><p>　　內(nèi)阻法是依據(jù)電池的內(nèi)阻與 SOC 確定的函數(shù)關(guān)系，電池SOC值是通過電池內(nèi)阻的實(shí)時(shí)估計(jì)。但是電池組的單體電池化學(xué)特性有差異，每個(gè)電池內(nèi)阻會(huì)不同，導(dǎo)致電池不一致性，難以通過電池的內(nèi)阻來確定與SOC 相對(duì)應(yīng)的函數(shù)

100、關(guān)系。</p><p><b>　?。?）卡爾曼濾波法</b></p><p>　　卡爾曼濾波法是將電池組作為一個(gè)非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，建立電池?cái)?shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型列出狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，求出需要估算系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)。準(zhǔn)確的建立電池?cái)?shù)學(xué)模型，卡爾曼濾波算法就可以準(zhǔn)確的估算電池的 SOC。但是該方法估算電池 SOC 的準(zhǔn)確性關(guān)鍵依賴于電池?cái)?shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，卡爾曼濾波算法中應(yīng)

101、用了大量運(yùn)算，它對(duì)系統(tǒng)處理器的運(yùn)行速度要求很高。</p><p>　?。?）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法</p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是效仿人腦神經(jīng)元系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的大量連接形成一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。預(yù)先建立網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，并通過大量的實(shí)驗(yàn)樣本對(duì)其收集數(shù)據(jù)，從而對(duì)電池 SOC進(jìn)行估算。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的特性是非線性的，可以較好的模擬電池動(dòng)態(tài)特征，因此，動(dòng)態(tài)估算電池SOC有較好的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要大量的樣

102、本數(shù)據(jù)進(jìn)行采收集，對(duì)SOC 估算精度收集的數(shù)據(jù)影響很大。</p><p>　　3.7.3 本文設(shè)計(jì)估算方法</p><p>　　通過對(duì)比以上常用的幾種估算SOC的方法，如果單獨(dú)使用其中任何一種方法來估算電池 SOC或多或少會(huì)存在著一定的缺陷。本文設(shè)計(jì)采用將開路電壓法和安時(shí)法相結(jié)合的使用的方法對(duì)電池組的SOC進(jìn)行估算，通過開路電壓法確定電池SOC的初始值，結(jié)合安時(shí)法計(jì)算電池組動(dòng)態(tài)過程中SO

103、C [16]。</p><p>　　為了消除利用安時(shí)法難以確定電池SOC初始值的問題，當(dāng)每次啟動(dòng)電池系統(tǒng)時(shí)，或者電池系統(tǒng)暫時(shí)不工作時(shí)，可利用開路電壓法進(jìn)行校準(zhǔn)電池組SOC值。圖 3-19 為磷酸鐵鋰電池SOC值和電池開路電壓值(OCV) 的曲線圖。根據(jù)磷酸鐵鋰電池OCV-SOC曲線確定SOC初始值。 </p><p>　　圖3-19 OCV-SOC曲線</p><p&

104、gt;　　利用開路電壓—安時(shí)法相結(jié)合的方法來建立以下磷酸鐵鋰電池SOC估算的數(shù)學(xué)模型： </p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式3-7中，為初始的SOC，t為時(shí)間，i為電流。 </p><p>　　3.8 告警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖3-20所示，當(dāng)主控芯片的I/O口輸出低電

105、平時(shí)，三極管處于斷開狀態(tài)，蜂鳴器電路不工作；當(dāng)主控芯片的I/O 口輸出高電平時(shí)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，則蜂鳴器告警電路工作，并發(fā)出告警聲音。</p><p>　　圖3-20 告警電路圖</p><p>　　主控模塊檢測(cè)到故障時(shí)控制蜂鳴器發(fā)出告警音告知駕駛員和維護(hù)人員，可以在顯示屏上查詢告警的故障原因 (故障顯示信息有總電壓過低，充放電電流過大，單體電壓過低、過高，溫度過高，SOC過低等一級(jí)

106、故障)。</p><p><b>　　3.9 保護(hù)功能</b></p><p>　　如表3所示，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)電池管理系統(tǒng)做出相應(yīng)的控制，來保護(hù)電池和整車的運(yùn)行。一級(jí)故障，顯示屏報(bào)警同時(shí)CAN總線也可以上報(bào)，負(fù)載或充電機(jī)功率下降；二級(jí)故障，延時(shí)3秒切斷相應(yīng)繼電器而切斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；充電和放電是同用一個(gè)繼電器。切斷相應(yīng)繼電器復(fù)位條件是BMS重新上電即可復(fù)位。</p&

107、gt;<p>　　表3-1 BMS保護(hù)方式</p><p><b>　　續(xù)表3-1</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.1 采集模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　采集模塊主要用于單體電池電壓、溫度采集和箱體風(fēng)扇控制的信息采集模塊?；贑8051F340的采集模塊

108、程序設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了相關(guān)的保護(hù)程序和CAN總線模塊進(jìn)行信息傳遞。采集模塊程序流程圖如4-1。</p><p>　　圖4-1 采集模塊流程圖</p><p>　　初始化：寄存器的初始化，定時(shí)器初始化，A/D初始化，I/0端口初始化、CAN初始化。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集：I/O口控制采集電路，采集電壓與溫度值。</p><p>　　執(zhí)行過

109、程：判斷電壓，溫度是否超過閥值而做相應(yīng)動(dòng)作。</p><p>　　CAN通信: 通過CAN上報(bào)相關(guān)電池信息給電池管理系統(tǒng)的主控模塊。</p><p>　　4.1.2 主控模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　主控程序主要功能是實(shí)現(xiàn)總電壓、總電流采集、SOC估計(jì)、絕緣故障檢測(cè)以及CAN通信等功能。主控模塊流程圖如4-2所示：</p><p>　　

110、圖4-2 主控模塊流程圖</p><p>　　1.初始化：寄存器的初始化，定時(shí)器初始化，A/D初始化，I/0端口初始化、CAN初始化。</p><p>　　2. 數(shù)據(jù)處理：采集電池組總電流、絕緣電阻值信息，并計(jì)算SOC值。</p><p>　　3.電池狀態(tài)判斷：主要是檢測(cè)電池的放電狀態(tài)和電池的充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電池故障檢測(cè)和安全管理。</p><p