畢業(yè)設計---電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　不 </b></p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p>　　論文題目：電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設計 </p><p>　　專業(yè)班級： 電氣2010 </p><p>　　學生姓名：

2、 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2012年5月28 日 </p><p>　　電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電動汽

3、車作為傳統(tǒng)燃油汽車的替代方案逐漸成為研究熱點。但是電池及電池管理卻是制約電動汽車發(fā)展的瓶頸，因為有限的續(xù)駛能量不能滿足電動汽車市場化、實用化的要求。在電池自身容量已經(jīng)確定的情況下，對電池組有效地監(jiān)控、管理，成為延長電池組使用壽命，從而提升電動汽車續(xù)駛里程的重要手段。</p><p>　　本文針對鋰離子電池組的工作特點，詳細的設計了一套功能完善的電動汽車電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，實現(xiàn)了對電池組及組內(nèi)單體

4、的監(jiān)控和管理。本文首先介紹了電池管理系統(tǒng)的整體功能和結(jié)構(gòu)，并詳細說明了系統(tǒng)內(nèi)各模塊的硬件設計原理。其次，建立電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點之間的通訊，并設計了 CAN 應用層協(xié)議，完成系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)和命令的有效傳輸。此外，根據(jù)系統(tǒng)硬件資源，擴展獨立 CAN 收發(fā)模塊實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡通訊。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 電動汽車 電池管理系統(tǒng) CAN總線 均衡充電</p&

5、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的背景1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3課題研究內(nèi)容3</p><p>　　第2

6、章電池管理系統(tǒng)的硬件設計4</p><p>　　2.1電池管理系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.1.1 鋰離子電池的工作原理及工作特性4</p><p>　　2.1.2 電池管理系統(tǒng)的基本功能5</p><p>　　2.1.3 電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2系統(tǒng)硬件設計7&

7、lt;/p><p>　　2.2.1 主控制板硬件設計7</p><p>　　2.2.2 采集板硬件設計15</p><p>　　第3章電池管理系統(tǒng) CAN 通訊設計20</p><p>　　3.1CAN 總線技術(shù)介紹20</p><p>　　3.2電池管理系統(tǒng) CAN 通訊協(xié)議設計21</p>

8、<p>　　3.2.1 CAN 總線通訊協(xié)議簡述21</p><p>　　3.2.2 CAN模塊外圍硬件設計22</p><p>　　3.2.3 電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡應用層協(xié)議設計23</p><p>　　3.2.4 電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 通訊協(xié)議27</p><p><b>　　結(jié) 束 語29

9、</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p>　　附錄：管理系統(tǒng)實物照片33</p><p><b>　　圖 例</b></p><p>　　圖 21電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6</p><p>　　圖 22 PCA21125讀時序

10、圖9</p><p>　　圖 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口電路9</p><p>　　圖 24備用電池充電電路10</p><p>　　圖 25主控板總電壓采集電路11</p><p>　　圖 26主控板總電流采樣電路12</p><p>　　圖 27電源濾波電路1

11、2</p><p>　　圖 28 TLE8366EV50電路設計13</p><p>　　圖 29硬件喚醒電路14</p><p>　　圖 210 CAN喚醒電路14</p><p>　　圖 211 LTC6802-2基本結(jié)構(gòu)框圖16</p><p>　　圖 212采樣電路的設計17</p&g

12、t;<p>　　圖 213溫度傳感器采樣電路18</p><p>　　圖 214外部均衡電路18</p><p>　　圖 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60電路連接19</p><p>　　圖 216 LTC6802-2讀寫時序圖19</p><p>　　圖 31 CAN 節(jié)點的分層結(jié)構(gòu)和功能2

13、2</p><p>　　圖 32 TJA1040基本通訊電路22</p><p>　　圖 33 TJA1041基本通訊電路23</p><p>　　圖 34電池管理系統(tǒng)內(nèi)部CAN網(wǎng)絡節(jié)點24</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題研究的背景

14、</b></p><p>　　當今，傳統(tǒng)燃油汽車在國外發(fā)達國家已經(jīng)大范圍普及，我國的燃油汽車數(shù)量也成高速增長的趨勢，一些大城市的家庭汽車擁有率已經(jīng)很高。然而，面對日益減少的燃油數(shù)量和持續(xù)上漲的燃油價格，以及由于汽車尾氣排放所造成的環(huán)境問題，人們希望能夠找到傳統(tǒng)燃油汽車的替代產(chǎn)品。目前，較為熱點的研究車型包括燃料電池汽車（FCV）、混合動力汽車（HEV）和純電動汽車（PEV）。</p>&

15、lt;p>　　電動汽車（EV）是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車具有如下優(yōu)點：無污染，可以做到零排放；噪聲低，電動機的噪聲遠小于內(nèi)燃機車；能源效率高，尤其適合于城市工況下頻繁地起步停車；能源多樣化，向蓄電池充電的電力可由煤炭、風力、水力、核能、太陽能等能源轉(zhuǎn)化；結(jié)構(gòu)簡單易維修，傳動部件少，且電動機的操縱簡單，無需換檔。上述優(yōu)點決定了電動汽車發(fā)展的優(yōu)勢。&l

16、t;/p><p>　　電動汽車的組成包括電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機械系統(tǒng)、完成既定任務的工作裝置等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，由驅(qū)動電動機、電源和電動機的調(diào)速控制裝置等組成，是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機汽車相同。目前，在驅(qū)動電機設計以及電動機的調(diào)速控制方面，技術(shù)相對較為成熟、完善，相比之下，由于動力電池的壽命短，成本高，使其成為電動汽車技術(shù)發(fā)展中的瓶頸。</p

17、><p>　　電池的作用是為電動汽車的驅(qū)動電動機提供電能，電動機將電源的電能轉(zhuǎn)化為機械能，通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。電池是電動汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，要想較大范圍內(nèi)應用，甚至普及電動汽車，就要依靠安全、可靠、持久、低廉的電池組。目前比較看好的是鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池。</p><p>　　較其它類型的二次電池，鋰離子蓄電池具有如下的優(yōu)點：單體電壓較高，比能量大，比功率高，自

18、放電小，無記憶效應，循環(huán)特性好，可快速放電且效率高。這些優(yōu)點使其成為較有前景的儲能方案。但是，鋰離子電池由于其自身的化學特性和物理特性限制，以及應用于工況下的實際要求，作為電池組串接使用的時候需要配以動力電池管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對電池組的監(jiān)控、管理、保護和報警等功能。例如，電動汽車行使過程中電池組過流放電的保護，單體電池欠壓使用、過壓充電等的判斷和報警。因此，除了電池自身的質(zhì)量提高外，使用過程中的監(jiān)控和管理也是對電池組的有效保護，同樣可以提

