（車輛工程專業(yè)論文）電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究.pdf

山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要 摘要 隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和能源問題的突出，電動(dòng)汽車已成為節(jié)能環(huán)保綠色車 輛最主要的發(fā)展方向之一，在二十世紀(jì)得到迅速發(fā)展。電動(dòng)汽車的動(dòng)力源動(dòng)力 電池，是目前電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。電池技術(shù)和電池管理系統(tǒng)( b m s ) 的研究是解決 該問題的關(guān)鍵，倍受人們的關(guān)注。 本課題以云雀轎車改裝的雙輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車( e v ) 為試驗(yàn)平臺(tái)，以閥控式鉛酸 蓄電池為研究對(duì)象，研制適用于電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)。目的是延長電池使用壽 命、提高電池的能量效率和運(yùn)行可靠性。 本論文利用安時(shí)法( a h ) 和卡爾曼濾波( k a l m a n ) 來估算電池荷電狀態(tài)，并利用 m a t l a b s i m u l i l l l ( 仿真驗(yàn)證估算方法的精確性。在設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)時(shí)，采用分 散采集集中處理的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，即首先對(duì)各個(gè)單電池的基本信息進(jìn)行采 集，然后由電池管理系統(tǒng)的控制芯片( i 皿n e o nx c l 6 4 c s ) 進(jìn)行集中處理計(jì)算，從而得 出電池荷電狀態(tài)和電池工作狀態(tài)等信息。在硬件設(shè)計(jì)中詳細(xì)介紹了e c u 控制單元、 信號(hào)采集電路、主電路短路保護(hù)電路、c a n 通信接口電路等的設(shè)計(jì)。利用x c l 6 6 集成開發(fā)環(huán)境t a s k i n g 與s i m u l i n kr e a l t i m ew o r k s h o p ( r t w ) 連接進(jìn)行代碼的硬件仿 真與軟件調(diào)試，采用v 字型的開發(fā)流程，使各個(gè)開發(fā)階段之間實(shí)現(xiàn)了無縫連接，提 高了開發(fā)效率，保證研發(fā)系統(tǒng)的可靠性。 最后，將鉛酸蓄電池與本文所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試、試驗(yàn)。試驗(yàn) 結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)( b m s ) 可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的電壓、放電電流、 溫度等模擬量的采集，能夠?qū)﹄姵厥Ｓ嚯娏亢碗姵睾呻姞顟B(tài)進(jìn)行估算，液晶顯示板 能實(shí)時(shí)顯示電池剩余電量并能夠進(jìn)行故障報(bào)警。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；電池荷電狀態(tài)；卡爾曼濾波 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 1 課題背景及選題意義 第一章緒論 汽車的出現(xiàn)已經(jīng)一百多年，經(jīng)歷了從歐洲的手工生產(chǎn)到美國的自動(dòng)化生產(chǎn)、到日本 的精益生產(chǎn)三個(gè)階段。它促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改善了人們的生活，但是汽車發(fā)展到今 天，也帶來嚴(yán)重的問題，即能源、環(huán)保和安全。這是可持續(xù)交通的三大挑戰(zhàn)，也是2 1 世紀(jì)汽車革命的方向【1 1 。就在世界各國努力研發(fā)安全、潔凈、環(huán)保的汽車時(shí)，人們把目 光再次投向了電動(dòng)汽車身上。 自1 8 7 3 年戴維遜成功地研制了第一輛電動(dòng)汽車( e l e c t r i cv e h i c l e ，簡(jiǎn)稱e v ) 后，電 動(dòng)車在十九世紀(jì)就有了一定的發(fā)展，但由于蓄電池性能差，汽車?yán)m(xù)駛里程短，整車性能 不能滿足用戶的要求，而逐漸退出了歷史舞臺(tái)【2 j 。自上個(gè)世紀(jì)9 0 年代以來，隨著世界 汽車保有量的急劇增長和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車對(duì)人類環(huán)境的污染越 來越嚴(yán)重，約有4 2 的污染來自于燃油汽車的排放，環(huán)境保護(hù)的呼聲日益高漲，再加 上石油儲(chǔ)量日益短缺的壓力，迫使人們重新考慮未來汽車的動(dòng)力問題。