19、高電池組的使用壽命和使用效率。此外，準確的電池荷電狀態(tài)（SOC）的估算，可以對電池續(xù)駛能量做出及時、準確地預測，駕駛?cè)藛T可依據(jù)此參數(shù)選擇充電時機。</p><p>　　由上可見，電池管理系統(tǒng)作為電動汽車技術(shù)研究當中的一個重要組成部分，也是關(guān)鍵部分，在電動汽車的產(chǎn)業(yè)化、市場化發(fā)展中起到重要的意義。因為，功能完善、荷電狀態(tài)（SOC）估算準確、成本低廉的電池管理系統(tǒng)不僅可以為電動汽車的動力電池組提供安全良好的運行保證，

20、還可以降低電動汽車的整車成本以普及電動汽車的大眾化要求。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　上世紀末開始凸現(xiàn)的能源問題、環(huán)境保護問題成為了社會關(guān)注的重要問題，同時也促進了電動汽車的發(fā)展。于是，具有零排放、無污染的電動汽車逐漸被重視起來，各國都制定了相關(guān)的鼓勵政策。典型的例子如美國，1993 年 9 月，美國政府提出了 10 年完成

21、的“新一代汽車合作計劃”(PNGV)，由政府牽頭，組織幾十個公司和機構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟性和開發(fā)電動汽車的規(guī)定目標。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動汽車的長遠規(guī)劃，調(diào)動社會上各種力量參與電動汽車的研制。電動汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實際應用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。我國在電動汽車發(fā)展方面也取得了長足的進步。由國家科學技術(shù)部立項的 863 電動汽車專項取得了顯著的進展。整車方面已初步

22、形成了產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，純電動、混合動力和燃料電池汽車功能樣車均已實現(xiàn)。</p><p>　　電池及電池管理是電動汽車發(fā)展的瓶頸。我國在電池管理方面才剛剛起步，在電動汽車研究水平比較發(fā)達的一些國家，他們的研究工作也不完善，電池管理還不是很成熟。如何實現(xiàn)無損、低損的電池充電監(jiān)控、電池組工況下放電監(jiān)控、避免過放電現(xiàn)象等，同時對電池進行實時的或定期自動檢測、診斷和維護，最大限度地保證電池的可靠運行，國內(nèi)外都在進行研究。&l

23、t;/p><p>　　在德國，西門子公司在其開發(fā)的電動汽車上安裝了一個電池管理系統(tǒng)，電動汽車充電時，電池管理系統(tǒng)能跟蹤電池充電特性，控制充電器對電池進行優(yōu)化充電。法國電動汽車計劃設計了一個隨車電池管理系統(tǒng)來管理電動汽車上的電池組，進行電池壽命記錄、充電監(jiān)控、行駛過程中的電池組管理以及剩余電量顯示等功能。日本的新能源汽車發(fā)展也非常迅速，且技術(shù)較成熟完善。本田公司在其電動汽車上安裝的電池管理模塊包括了管理控制模塊、車載充

24、電器、慣性控制開關(guān)、高壓系統(tǒng)安全檢測裝置等。</p><p>　　我國電池管理研究及設計方面這些年有了明顯的進步。國內(nèi)一些工科強校都有了較成熟的設計方案。清華大學對電動汽車電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的設想</p><p>　　中，系統(tǒng)由六個子電路組成：信號輸入電路；V/F變換器(電壓/頻率變換電路)；光電隔離電路；微處理器控制電路(MCU)；輸入輸出電路；RS-232 串行口通信電路。北京航空航

25、天大學，北京理工大學，北京交通大學，哈爾濱工業(yè)大學以及上海交通大學，同濟大學等高校都對電池管理方案有了較深入的研究，電池組涉及鎳氫電池，鉛酸電池，鋰離子電池等，都取得了長足的進步，有的設計成果已經(jīng)成功裝配于電動汽車樣車進行實驗應用。</p><p><b>　　課題研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文研究對象為電動汽車動力電池組，研究目標為對動力電池組進行有效地

26、監(jiān)控和管理，保證電池組的使用安全。根據(jù)上述的研究目標，本文首先根據(jù)鋰離子電池的化學、物理特性和電池成組后的特點，對管理方案的功能實現(xiàn)、拓撲結(jié)構(gòu)、器件選擇進行了設計并優(yōu)選。最終確定了分布式的電池管理結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分采集板，控制板兩個部分：采集板完成對電池組單體電池參數(shù)的采集；控制板負責檢測主回路，以及核心計算和監(jiān)控。同時，建立管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸；擴展 CAN 模塊，使電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡通

27、訊。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　本章將具體描述電池管理系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)以及各部分的組成。著重介紹系統(tǒng)各部分的硬件設計，分析硬件原理和實現(xiàn)功能。根據(jù)管理系統(tǒng)的設計結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的控制板、采集板的硬件設計分別進行了詳細地說明。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)</p><p>　　鋰離子電池的工作原

28、理及工作特性</p><p>　　目前最常用的鋰離子電池負極材料為石墨晶體，正極為鋰鈷氧化物（LiCoO2 ）。主要的化學反應方程為：</p><p>　　負極反應：Li++e-+6CLiC6</p><p>　　正極反應：LiMO2Li(1-X)MO2+ xLi++ xe-</p><p>　　總反應式：LiMO2+ 6xC Li(1-X

29、)MO2+ xLiC6</p><p>　　充電時，正極中的鋰原子電離成鋰離子和電子。得到外部輸入能量的鋰離子，在電解液中由能量較低的正極向能量較高的負極遷移，并且鋰離子和電子在負極上復合成鋰原子。重新形成的鋰原子插入到石墨晶體的晶狀層之間。</p><p>　　放電時，插入到石墨晶狀層中的鋰原子從石墨晶體內(nèi)部向負極表面移動，并在負極表面電離成鋰離子和電子。鋰離子和電子分別通過電解質(zhì)和負載

30、流向正極，在正極表面復合成鋰原子，然后插入到氧化鈷鋰的晶狀層中。</p><p>　　在充電過程中，鋰離子電池通常采用恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電方式[7]。充電開始階段一般以 1C的充電倍率進行恒流充電，當組內(nèi)單體電池電壓上升到設定值 4.2V時，轉(zhuǎn)入恒壓充電，恒壓為電池組總電壓，充電電流迅速下降。放電過程中，放電電流不同，同樣容量的電池放電時間也不同。放電電流越小，也就是放電速率越慢，放電時間越長，反之亦成立。當環(huán)境溫度