電動(dòng)汽車再度成 為世界各國的研究熱點(diǎn)，成為各國汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)?，F(xiàn)代的電動(dòng)汽車技術(shù)是2 0 世 紀(jì)最偉大的2 0 項(xiàng)工程技術(shù)成就的前兩項(xiàng)技術(shù)的融合，即“電氣化”和“汽車”融合的 產(chǎn)物【3 】。現(xiàn)代電動(dòng)汽車具有能源效率高、能源多樣化、低噪聲、零排放污染等突出優(yōu) 點(diǎn)，將成為二十一世紀(jì)的重要交通工具之一，開發(fā)前景十分廣闊。因此，發(fā)展電動(dòng)汽車 目前被認(rèn)為是解決未來能源與環(huán)境問題的最有希望的措施之一，在世界范圍內(nèi)得到各國 政府、汽車生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的高度重視【4 】【5 】【6 】陰【8 】o 美、日、歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)主要集中于電動(dòng)轎車的研制【9 】。電池也由以前單一選 用的鉛酸電池，發(fā)展到現(xiàn)在所用的鎳氫電池、新型鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池 等各種新式高性能電池；驅(qū)動(dòng)電機(jī)既有直流電機(jī)，也有交流電機(jī)；快速充電方法及制動(dòng) 能量回收方法的研究也有很大的進(jìn)展。 我國政府非常重視對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展。在“九五”、“十五”期間，國家投入了大 量人力、物力對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行研發(fā)，電動(dòng)汽車被列入“8 6 3 ”重點(diǎn)項(xiàng)目、十五重大攻關(guān) 項(xiàng)目。各省及汽車生產(chǎn)企業(yè)也在積極地進(jìn)行電動(dòng)汽車的研發(fā)，本論文課題就是結(jié)合山東 省電動(dòng)汽車研發(fā)項(xiàng)目展開研究與實(shí)驗(yàn)的。 電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車，但制約他們未 能普及的關(guān)鍵因素是車載動(dòng)力電池的技術(shù)相對(duì)落后【l0 1 。世界各國都在為電動(dòng)汽車潛心 研制高性能車載電池，但仍與期望目標(biāo)存在較大差距；利用電池電子技術(shù)，開發(fā)高智能 1 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 電池能源管理系統(tǒng)，可有效地縮短目前電池能量相對(duì)低與期望目標(biāo)相對(duì)高的差距；可以 有效地解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和乘坐舒適性之間的矛盾；可在復(fù)雜多變的外界環(huán)境條件 下，更高效地利用電池能量，并能延長電池壽命等。本課題是以閥控式鉛酸蓄電池為動(dòng) 力源、以純電動(dòng)汽車v ) 工程項(xiàng)目為背景，對(duì)微型純電動(dòng)車所用的閥控式密封鉛酸蓄電 池組進(jìn)行監(jiān)控管理。 1 2 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)綜述 1 2 1 電池管理系統(tǒng)的重要性【l l 】 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車( h e v ) 電池管理系統(tǒng)的要求是監(jiān)測(cè)電池的剩余電量，預(yù)測(cè)電池的 功率強(qiáng)度，以便監(jiān)控電池的使用工況，在汽車啟動(dòng)和加速時(shí)提供足夠的輸出功率，當(dāng)剎 車時(shí)電池組能夠回收更多的能量以便提供足夠的輸入功率，并且不對(duì)電池組造成傷害。 而電池的功率強(qiáng)度則直接影響h e v 的加速性能。對(duì)于純電動(dòng)汽車( 】巳v ) ，電池管理系統(tǒng) 不僅要求能夠正確監(jiān)測(cè)使用過程中消耗的電池能量，而且要求能夠預(yù)測(cè)電池所剩余的電 量即剩余電量，電池的剩余電量直接決定e v 的最大續(xù)駛里程，純電動(dòng)汽車的電池管理 系統(tǒng)根據(jù)汽車當(dāng)前行駛工況，預(yù)測(cè)汽車?yán)m(xù)駛里程，這樣可減輕駕駛員的心理負(fù)擔(dān)，以避 免半路拋錨。 電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池多采用串聯(lián)方式連接，在充放電的過程中，以串聯(lián)方式供電的 電池的運(yùn)行工況要比單電池供電的情況復(fù)雜的多。這主要是由于電池組內(nèi)各單電池充放 的不一致性造成的。電池的不一致性會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的性能，因此對(duì)每個(gè)單電池運(yùn) 行工況的監(jiān)測(cè)是十分重要的。 當(dāng)電池出現(xiàn)過充或過放等異常情況時(shí)，電池專家診斷系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)并對(duì)充電機(jī) 或用電設(shè)備給出控制信號(hào)，同時(shí)建立電池的歷史檔案，根據(jù)這些歷史檔案給出每個(gè)電池 的健康狀態(tài)及維護(hù)信息，起到電池保健醫(yī)生的作用。 綜上所述，電池管理是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠?qū)κＳ嚯娏亢凸β蕪?qiáng)度進(jìn)行 預(yù)測(cè)，并集智能充電和安全診斷等功能于一體的系統(tǒng)。 1 2 2 純電動(dòng)汽車對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求【1 2 】【1 3 】 純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)具有智能性的特點(diǎn)，具備預(yù)測(cè)電池剩余電量、預(yù)測(cè)行駛里 程、故障診斷、短路保護(hù)、顯示報(bào)警及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等功能，而且系統(tǒng)可 以根據(jù)運(yùn)算及判斷結(jié)果對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，具體介紹如下。 1 電池剩余電量估算：電池荷電狀態(tài)( s 僦eo fc h a 瑪e ，簡(jiǎn)稱s o c ) 的估算，在電池管理 2 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 護(hù)；過放電報(bào)警系統(tǒng)；電量里程計(jì)算；地線絕緣失效檢測(cè)及保護(hù)。 2s m a r t g u a r d 系統(tǒng) s m a r t g u a r d 系統(tǒng)主要特點(diǎn)是在電池上裝有一分布式的管理裝置來測(cè)量電池的電壓 和溫度。該系統(tǒng)的主要功能是：過充電監(jiān)測(cè)與控制，電池歷史紀(jì)錄，提供最差供電電池 單元的信息。 3b a d i c 0 a c h 系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在每個(gè)電池單元上有一非線性電路來測(cè)量電壓，并將電池組各 個(gè)單元電壓通過條信號(hào)線傳輸給b a d i c o a c h 系統(tǒng)；最差的電池單元的剩余電量被 顯示；對(duì)最近2 4 個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)該數(shù)據(jù)對(duì)電池工作狀況好壞 作出判斷，并快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況。 4b a 硎a n 系統(tǒng) b a t 剛a n 電池管理系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是將所有的不同型號(hào)動(dòng)力電池組的管理做成 一個(gè)系統(tǒng)，通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電 池組的管理。 5b a t o p t 系統(tǒng) 該系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，有中心控制單元和各電池的監(jiān)控模塊構(gòu)成。利用 t w o 晰r e 總線，監(jiān)控模塊向中心控制單元傳輸各個(gè)電池工作信息，中心控制單元收集信 息后進(jìn)行優(yōu)化控制。 此外，日本、法國的汽車企業(yè)也研制了各自的電池能量管理系統(tǒng)，在這里就不再作 介紹。 電動(dòng)汽車的快速發(fā)展為與其相關(guān)的電子技術(shù)發(fā)展提供了巨大的契機(jī)。電池電子技術(shù) 就是針對(duì)電池的復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，依托于電力電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、智能控制與最 優(yōu)控制和電化學(xué)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科而興起的新應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域分支。電池電子技術(shù)的目標(biāo)就 是將電池應(yīng)用推向一個(gè)更高的階段，達(dá)到少維護(hù)、無人管理、高安全、智能化和無公 害，最大限度的優(yōu)化電池的使用和延長電池的壽命。 