31、為 0 攝氏度時，放電容量可以達到額定容量；高于 0 攝氏度時，放電容量高于額定容量，在 21 攝氏度時放電容量是最高的，此時電池電壓下降是最慢的；電池溫度過高應斷電。充放電循環(huán)過程中，在環(huán)境溫度為 20 攝氏度時，電池能發(fā)揮它的最大性能，實驗證明經(jīng)過 700次充放電循環(huán)后，電池容量仍可達到額定值的 80%以上。電池長期工作在這個溫度附近是比較理想的。由上可見，電池的使用與它的電壓、電流、溫度，容量等各參數(shù)有關(guān)，要想最大限度地使用和利用

32、電池放電，電池組就需要配有專門的電池管理系統(tǒng)對各狀態(tài)參數(shù)進行有效地監(jiān)控和管理。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)的基本功能</p><p>　　根據(jù)鋰離子電池的化學、物理特性，以及成組工作于工況下的參數(shù)限制要求，</p><p>　　設計電池管理系統(tǒng)的基本功能如下：</p><p>　　電池組內(nèi)每節(jié)電池的單體電壓、電池組內(nèi)固定節(jié)點的節(jié)點溫度采

33、集；電池組總電壓，充、放電時總電流的采集。</p><p>　　單體電池過壓、欠壓，充電時電池組總電壓過壓、總電流過流；汽車行駛中放電時總電壓欠壓，總電流過流；電池組溫度異常等故障信息的判斷，以及二級報警；同時采取故障保護措施（如主回路繼電器控制、風扇啟動控制）。</p><p>　　根據(jù)采集上來的電壓、電流、溫度等參數(shù)，對電池組的荷電狀態(tài) SOC（State of Charge）進行在線

34、估算，并對可續(xù)駛里程做出預報，作為駕駛員行駛參考。</p><p>　　在調(diào)試和維護階段，與上位 PC 機串行異步口通訊，上傳電池組狀態(tài)信息，接收上位機發(fā)送的控制指令和參數(shù)修改指令；同時上位機具備電池狀態(tài)參數(shù)自動存儲功能，以 Excel 形式存儲電池管理系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。</p><p>　　與電動汽車整車 CAN 網(wǎng)絡通訊，上傳電池組狀態(tài)信息、故障信息給整車控制器，同時接收控制指令。電池管

35、理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡各節(jié)點間通訊。</p><p>　　對電池組內(nèi)各單體電池間不一致性進行判斷，控制均衡充電模塊。確定均衡充電時機，計算均衡充電的輸出電壓值大小，以及填寫相應的 PWM 信號占空比實現(xiàn)均衡輸出電壓的控制，用來減小電池組內(nèi)單體的不一致性。</p><p><b>　　電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　如上一小節(jié)所

36、述，電池管理系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能復雜，采集和處理的數(shù)據(jù)數(shù)量巨大、種類較多，并要求快速、準確地傳輸，且對運算能力有較高的要求。根據(jù)功能要求，設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由多塊采集板和一塊主控制板構(gòu)成，各板之間通過電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡進行通訊。</p><p>　　采集板對電池組內(nèi)每節(jié)電池的單體電壓、固定節(jié)點的節(jié)點溫度進行采集。每塊

37、采集板巡檢 32 節(jié)單體和 8 個節(jié)點的溫度傳感器。三塊采集板共完成 96 節(jié)電池單體電壓和 24 點節(jié)點溫度采集。</p><p>　　主控制板對電池組總電壓、總電流進行采集，同時根據(jù)上傳的單體電壓和溫度參數(shù)判斷系統(tǒng)是否故障。針對故障信息，分級報警，并采取保護動作，控制繼電器的通斷。與實時時鐘模塊接口，讀取絕對時間，用于計算電池組掉電靜置時間。主控制板除了與電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡通訊外，利用擴展的 CA

38、N 模塊與整車 CAN 網(wǎng)絡通訊。通過串行通訊口，主控制板還完成與上位 PC 機的通訊，實現(xiàn)上位控制界面下的監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲。</p><p>　　圖 21電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設計</b></p><p><b>　　主控制板硬件設計</b></p><p>　　

39、2.2.1.1 主控芯片的選擇</p><p>　　如前所述，系統(tǒng)功能復雜，接口方式眾多，數(shù)據(jù)類型多、數(shù)量大，且對系統(tǒng)的實時性和運算能力有較高的要求，因此應盡量選用集成度較高，運算速度快，存儲量大的芯片作為核心控制器。此外，在電池組重要參數(shù)SOC的估算中，要求核心芯片計算速度快、精度高，且編程語言簡潔快速。綜上，本系統(tǒng)選用了Freescale公司的S12系列的MC9S12XEP100RMV1作為系統(tǒng)的核心控制器。

40、該芯片具有以下優(yōu)點：</p><p>　　芯片集成度高，片上自帶 AD 采樣模塊，SCI 通訊模塊，SPI 通訊模塊，CAN收發(fā)模塊，同時其112pin提供了充分的I/O口。</p><p>　　片內(nèi)高達 1M 字的 FLASH 程序存儲器，高達 64K 字的數(shù)據(jù)/程序 RAM，4K的EEPROM，存儲空間充分。</p><p>　　芯片內(nèi)核具有在線編程能力和保密機

41、制，無需外加編程電壓，最短整體擦除時間僅100ms，1M字節(jié)頁擦除時間僅40ms。S12內(nèi)部總線速率最高可達50MHz，即20ns的最小指令周期，可滿足運算的快速性和準確性，以及系統(tǒng)監(jiān)控的實時性，尤其對于多參數(shù)變量的 SOC 估算算法。</p><p>　　帶內(nèi)置采樣/保持電路的 12 位 AD 轉(zhuǎn)換模塊，可編程的采樣時間，具有16通道，多觸發(fā)源啟動 AD 轉(zhuǎn)換?？蓾M足采樣精度和速度的要求。</p>

42、<p>　　自帶看門狗定時器模塊和基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。</p><p>　　面向汽車應用的AEC Q100標準認證。</p><p>　　在電池管理系統(tǒng)的設計中,單片機采用的8MHz外部有源晶振,總線頻率達到50MHz。由于采用5V供電和外部有源晶振,該系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力。電動汽車的實際應用環(huán)境比較復雜,電磁干擾強烈,為了防止單片機在高干擾情況下死機或工作異常,需采用

43、外部復位芯片來監(jiān)控單片機的工作,保證單片機在異常情況下能夠可靠復位,盡快恢復狀態(tài)。復位芯片采用MAX706,在正常工作時,每1.6s之內(nèi)給MAX706輸入一個信號,表明CPU的工作狀態(tài)。當MAX706在1.6s內(nèi)沒有收到信號,會將單片機的復位管腳拉低,使復位,回到正常工作狀態(tài)。</p><p>　　2.2.1.2 實時時鐘接口設計</p><p>　　在電池組荷電狀態(tài) SOC 估算中，需要