1 3 2 國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r【1 7 】【1 8 】【1 9 j 我國在十五期間設(shè)立電動(dòng)汽車重大專門研究項(xiàng)目，經(jīng)過幾年的發(fā)展之后，在電池管 理系統(tǒng)m s ) 技術(shù)方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近。在國家8 6 3 計(jì)劃 2 0 0 5 年第一批立項(xiàng)研究課題中，就分別有北京理工大學(xué)承擔(dān)的e q 7 2 0 0 h e v 混合動(dòng)力 轎車用鎳氫動(dòng)力電池組及管理模塊、湖南神舟公司承擔(dān)的e q 6 l1 0 艇v 混合動(dòng)力城市公 交車用大功率鎳氫動(dòng)力電池及其管理模塊、蘇州星恒電源有限公司承擔(dān)的燃料電池轎車 用高功率型鋰離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)、北京有色金屬總院承擔(dān)的解放牌混合動(dòng)力 城市客車用鋰離子電池及管理模塊等課題。此外還有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等承擔(dān)的多能 4 山東理_ 丁大學(xué)碩上學(xué)位論文第二章閥控式密封鉛酸蓄電池及e 在i 【i 動(dòng)汽車一j ：的應(yīng)用 第二章閥控式密封鉛酸電池及其在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用 鉛酸蓄電池自1 8 5 9 年由法國人普蘭特( g a s t o np l a n t e ) 發(fā)明使用至今已有1 4 3 年的歷 史。1 9 5 7 年英國首先發(fā)明了再化合免維護(hù)汽車蓄電池，德國陽光公司發(fā)明了觸變性凝 膠工業(yè)用鉛電池，1 9 8 3 年美國g n b 公司發(fā)明并生產(chǎn)了i 型陰極吸收式密封鉛酸蓄電 池，1 9 8 5 年日本j a s a 公司開始生產(chǎn)m s e 系列大型陰極吸收式密封鉛酸蓄電池。隨 之各國都制訂出了相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量考核的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 上世紀(jì)8 0 年代起，國內(nèi)生產(chǎn)類似產(chǎn)品的企業(yè)大量發(fā)展，1 9 8 8 年深圳華達(dá)電源系統(tǒng) 有限公司首次引進(jìn)了美國g n b 公司的技術(shù)，消化吸收后開始生產(chǎn)閥控式鉛酸蓄電池， 通過并聯(lián)組合最大容量可達(dá)1 2 9 6 0 a h 。2 0 世紀(jì)9 0 年代我國生產(chǎn)類似產(chǎn)品的廠家遍及全 國。 鉛酸蓄電池經(jīng)過百余年的發(fā)展與完善，成為世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，具有 電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長、價(jià)格低廉、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)，而且原材料還可再生使 用。二十世紀(jì)后期，閥控式密封鉛酸蓄電池a l v er e g u l a t e dl e a da c i db a t t e 巧，簡(jiǎn)寫為 v i u a ) 技術(shù)產(chǎn)品化為鉛酸電池進(jìn)一步發(fā)展增添了活力。閥控式蓄電池具有體積小、白 放電小、免維護(hù)、可自由放置等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。本章首先介紹 電動(dòng)車用蓄電池的相關(guān)概念，然后介紹閥控式鉛酸蓄電池的特點(diǎn)和在電動(dòng)汽車上的應(yīng) 用。 2 1 電動(dòng)汽車用閥控式密封鉛酸蓄電池的基本概念 電池組、單電池和單體電池：?jiǎn)误w電池是電池內(nèi)只有一對(duì)反應(yīng)極板，電動(dòng)勢(shì)為2 v 的蓄電池，是組成單個(gè)電池的基本單元；幾個(gè)單體電池封裝在一起組成單電池，簡(jiǎn)稱電 池( b a 骶勸；由若干單電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組( b a 妣r i e s ) 。 蓄電池容量：蓄電池在一定的放電條件下所能給出的電量容量稱為蓄電池的容量， 用符號(hào)c 表示。電池容量等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，常用安培j 、時(shí)( a h ) 為單 位。電池的容量分為額定容量( 標(biāo)稱容量) 、實(shí)際容量。根據(jù)電動(dòng)道路車輛用鉛酸蓄電 池g b 廠r1 8 3 3 2 1 2 0 0 1 文中規(guī)定，鉛酸蓄電池額定容量是在2 5 環(huán)境溫度下，以3 小 時(shí)率電流放電時(shí)，應(yīng)放出最低限度的電量( 單位：。在實(shí)際應(yīng)用中一般采用電池荷電 狀態(tài)( s t a c eo f c l l a i l g e ，簡(jiǎn)稱s o c ) 來描述電池剩余容量。s o c 定義為電池剩余容量與總 容量的百分比。 蓄電池放電率：放電速率簡(jiǎn)稱放電率，常用倍率和時(shí)率表示。時(shí)率是以放電時(shí)間表 7 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文第二章閥控式密封鉛酸蓄電池及其在電動(dòng)汽車】：的應(yīng)用 示的放電速率，即以某電流放電至規(guī)定終止電壓所經(jīng)歷的時(shí)間；倍率是指電池放電電流 的數(shù)值為額定容量的倍數(shù)，例電池容量為4 0 a h ，若放電電流表示為1 c a 時(shí)，則此時(shí) 放電電流實(shí)際為4 0 a 。 放電終止電壓：鉛蓄電池以一定的放電率在2 5 環(huán)境溫度下放電至能再反復(fù)充電 使用的最低電壓稱為放電終了電壓。大多數(shù)固定型電池規(guī)定終止電壓為1 8 v 。終止電 壓值隨放電速率而定。通常，為使電池安全運(yùn)行，小電流放電時(shí)，終止電壓取值稍高， 大電流放電時(shí)，終止電壓取值稍低。 蓄電池的循環(huán)使用壽命：蓄電池失效前所允許的深放電次數(shù)。深放電一般是指蓄電 池完全放電到截止電壓。該指標(biāo)是評(píng)價(jià)蓄電池質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。 蓄電池的自放電：蓄電池在沒有負(fù)荷的條件下，由于電池內(nèi)存在雜質(zhì)，如正電性的 金屬離子和溶液中以及從正極板柵溶解的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)與活性物質(zhì)組成微電池，產(chǎn)生 負(fù)極金屬溶解和氫氣的析出等情況。有害雜質(zhì)的存在，使正極和負(fù)極活性物質(zhì)逐漸被消 耗，從而造成電池自身容量損失，這種現(xiàn)象叫做蓄電池自放電現(xiàn)象。蓄電池自放電使得 電池能量損失的速度成為自放電率，通常以月為計(jì)時(shí)單位。 蓄電池的能量密度：蓄電池組單位質(zhì)量或體積所能輸出的能量。通常質(zhì)量能量密度 定義為蓄電池的比能量，即單位質(zhì)量 g ) 所包含的的能量( w h ) ，用w 1 1 蠔表示；體積 能量密度定義為蓄電池能量密度，即每升( l ) 體積所包含的能量( w h ) ，用w h l 表示。 蓄電池的能量密度是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車車用蓄電池性能好壞的重要指標(biāo)，它影響到電動(dòng)車整 車的質(zhì)量以及續(xù)駛里程。 能量效率：蓄電池作為電動(dòng)汽車的能量儲(chǔ)能裝置，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存 起來，在放電時(shí)再次轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。在這個(gè)過程中，存在一定的能量損耗，通常 用能量效率( 刁) 來表示蓄電池的這種損耗。 刁2 魯 p ，刁 x 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章應(yīng)用k al a h 算法估算電池荷電狀態(tài)及仿真 第三章應(yīng)用虬虬a h 算法估算電池荷電狀態(tài)及仿真 電池剩余容量的多少一般用電池荷電狀態(tài)( s o c ) 來描述。電池荷電狀態(tài)是無量綱的 量，既可以反映電池剩余的電量，也可以反映電池消耗的電量。電池荷電狀態(tài)估算是電 池管理系統(tǒng)的核心部分，也是電池管理技術(shù)的難點(diǎn)之一。電動(dòng)汽車蓄電池在使用過程中 表現(xiàn)為高度非線性，這使得準(zhǔn)確估算電池荷電狀態(tài)具有很大難度【2 9 1 。本文采用 k a l m a n 濾波法與安時(shí)計(jì)量法的組合算法( 以下簡(jiǎn)稱k a l a h 算法) 來精確估算電池的 荷電狀態(tài)，并通過m a t l a b s i m u l i n l 【仿真，驗(yàn)證該方法的可行性及準(zhǔn)確性。 3 1 影響閥控式密封鉛酸蓄電池s o c 的因素 影響電池容量的因素主要有負(fù)載電流、工作溫度、充放電循環(huán)次數(shù)、自放電和電 池老化等。 負(fù)載電流直接影響電池的放電終止電壓。在電池規(guī)定放電終止電壓內(nèi)，負(fù)載電流 越大，電池所能放出能量越小，電池荷電狀態(tài)下降速度越快。 電池容量受電池工作溫度影響較大。環(huán)境溫度在1 0 。c 4 5 。c 范圍內(nèi)，閥控式密封 鉛酸蓄電池眥a ) 放電容量隨溫度升高而增加，如閥控式密封鉛酸蓄電池在4 0 。c 下的 放電電量，比在2 5 。c 下放電的電量高l o 1 5 。這是因?yàn)闇囟壬?，極板活性物質(zhì) 的化學(xué)應(yīng)逐步改善，因此放電時(shí)較高的電池溫度會(huì)使電池放出更多的電量。