44、考慮電動汽車長時間靜置時的電池組自放電問題，計算自放電能量損耗。應用實時時鐘提供絕對時間，電池組參照當前時間以及前次系統(tǒng)斷電時間，可得靜置時間，作為自放電計算參數(shù)。</p><p>　　PCA21125是低功耗的CMOS實時時鐘/日歷芯片，工作溫度高達125℃。數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸，最大總線速率高達6.0Mbit/s。報警和定時器功能產(chǎn)生一個喚醒信號，喚醒中斷管腳。通過汽車應用的標準認證AEC Q100。主要特

45、性如下：</p><p>　　基于32.768kHz的晶振，提供年、月、日、星期、時、分和秒時鐘； </p><p><b>　　分辨：秒到年； </b></p><p>　　時鐘操作電壓：1.3V~ 5.5V； </p><p>　　低工作電流：典型值為0.55μA（VDD=3.0V，Tamb=25℃） </p&

46、gt;<p>　　3線的SPI總線，可作為獨立的數(shù)據(jù)輸入和輸出； </p><p>　　串行接口電壓：1.6V~5.5V； </p><p>　　1秒或1分鐘中斷輸出； </p><p>　　可編程的定時器中斷輸出； </p><p>　　可編程的報警功能中斷輸出； </p><p><b>　

47、　集成晶振；</b></p><p><b>　　內(nèi)部上電復位； </b></p><p><b>　　開漏中斷管腳。 </b></p><p>　　PCA21125接口方式是3線SPI，即SDO，SDI，SCL，而MC9S12XEP100RMV1自帶2路SPI接口，無需外部接口芯片，可直接與芯片進行接口，實現(xiàn)

48、兩者之間的通訊。芯片讀時序如圖2-2所示。</p><p>　　圖 22 PCA21125讀時序圖</p><p>　　如圖2-3所示，芯片采用5V供電，通過SPI通信，外接32.768K晶振，同時有Battery備用電源，在5V電斷開的情況下可使PCA21125正常工作，圖2-2所示，SPI第一階段8bit是寫命令階段，把SDI命令寫入PCA21125，然后第二、三字節(jié)分別是讀取年月時

49、間，數(shù)據(jù)有SDO發(fā)出，MC9S12XEP100RMV1接受。</p><p>　　圖 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口電路</p><p>　　圖2-3所示，電路中使用了Battery備用電池，最高電壓可達4.2V，防止在掉電時PCA21125內(nèi)部時鐘初始化，由于備用電池體積較小，無法長期維持，故設計了針對Battery電池充電電路，對于不需要備用電池時，可以

50、對備用電池進行充電。如圖2-4所示。</p><p>　　圖 24備用電池充電電路</p><p>　　圖2-4所示，電路中采用linear公司的充電芯片，使用5V供電就可以對電池進行充電，通過1K電阻對充電電流進行調(diào)節(jié)，最大可達90mA電流，最高充電電壓可達4.2V，不會對備用電池造成損害。LTC4054電路充分保證了實時時鐘供電的需求。</p><p>　　2

51、.2.1.3 采樣電路的設計</p><p>　　主控制板需要對電池組充、放電過程中的總電壓、總電流進行采樣、監(jiān)控，防止電池組出現(xiàn)過充電、過放電的現(xiàn)象。同時，總電壓、總電流參數(shù)用來計算充、放電安時數(shù)以及估算電池組荷電狀態(tài) SOC。因此，快速、準確地總電壓、總電流采集是管理系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控和保護功能的基礎，更是精確估算 SOC 的重要保證。下面分別介紹電池組總電壓、總電流采樣電路的設計原理。</p>&l

52、t;p><b>　　總電壓采集設計：</b></p><p>　　電池組為96只單體鋰離子電池，每只鋰離子電池的電壓范圍為3.6V到4.2V，因此，電池組總電壓的采集范圍為 400V 左右。</p><p>　　經(jīng)過比較選擇，最后選用LEM公司的電壓霍爾傳感器LV 28-P。該電壓傳感器原邊與副邊絕緣，可用于測量直流、交流和脈沖電壓。額定電壓 500V，轉(zhuǎn)換率

53、2500：1000，±15 伏供電電壓，總精度±0.6%，線性度<0.2%，響應時間40us。該霍爾傳感器具有出色的精度，良好的線性度，快速的反應時間和較強的抗干擾能力，可以滿足系統(tǒng)設計要求?？傠妷翰蓸与娐啡鐖D 2-5 所示。</p><p>　　如圖 2-5 所示，電池組總電壓經(jīng)原邊輸入電阻Rin后產(chǎn)生原邊電流，電壓霍爾傳感器線圈將此電流變比后傳感器副邊輸出電流信號，選擇測量電阻Rm使

54、副邊側(cè)輸出 4.5V以下的電壓信號，串接可調(diào)電阻接地用于微調(diào)。電壓信號經(jīng)RC濾波電路和二極管鉗位接入MC9S12XEP100RMV1的AD輸入端。AD端測量的電壓值乘上變比系數(shù)便可得到實際的總電壓值。</p><p>　　圖 25主控板總電壓采集電路</p><p><b>　　總電流采樣設計：</b></p><p>　　在電池組充電、放電

55、過程中，還需要檢測電池組的總電流。根據(jù)電流采樣值，對充、放電電量進行安時積分，同時還要依據(jù)電流值進行 SOC 的估算。</p><p>　　本設計中，根據(jù)電流范圍和精度要求，選用LEM公司的閉環(huán)補償式電流霍爾傳感器DHAB S24。該電流霍爾元件可采樣直流、交流和脈沖電流，且原邊側(cè)強電與副邊側(cè)電子電路之間隔離，雙通道電壓輸出，在0~60A具有更高的精度，雙通道偏置電壓均為2.5V，通道一主要檢測-60A到60A小

56、電流并以偏置電壓2.5V輸出，例：在充電電流0~60A以每安26.7毫伏電壓升高，同樣放電電流-60A~0A已每伏26.7毫伏電壓下降；通道二主要檢測60A到500A和-60A到-500A電流并以偏置電壓2.5V輸出，例：在充電電流60A~500A以每安4毫伏電壓升高，同樣放電電流-60A~0A已每伏4毫伏電壓下降。傳感器理論邊緣額定電流為 500A，單電源5V供電電壓，精度±1%，線性度<0.1%，響應時間<1u