但充電時(shí)， 溫度過高會(huì)使得析出氧氣過多，反而會(huì)降低充電效果。圖3 1 表示電池溫度與電池放電 容量間的關(guān)系。 ，一。， 0 i o2 03 0 4 0 噩度f o c 圖3 1 電池溫度與電池放電容量間關(guān)系 由于電池電解液或極板內(nèi)存在雜質(zhì)，使正極和負(fù)極的活性物質(zhì)被損耗，造成電池容 量損失，這種現(xiàn)象稱為電池自放電現(xiàn)象。蓄電池存放環(huán)境溫度不同，存放時(shí)間長短不 1 2 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文第三章應(yīng)用k a l a h 算法估算電池付電狀態(tài)及仿真 同，發(fā)生自放電時(shí)容量損失也有差異，具體關(guān)系如圖3 2 所示。 飛 ? - 。、 兒i c 、_ 一 、 、 、 一一。、 、 、 、o 堅(jiān) 、 。 。 、 o 芝 、l 、 6 加c 、 369 1 2 1 5 儲(chǔ)存時(shí)間( 月) 圖3 2 也a 電池自放電對(duì)電池容量的影響 3 2 電池荷電狀態(tài)估算方法概述【3 0 】【3 l 】【3 2 】【3 3 】 根據(jù)參考文獻(xiàn)【2 9 】及其它相關(guān)資料顯示，目前國內(nèi)外常用的荷電狀態(tài)估計(jì)的方法主 要有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)( 圳計(jì)量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi) 阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法。以下就這幾種方法進(jìn)行逐一簡(jiǎn)單的介 紹。 i 放電實(shí)驗(yàn)法 放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的電池荷電狀態(tài)( s o c ) 估計(jì)方法，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放 電，放電電流與時(shí)間的乘積即為剩余電量。放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用，適用于所 有電池，但它也存在兩處顯著缺陷：第一花費(fèi)時(shí)間長；第二要必須中斷蓄電池正在進(jìn)行 的工作。 放電實(shí)驗(yàn)法不適合行駛中的電動(dòng)汽車，但可以用于電動(dòng)汽車電池的檢修。 2 安時(shí)( a h ) 計(jì)量法 安時(shí)( a h ) 計(jì)量法是目前最常用的電池荷電狀態(tài)( s o c ) 估計(jì)方法。假設(shè)放電( 或充電) 起始狀態(tài)為。陽g ，那么當(dāng)前狀態(tài)( 時(shí)刻) 的電池荷電狀態(tài)( s o c ) 表示如下。 s d g ：舳c o 一。彈 ( 3 1 ) fl f 式中，e 額定容量； ，電池電流； 卵充放電效率，不是常數(shù)。 安時(shí)計(jì)量法應(yīng)用中也存在一些問題，具體細(xì)節(jié)將在第3 3 節(jié)中詳細(xì)闡述。 3 開路電壓法 電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動(dòng)勢(shì)。鉛酸電池電動(dòng)勢(shì)是電解液濃度的函數(shù)， 電解液密度隨電池放電成比例降低，用開路電壓可估計(jì)蓄電池荷電狀態(tài)( s o c ) 。文獻(xiàn) 3 0 】 描述了鉛酸電池開路電壓、剩余容量和電解液密度的關(guān)系。鎳氫電池和鋰離子電池的開 13 卯 藥 0 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文第三章應(yīng)用k a l a h 算法估算電池荷i 乜狀態(tài)及仿真 增大，可用來估計(jì)電池的s o c ；鎳氫電池和鋰離子電池直流內(nèi)阻變化規(guī)律與鉛酸電池 不同，應(yīng)用較少。直流內(nèi)阻的大小受計(jì)算時(shí)間段影響，若時(shí)間段短于1 0 m s 時(shí)，只有歐 姆內(nèi)阻能夠檢測(cè)到；若時(shí)間段較長，內(nèi)阻將變得復(fù)雜。準(zhǔn)確測(cè)量電池單體內(nèi)阻比較困 難，這是直流內(nèi)阻法的缺點(diǎn)。內(nèi)阻法適用于放電后期電池s o c 的估計(jì)，可與安時(shí)計(jì)量 法組合使用。 7 線性模型法 線性模型法是基于電流、電壓、s o c 變化量和上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的s o c 值間的關(guān)系建 立的線性方程，方程具體表達(dá)式如式( 3 5 卜式( 3 6 ) 所示。 伽c = + 毛形+ 屯+ 也s d e l ( 3 5 ) 舳c f = 舳c i l + 叢d c i ( 3 - 6 ) 式中：舳e 當(dāng)前時(shí)刻的s o c 值； 如e s o c 的變化量； k 、當(dāng)前時(shí)刻的電壓與電流。 、毛、屯、屯利用參考數(shù)據(jù)，可通過最小二乘法，得到其值，無物理意 義。 上述模型適用于小電流放電且電池荷電狀態(tài)變化緩慢的情況，對(duì)測(cè)量誤差和錯(cuò)誤的 初始條件有很高的魯棒性。線性模型理論可應(yīng)用于各種類型和在不同老化階段的電池， 目前只查到在鉛酸電池上的應(yīng)用，在其他電池上的適用性及變電流情況的估計(jì)效果需進(jìn) 一步研究。 8 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 電池是高度非線性的系統(tǒng)，對(duì)其充放電過程很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具 有非線性的基本特性，并具有并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力，對(duì)于外部激勵(lì)，能給出相應(yīng)的輸 出，所以能夠模擬電池的動(dòng)態(tài)特性來估算電池荷電狀態(tài)。估計(jì)電池荷電狀態(tài)常采用三層 典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即：輸入層、中間層和輸出層。輸入、輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際問題的 需要來確定，一般為線性函數(shù)，常用電壓、電流、累積放出電量、溫度、內(nèi)阻及環(huán)境溫 度等作為輸入變量；中間層神經(jīng)元個(gè)數(shù)取決于問題的復(fù)雜程度及分析精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 適用于各種電池，缺點(diǎn)是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計(jì)誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方 法的影響很大。 9 卡爾曼濾波法 利用卡爾曼濾波方法估算電池荷電狀態(tài)的研究是在近幾年才開始的，卡爾曼濾波的 一個(gè)顯著特點(diǎn)是，用狀態(tài)空間的概念來描述其數(shù)學(xué)公式?？柭鼮V波另一個(gè)新穎特點(diǎn) 是，他的解是遞歸計(jì)算的，而且可不加修改地應(yīng)用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)環(huán)境【3 4 】。 1 5 3 3k a l a h 法估算電池荷電狀態(tài)【3 5 】【3 6 】【3 7 】 前面對(duì)電池荷電狀態(tài)( s o c ) 的各估算方法作了簡(jiǎn)要的介紹，相比較而言，安時(shí)法理 論簡(jiǎn)單適用、算法穩(wěn)定，是目前電動(dòng)汽車上使用較多的電池荷電狀態(tài)估算方法。如果單 一用安時(shí)法來估算電池荷電狀態(tài)，也存在一些問題。首先，安時(shí)法自身不能估計(jì)電池荷 電狀態(tài)初始值s d c 0 ；其次，溫度變化時(shí)，s o c 估計(jì)誤差較大( 主要由電池可用容量引 起) 。若考慮溫度變化時(shí)容量轉(zhuǎn)換系數(shù)，有足夠的估計(jì)起始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，那么安時(shí)法是 一種簡(jiǎn)單、可靠的電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法。經(jīng)分析并參閱文獻(xiàn)【3 4 】、文獻(xiàn)【3 5 后，本文 采用k a l a h 算法，同時(shí)考慮了溫度及老化對(duì)電池可用容量的影響。應(yīng)用k a l 4 a n 濾 波來估算電池荷電狀態(tài)初始值舳c n ，消除a h 法估算誤差。在k a l a h 算法基礎(chǔ)上，對(duì) 電池可用容量進(jìn)行溫度、老化補(bǔ)償，從而使電池s o c 估算值更加準(zhǔn)確。本節(jié)首先應(yīng)用 安時(shí)法，建立電池?cái)?shù)學(xué)模型。 3 3 1 安時(shí)法估算電池荷電狀態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立【3 8 】【3 9 】m 【4 1 】【4 2 】 一般地，建立電動(dòng)汽車能量存儲(chǔ)系統(tǒng)( 蓄電池) 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)是首先建立它的等效 電路圖，如文獻(xiàn) 3 8 】所應(yīng)用的電路圖( 如圖3 3 所示) 。本文采用a h 法計(jì)算電動(dòng)汽車運(yùn) 行時(shí)電池的荷電狀態(tài)，而a h 法實(shí)際上是一種基于“黑箱 原理的計(jì)算方法，把電池看 作一個(gè)整體即“黑箱，“黑箱”與其外部進(jìn)行能量交換。通過對(duì)進(jìn)出“黑箱 的電 壓、電流與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系以及溫度的影響，進(jìn)行估算“黑箱內(nèi)部的能量的變化 【4 3 1 。