57、s，工作溫度范圍在-40℃~125℃，該模塊具有較高的精度和線性度，較低的溫漂和較短的響應時間，符合系統(tǒng)設計要求。</p><p>　　圖 26主控板總電流采樣電路</p><p>　　總電流采樣電路如圖2-6所示，電流傳感器由5V供電，輸出端是電壓信號，通道1和通道2分別經(jīng)過電壓跟隨然后經(jīng)過RC濾波電路接入單片機的AD采樣口。AD測量的值減去偏移量并乘上比例系數(shù)便可得到實際的總電流值。

58、</p><p>　　2.2.1.4 電源部分的設計</p><p><b>　　濾波電路：</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)采用整車的低壓輔助電池供電,額定電壓為24V.但車輛在運行過程中會在輔助電池兩端的電壓上造成尖峰或跌落(例如發(fā)動機點火瞬間!高壓繼電器閉合和斷開瞬間等),因此管理系統(tǒng)的工作范圍需要設置在18~28V區(qū)間。為了保證

59、管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,需要在電源輸入端加入濾波電路,以去除整車帶來的電源干擾。由于整車電氣布置的特點為24伏地與車身（機殼）直接相連,因此不宜采用常見的濾波器中間抽頭接機殼的方式。</p><p>　　圖 27電源濾波電路</p><p>　　圖2-7為電源濾波電路。為了防止現(xiàn)場施工時反接電源線對電池管理系統(tǒng)造成損害,在電源處加入防反接二極管保險在電池管理系統(tǒng)電源短路的情況下使管理系統(tǒng)脫離

60、整車電源,不影響整車低壓電源供電為了防止高壓繼電器閉合斷開瞬間在電源上產(chǎn)生的電壓尖峰,在電源輸入線路前端加入二極管D11吸收尖峰加入共模扼流圈抑制共模電壓</p><p>　　主控板電源芯片的選用：</p><p>　　主控電路的單片機需要5V供電，而車載蓄電池始終是24V或12V供電，為了滿足供電要求，本設計采用了infineon公司DC/DC系列TLE8366EV50，如圖2-8所示。

61、</p><p>　　圖 28 TLE8366EV50電路設計</p><p>　　圖2-8所示，TLE8366EV50車載電源VS端輸入增加了一個電感，主要用于差模濾波，EN使能端表面，EN電壓不能大于VS電壓，LBU和CBU1和CBU2構(gòu)成了穩(wěn)壓電路，芯片自帶370KHz開關(guān)頻率，可以通過CCOMP和RCOMP來矯正頻率。</p><p>　　TLE8366E

62、V50主要特點如下：</p><p>　　最大輸出電流可達1.8A；</p><p>　　輸出電壓精度可達5V±2%；</p><p><b>　　集成功率晶體管；</b></p><p><b>　　PWM反饋調(diào)節(jié)；</b></p><p>　　輸入電壓最低可達4

63、.5V，最高可達45V</p><p>　　工作溫度為-40℃~150℃</p><p>　　面向汽車應用的AEC Q100標準認證。</p><p>　　在電源部分設計中，正常情況下管理系統(tǒng)處理休眠狀態(tài)，故TLE8366EV50不工作時，管理系統(tǒng)滿足最低功耗，鋰電池使用中，管理系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)，喚醒方法主要有二種：</p><p>　　硬件

64、喚醒：外部信號通過TLE8366EV50器件上的使能腳對電源芯片直接硬件信號喚醒，如圖2-9所示；</p><p>　　圖 29硬件喚醒電路</p><p>　　圖2-9所示，在硬件喚醒中，外部輸入Charger_KEY是充電槍信號輸入，通過兩個100K的電阻分壓后直接給TLE8366EV50器件的EN腳，對電源芯片進行喚醒，電源喚醒后輸出5V電源，to BMU I/O直接通過單片機I/

65、O進行采樣，采集信號是否為Charger_KEY信號。</p><p>　　CAN喚醒：整車控制系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡層通過CAN喚醒，隨后CAN器件輸出一個電壓信號用來喚醒TLE8366EV50器件，如圖2-10所示；</p><p>　　圖 210 CAN喚醒電路</p><p>　　如圖2-10所示，在CAN喚醒電路中，常電VS，整車控制器通過CAN總線發(fā)送CA

66、N信號，隨后CAN收發(fā)器響應，在EN輸出端輸出電壓信號，經(jīng)分壓后直接給TLE8366EV50上的EN腳。</p><p>　　通過設計比較，在本設計中，電動汽車充電時采用的喚醒方式是硬件喚醒，正常使用中整車控制器對管理系統(tǒng)進行喚醒采用CAN喚醒；本設計的CAN電路會在第三章重點介紹。</p><p><b>　　采集板硬件設計</b></p><p

67、>　　2.2.2.1 單體電壓采集芯片的選取</p><p>　　電池管理系統(tǒng)需要完成對電池組內(nèi)多節(jié)節(jié)串聯(lián)單體的單體電壓進行巡檢，系統(tǒng)設計分布式的模塊化電壓采集結(jié)構(gòu)。每塊采集板順序采集12節(jié)單體電池的單體電壓。</p><p>　　Linear公司的LTC6802-2 是一款完整的電池監(jiān)視 IC，它內(nèi)置一個 12 位 ADC、一個精準電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口。每個

68、 LTC6802-2 能夠在總輸入電壓高達 60V 的情況下測量 12 個串接電池的電壓。所有 12 個輸入通道上的電壓測量都能在 13ms 的時間之內(nèi)完成。 可以把多個 LTC6802-2 器件串聯(lián)起來，以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池的電壓。每個 LTC6802-2 具有一個可單獨尋址的串行接口，因而允許把多達 16 個 LTC6802-2 器件連接至一個控制處理器并同時運作。 為了最大限度地降低功率，LTC6802-2 提供了一種測量

69、模式，旨在監(jiān)視每節(jié)電池的過壓和欠壓條件。另外，該器件還提供了一種待機模式，以把電源電流減小至 50μA。 每個電池輸入均具有一個相關(guān)聯(lián)的 MOSFET 開關(guān)，用于對任何過充電電池進行放電。 相關(guān)器件 LTC6802-1 提供了一個串行接口，從而可對多個 LTC6802-1 器件的串行端口進行菊鏈式連接，而無需使用光耦合器或光隔離器。由于考慮到本設計的復雜程度采用了LTC6802-2器件。</p><p>　　如圖

70、2-11所示，該芯片主要有以下特點：</p><p>　　可測量多達 12 個串聯(lián)鋰離子電池的電壓 (最大值為 60V) ；</p><p>　　可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn)了高電壓電池組的監(jiān)視 ；</p><p>　　可利用 4 位地址進行單獨尋址 ，采用SPI通訊；</p><p>　　0.25% 的最大總測量誤差 ；</p><

71、p>　　具固有FIR濾波處理電路的Δ∑ADC；</p><p>　　可在 13ms 的時間里完成一個系統(tǒng)中所有電池的測量 ；</p><p>　　電量平衡： 內(nèi)置無源電量平衡開關(guān)；提供片外無源電量平衡 ；</p><p>　　具兩個熱敏電阻輸入和內(nèi)置溫度傳感器 ；</p><p>　　具數(shù)據(jù)包誤差檢驗功能的 1MHz 串行接口 ；<

72、;/p><p>　　內(nèi)置精準3V基準和5V穩(wěn)壓器；</p><p>　　導線開路連接故障檢測 ；</p><p><b>　　低功率模式 ；</b></p><p>　　44 引腳 SSOP 封裝；</p><p>　　符合AEC-Q100標準。</p><p>　　圖 21

73、1 LTC6802-2基本結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2.2.1 采集板主控芯片選取</p><p>　　如前所述，LTC6802-2只有SPI通訊，不存在CAN通訊，并且LTC6802-2無法直接使用其單體電壓采樣需要一塊核心的單片機作為采集板的主控芯片，對LTC6802-2進行采集電壓、溫度和進行CAN通訊。</p><p>　　本設計采用了freesca

74、le公司的HCS08系列的MC9S08DZ60芯片作為采集板的主控芯片，該芯片具有以下優(yōu)點：</p><p><b>　　20M總線速率</b></p><p>　　整個工作電壓和溫度范圍內(nèi)可讀取/ 編程/ 擦除的Flash 存儲器60K，支持2K的EEPROM在線可編程內(nèi)存，最大4K的隨機存取內(nèi)存（RAM）；</p><p>　　芯片集成度高

75、，片上自帶 AD 采樣模塊，SCI 通訊模塊，SPI 通訊模塊，CAN收發(fā)模塊，多通道定時器，并支持32pin、48pin和64pin引腳封裝； </p><p>　　自帶看門狗定時器模塊和基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。</p><p>　　面向汽車應用的AEC Q100標準認證</p><p>　　2.2.2.2 單體電壓采集電路設計</p><p&

76、gt;　　本設計中采樣電路采用RC濾波，電阻和電容阻值和容值分別決定了其采樣精度，如表2-1所示 </p><p>　　表2-1 單體測量誤差與RC值</p><p>　　表2-1所示，當R=100Ω，C=0.1uF時，單體電池1~12串偏差最小，故本設計選擇如圖2-12設計電路，此電路設計已達到最大的單體電壓采樣精度。</p><p>　　圖 212采樣電路的設

77、計</p><p>　　圖2-12所示，分別選用100Ω和0.1uF形成RC濾波電路，由于LTC6802-2的Cn~C（n+1）耐壓值在-0.3V~9V之間，故在IC輸入端增加了一個7.5V/1W穩(wěn)壓管用于防止在有較高的脈沖電壓時損壞器件。</p><p>　　2.2.2.3 單體溫度采樣設計</p><p>　　LTC6802-2中自帶了兩路溫度傳感器，分別使用內(nèi)

78、部基準3V作為電源進行設計，如圖2-13設計電路，此電路采用100K精密電阻作為標準電阻對溫度傳感器進行采樣，并通過LTC6802-2上的SPI通訊經(jīng)過MC9S08DZ60運算后把溫度信息通過CAN總線傳送給主控板。</p><p>　　圖 213溫度傳感器采樣電路</p><p>　　2.2.2.4 均衡方案的設計</p><p>　　本設計采用了LTC6802

79、-2中自帶的外部均衡方案，如圖2-14所示，在Cn~C（n+1）之間并入一個PMOS管和一個功率電阻，通過LTC6802-2上的Sn管腳進行控制，使用15Ω電阻進行放電，此均衡方案具有電路簡單，成本低，效率高，經(jīng)過計算4.2V電壓在經(jīng)過15Ω電阻放電時最大可達到280mA電流。</p><p>　　圖 214外部均衡電路</p><p>　　2.2.2.5 通訊隔離方案設計</p&

80、gt;<p>　　如上所述，LTC6802-2的SPI沒有自帶隔離器件，在和MC9S08DZ60進行SPI通訊時是無法進行隔離的，本設計中有多個采集板（LECU）并聯(lián)在CAN網(wǎng)絡上，電池組的總電壓時串聯(lián)，這樣就存在高壓短路問題，為了解決這一問題，本設計采用了analog公司的ADUM2401磁隔離芯片，ADUM2401是一款四通道數(shù)字隔離器，2500V的隔離電壓，支持3V~5V供電電壓，高達90M bps通訊速率，如圖2-

81、15所示，LTC6802-2和MC9S08DZ60進行連接，Vreg使用LTC6802-2上的內(nèi)置的5V電壓，+5V電壓使用車載24V通過LDO降壓后的電壓與單片機同一個5V電壓。</p><p>　　圖 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60電路連接</p><p>　　通過圖2-15可以看出LTC6802-2和MC9S08DZ60之間使用一個磁隔離芯片進行隔離，隔離之間的通

82、訊使用SPI通訊，讀寫時序圖如圖2-16所示。</p><p>　　圖 216 LTC6802-2讀寫時序圖</p><p>　　設置MC9S08DZ60為主工作模式，8位數(shù)據(jù)長度， SPI口通訊波特率選擇 0.8MHz，MC9S08DZ60讀取LTC6802-2片上寄存器時，首先拉低CS，然后通過SDI向LTC6802-2發(fā)送命令字節(jié)（寫寄存器命令：0x01；讀寄存器命令：0x04,0

83、x08）讀數(shù)據(jù)時發(fā)送偽數(shù)據(jù)MC9S08DZ60的SDO腳接收由LTC6802-2發(fā)送的數(shù)據(jù)。</p><p>　　電池管理系統(tǒng) CAN 通訊設計</p><p>　　CAN 總線技術(shù)介紹</p><p>　　CAN，即控制器局部網(wǎng)（CAN－Controller Area Network），屬于現(xiàn)場總線范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN 最

84、初由德國BOSCH 公司為汽車的監(jiān)控、控制系統(tǒng)而設計的，具有極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力強，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。</p><p>　　具體來講，CAN具有如下特點：</p><p>　　CAN 為多主工作方式，網(wǎng)絡上的任意節(jié)點在任何時刻都可以主動地向其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，方式靈活。</p><p>　　可以進行點對點、一點對多點和全局廣播方式傳遞

85、信息。</p><p>　　CAN 網(wǎng)絡節(jié)點可以安排優(yōu)先級順序，以滿足和協(xié)調(diào)各自不同的實時性要求。</p><p>　　采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，多點同時發(fā)送信息時，按優(yōu)先級順序通信，節(jié)省總線沖突仲裁時間，避免網(wǎng)絡癱瘓。</p><p>　　通信速率快，最高可達 1Mbps（40m 以內(nèi)），最長傳輸距離達 10km（速率為 5kbps）。</p>&

86、lt;p>　　網(wǎng)絡節(jié)點最多可達 110 個，報文標識符可為標準標識符（11 位）或擴展標識符（29 位），標識符種類豐富。</p><p>　　短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，抗干擾能力強，校錯性能好。</p><p>　　通信介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜或光纖。</p><p>　　網(wǎng)絡節(jié)點在出現(xiàn)嚴重錯誤的情況下，自動關(guān)閉輸出功能，脫離網(wǎng)絡。</p>&l

87、t;p>　　CAN 總線通訊接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，實現(xiàn)標準化，規(guī)范化。</p><p>　　基于如上特點，CAN 總線可為工業(yè)控制系統(tǒng)提供可靠、快速和靈活的數(shù)據(jù)傳送方案，因此在工業(yè)控制領域中被廣泛應用。</p><p>　　在本課題中，電池管理系統(tǒng)最終應用于電動汽車內(nèi)部，車輛內(nèi)部有大量的干擾信號，且不可避免復雜、惡劣的行駛工況。基于前述 CAN 總線的諸多優(yōu)

88、點，電池管理系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡選用了 CAN 總線形式，可以大大地提高系統(tǒng)傳輸信號的抗干擾性和可靠性，同時高速的傳輸性能可以保證系統(tǒng)監(jiān)控的實時性。此外，汽車內(nèi)部總線多為 CAN 總線，采用 CAN 總線作為電池管理系統(tǒng)內(nèi)部通訊網(wǎng)絡方案有利于將來實現(xiàn)與電動汽車整車通訊標準的統(tǒng)一和匹配。</p><p>　　電池管理系統(tǒng) CAN 通訊協(xié)議設計</p><p>　　CAN 總線通訊協(xié)議簡述</

89、p><p>　　CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。在CAN總線通訊接口中，集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種編碼的優(yōu)點是使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長度最多為 8 個字節(jié)，可滿足控制指令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，

90、8 個字節(jié)不會占用總線時間過長，可保證通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。</p><p>　　1991 年，德國 BOSCH 公司發(fā)布了 CAN2.0 規(guī)范。CAN2.0 規(guī)范分為 CAN2.0A和 CAN2.0B。CAN2.0A 支持標準的 11 位標識符；CAN2.0B 同時支持標準的 11位標識符和擴展的 29 位標識符。</p><

91、;p>　　CAN2.0B 規(guī)范的目的是為了在任何兩個 CAN-bus 的儀器之間建立兼容性。為使設計透明和執(zhí)行靈活，遵循 ISO/OSI 參考模型，CAN 分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。CAN 分層結(jié)構(gòu)和功能如圖 3-1 所示。</p><p>　　LLC子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠程數(shù)據(jù)請求提供服務，確認由LLC子層接收的報文實際已被

92、接收，為恢復管理和通知超載提供信息。在定義目標處理時，存在許多靈活性。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)，執(zhí)行仲裁，錯誤檢測，出錯標定和故障標定。MAC子層也要確定為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時特性也是MAC子層的一部分。MAC子層不存在修改的靈活性。物理層的功能是有關(guān)電氣特性不同節(jié)點間位的實際傳送。在一個網(wǎng)絡內(nèi)，物理層所有節(jié)點必須是相同的。</p><p>　　圖 3

93、1 CAN 節(jié)點的分層結(jié)構(gòu)和功能</p><p>　　CAN模塊外圍硬件設計</p><p>　　本設計使用了Philips公司的TJA1040和TJA1041，TJA1040的CAN收發(fā)器不帶CAN喚醒，用于本設計中的主控和采集板之間的通訊，TJA1041的CAN收發(fā)器自帶CAN喚醒，用于主控板和整車控制器之間的通訊。</p><p>　　作為主控板和采集板之間的

94、通訊，主控板時刻對單體電壓的監(jiān)控，波特率必須是高速的，本設計中采用了500K的波特率，如圖3-2所示。</p><p>　　圖 32 TJA1040基本通訊電路</p><p>　　圖3-2所示，RT1和RT2是終端電阻，增加CEMC1和CEMC2對抗干擾能力的提高和改善，VESD1和VESD2用于ESD保護，由于CAN傳輸是差分傳輸，故增加了共模電感，用來慮除共模干擾。</p&g

95、t;<p>　　主控板和整車控制器進行通訊時采用TJA1041作為可喚醒使能的CAN模塊，如圖3-3所示。</p><p>　　圖 33 TJA1041基本通訊電路</p><p>　　圖3-3所示，主控板處于休眠狀態(tài)時，VBT是車載24V/12常電，當外部CAN網(wǎng)絡有CAN數(shù)據(jù)，CANH和CANL上產(chǎn)生的差分信號符合CAN網(wǎng)絡協(xié)議時，INH輸出一個高電平對TLE8366E

96、V50的EN時能腳進行喚醒，隨后VCC5有5V電源輸出，單片機得電，主控板處于正常工作模式。 </p><p>　　電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡應用層協(xié)議設計</p><p>　　CAN2.0B 規(guī)范僅定義了 OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，而沒有規(guī)定 OSI模型的上層。當用戶要組建一個具有實際工作意義的 CAN 通訊網(wǎng)絡時，必須自己制定應用層協(xié)議。雖然目前已出臺幾種流行的高層協(xié)議標準

97、，如 CANopen、Devicenet、CAL、CANKingdom、SDS 等，但本設計中 CAN 網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目不是很多，而且不需要與國際標準設備進行接口，考慮到設計復雜度和成本，本系統(tǒng)自己規(guī)定了一個簡單的應用層協(xié)議，便可實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 子網(wǎng)的通訊需要。</p><p>　　3.2.2.1 節(jié)點分析</p><p>　　在高壓系統(tǒng)中，電動汽車總電壓最低標準為110V，最

98、高位660V，根據(jù)計算最大串數(shù)位178串，即采集板總數(shù)為15塊，一般通用接法如圖3-4所示。</p><p>　　圖 34電池管理系統(tǒng)內(nèi)部CAN網(wǎng)絡節(jié)點</p><p>　　圖3-4所示總線上分別掛有采集板1、采集板 2、采集板 n、一臺充電機以及電池管理系統(tǒng)主控制板。主控制板作為上位節(jié)點，控制整個總線網(wǎng)絡其他節(jié)點。每塊采集板向主控制板上傳采集的單體電壓信息和節(jié)點溫度信息，以及所監(jiān)測組內(nèi)

99、電池故障類型及故障位置。充電機節(jié)點接收主控制板發(fā)送的充電控制指令，和用于充電機面板顯示的當前電池狀態(tài)。</p><p>　　3.2.2.1 報文定義</p><p>　　電池管理系統(tǒng)內(nèi)部報文可分為三種：控制指令報文，狀態(tài)參數(shù)報文和故障信息報文。</p><p>　　控制指令報文：控制指令報文主要是主控制板對下位節(jié)點的控制信息，如采集板啟動上傳指令，充電機啟動以及充電

100、制式轉(zhuǎn)換指令（恒流充電轉(zhuǎn)恒壓充電控制指令）等。</p><p>　　狀態(tài)參數(shù)報文：狀態(tài)參數(shù)報文是指表示系統(tǒng)當前狀態(tài)的各數(shù)據(jù)變量。主要包括采集板上傳的單體電壓信息，節(jié)點溫度信息。充電機上傳的充電制式設定信息和當前充電狀態(tài)信息，以及主控制板發(fā)送給充電機用于充電機面板顯示的當前電池組 SOC 參數(shù)和單體極值信息。</p><p>　　故障報警報文：故障報警報文是指系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點發(fā)送的故障報警信息

101、。如采集板上傳溫度異常、單體過壓等故障信息，以及充電機接收來自主控制板的單體和電池組內(nèi)故障信息等。</p><p>　　CAN 報文中標識符和 8 字節(jié)數(shù)據(jù)的使用是用以區(qū)分通訊數(shù)據(jù)的不同種類和功能，并反映出通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方。報文的標識符決定了報文的優(yōu)先級，具有較小標識符的幀先發(fā)送，較小標識符幀發(fā)送完成后，標識符較大的幀才能發(fā)送。因此，控制指令報文采用較小的報文 ID 值，故障信息其次，狀態(tài)信息則采用最大的

102、報文 ID 值。指定標示符下，報文的不同數(shù)據(jù)字節(jié)代表不同的含義，作為指令標志位，故障標志位，或數(shù)據(jù)參數(shù)等。</p><p>　　表 3-1 和表 3-2 分別為主控制板與采集板之間通訊報文協(xié)議、以及主控制板與充電機之間通訊報文協(xié)議。</p><p>　　表 3-1 主控制板與采集板之間通訊報文協(xié)議</p><p>　　表3-2主控制板與充電機之間通訊報文協(xié)議<

103、/p><p>　　為使電池管理系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)快速、準確、有序的管理，采用基于報文前兩個字節(jié)辨識的方法，對報文幀的數(shù)據(jù)類型和表征含義進行區(qū)分，便可實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡的有效數(shù)據(jù)通訊及管理。各報文幀的報文代號、報文 ID、報文優(yōu)先權(quán)、字節(jié)長度、以及報文刷新頻率如表 3-1 及表 3-2 所示。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 通訊協(xié)議</p><p&

104、gt;　　電池管理系統(tǒng)擴展CAN模塊與整車CAN通訊網(wǎng)絡進行通訊。飛思卡爾可支</p><p>　　持較高層CAN協(xié)議，因此，在本系統(tǒng)中應用簡便靈活。根據(jù)XL純電動轎車整車</p><p>　　CAN通訊協(xié)議，電池管理系統(tǒng)與整車通訊報文協(xié)議規(guī)定如表 3-3 所示。</p><p>　　表3-3電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡通訊報文協(xié)議</p><

105、;p><b>　　結(jié) 束 語</b></p><p>　　電動汽車同傳統(tǒng)汽車相比,具有低噪聲的優(yōu)點由于其動力源為電池化學能,沒有任何形式的尾氣排放,故電動汽車對環(huán)境保護又是相當理想的。電動汽車不燒燃油,面對有限的日益枯竭的石油資源,在節(jié)約能源方面又有著廣闊的發(fā)展前景和巨大優(yōu)勢,其電池充電時間可安排在夜間進行,可最大限度地綜合利用電力資源。電動汽車的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營具有廣闊的發(fā)展前景,電動汽車

106、的大規(guī)模使用（社會化）在不遠的將來一定會實現(xiàn),二十一世紀將是電動汽車取代燃油汽車的世紀。盡管我國對電動車的研究剛剛起步,但我國在電動車方面的研究水平與國外先進水平的差距要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的差距小。我國應抓住時機,大力開展電動汽車的研制,建立一套完整的電動汽車產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)是電動汽車相關(guān)技術(shù)中較為重要的一部分，其優(yōu)劣可以促進或者限制電動汽車的發(fā)展，因此本文具有一定實用意義和應用價值。本

107、文對電動汽車電池管理系統(tǒng)進行了較為詳細的設計說明，同時對電池組均衡充電方案進行了較為深入的研究。</p><p>　　首先，根據(jù)鋰離子電池的工作特性和串接成組應用于電動汽車工況下的使用要求，設計了電動汽車電池管理系統(tǒng)的基本功能和結(jié)構(gòu)?；谒鶎崿F(xiàn)的功能，采用了分布式的控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分為主控制板和采集板，并對系統(tǒng)各部分硬件設計進行了詳細的設計說明。</p><p>　　其次，系統(tǒng)采用 CAN

108、總線進行通訊。建立了電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)類型、數(shù)量和 CAN 收發(fā)模塊特點，設計了 CAN 應用層通訊協(xié)議。此外，根據(jù)主控制板硬件資源，選用獨立 CAN 控制器完成系統(tǒng) CAN通訊模塊的擴展，實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與電動汽車整車 CAN 網(wǎng)絡通訊的接口。</p><p>　　綜上，本文對電池管理及均衡技術(shù)有了較深入的設計和研究，提供了一些好的設計方法和應用經(jīng)驗。</p>&

109、lt;p>　　總之，電池管理系統(tǒng)及均衡充電技術(shù)，對于電動汽車發(fā)展起著重要作用，扮演著重要角色。它對電池及能量的每一分優(yōu)化，都是電動汽車技術(shù)發(fā)展的每一步前進。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李興虎，電動汽車概論，北京：北京理工大學出版社，2005</p><p>　　[2] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光

110、，現(xiàn)代電動汽車技術(shù)，北京：北京理工大學出版社，2002</p><p>　　[3] Affanni, A., Bellini, A, Battery choice and management for newgeneration electric vehicles, Industrial Electronics, IEEE Transactions on Volume 52, Issue 5,Oct. 2005