由于只需要計(jì)量進(jìn)出電池的電能，不必考慮電池這個(gè)“黑箱”內(nèi)部狀態(tài)的變化和 其因素的影響。所以a h 法較其它方法簡(jiǎn)單易行，在電動(dòng)汽車上是常用的計(jì)算方法。 u a 圖3 3 蓄電池等效電路圖 蓄電池的可用容量受放電電流、持續(xù)放電時(shí)間和溫度影響很大，即可用容量e 是 放電電流、放電時(shí)間f 和溫度r 的函數(shù)，當(dāng)函數(shù)= 廠( f ) 為單調(diào)、非減函數(shù)時(shí)，計(jì)算可 用容量e 的表達(dá)式如下。 f 2 g ( ，印? ) = c ( f ，) 一n 講 ( 3 7 ) f l 1 6 山東強(qiáng)；干善蟊磊掣蓍不張髯薔銎蠹是籬丑毒i = 晦喜羹國鋈掘| 薹囊蠢囊簍萎差麓屏 鍪薹夔孓奏霪蓄蠹馴翼甏霎蘑霪績舊薹雨流寫溫度數(shù)澄墜薹輦嘲；薹副季型霎墓鋈 蓖厘鰣”堿囂墁蚜霹霧墊塌墼基墨幽鰳封，簍熏葡囊s ；蓁l i ；羽戟蜊黧豎需刪型：裁弧憝 霆薹罄螋霾需竺袋愕齲。 l釃 荔劉；冀薹! 一熏肇i 霧：v i 蓁鏨 i 蓁；l 垂l 基i萄 型g 蓁蠼趔j ： 囂嶄簍囂慧；瀝鯉謄塞雨羰霎暴磐簍塹霆；縫秀薹蓉jg 新鏨 黧；辮籀；群簍雨萎鉭堡羲霎瓣鷺?biāo)芑h翼毳蓄磊剿羹簧釜；籬些麗羹；薹蓬l ，霪翥； 囊蘭琶觜簍! 薹掣塵蘺黥鞭塑裝剽醐鬻翼! 蘸赫冀雷j 醐器籪到鏊罷鷲警夔纂薹羹； 主；羹| | 麥螂習(xí)捌耀海筆滋瑚毯洚讞嗶捅掰鏨羹l 霧i i ! i ；囊l ￥i ；i 5 ； 常蓁薹莖擘墅霖嬰i 薹霧蓁時(shí)砸輸蠢柏霸藹垣麗么霎薹；蜇勇囊露湮纛酆七乍辮醚惑。玲 熏霧蘑霜豎霸翼蓁蠢鏑冀叁穌一；羹| 蓍| l l 慧鄲糾劑俄翟麴鍪蓁攀菱蠡鏊二季& 囊嘉 登。韓鞠硭撼；霞甩薈蔡霎嘉；撬芳蓁麓鈴自篙鷯簍i 鐾薹霪耄翼蓁霆i | 冀鋈霪 爹莖墅薹蓁蠢餾履器娶曼麗副鞋垂酣i 。 l 曩|(zhì) 連i i i i 蠢i i 萄泓新硪糞型霎 羹抖 囊鱉荔囊竺 x 在式( 3 1 1 ) 兩邊同時(shí)乘以蓄電池在負(fù)載電流為乞時(shí)的端電壓均值e ，得 警= p 坳 c p ei 。1 、j 式中：c ( f 。乒電流藝厶時(shí)蓄電池輸出的電功率； c 。e 以額定電流加載時(shí)電池能夠輸出的額定電功率。 我們一般把這個(gè)比值叫做蓄電池功率的可利用系數(shù)叩。 堿力塒， 由式( 3 - 1 3 ) 可看出，當(dāng)屯 刀，稱為預(yù)測(cè)； 若1 f 刀，在任意時(shí)刻電池放電時(shí) d m a l l 預(yù)測(cè)電池荷電狀態(tài)初值。 電池模型描述了電池荷電狀態(tài)、電流、內(nèi)阻等因素與電池負(fù)載間的數(shù)學(xué)關(guān)系，常用 的簡(jiǎn)單電池模型有s h e p h e r d 模型、u n n e w e l l r 曲e 1 1 s a l 模型和n e s t 模型【4 9 】。s h e p h e r d 模 型、u i m e m h e r 模型和n e s t 模型分別如式( 3 - 2 2 卜式( 3 - 2 4 ) 所示。 此：毛一r f 一碳 ( 3 2 2 ) 七 兒= 磊一尺& 一k ( 3 - 2 3 ) 兒= 磊一r t + k 2 l n k ) + 瑪l n ( 1 一) ( 3 2 4 ) 式中：兒電池端電壓； 尺電池內(nèi)阻； k 激化內(nèi)阻； 墨、墨、k 常數(shù)。 本文經(jīng)參閱文獻(xiàn) 3 5 】和文獻(xiàn)【4 4 】， 建立系統(tǒng)測(cè)量方程如下。 兒：毛一戤一彰一墨+ 如l n k ) + 丘l n ( 1 一杖) ( 3 2 5 ) 式中：幾用模型算得的負(fù)載電壓。 以分量僅有一個(gè)，是s o c ； t 負(fù)載電流； r 電池內(nèi)阻。 式( 3 2 5 ) 中其它向量為無物理意義的模型參數(shù)。經(jīng)離散化系統(tǒng)狀態(tài)方程并與式( 3 1 9 ) 聯(lián)立后可得到式( 3 2 6 ) 。 耳+ l ：稚一7 7 ( 3 2 6 ) 由式( 3 - 21 ) 和式( 3 - 2 5 ) 求得 2 0 二盛翟蘭三竺塋銎：蘭竺蘭蘭一 第三章應(yīng)用k a l a h 算法估算電池荷電狀態(tài)及仿真 q = 警= 一局+ 一刊 。徹 由式( 3 - 2 0 ) 式( 3 2 6 ) 求得4 = 1 ，毋和見是由輸入量決定的多元矩陣。 本文針對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)如c 0 的預(yù)測(cè)，采用k a l i i l a i l 濾波算法，具體算法 可由下面算式歸納計(jì)算。 x q 吣2s o c q = v a r k ) x k 瞳42x k i j k l n i k 厶tfc e 一。= 4 一l 丑小一。釷。+ q 兒一，= 蜀一r “一一局鋤一。+ 墨1 n 一。+ 巧1 n ( 1 一喲) k 濁4 1 “p 1 、 i _ 厶，= 一，口b 鋤一，口+ r ) - 1 啊t = + 厶一。帆一。一兒一。) r 嚏= q k 。c 3 d 七= l ，2 ， 式中：戶濾波誤差協(xié)方差矩陣； 三虢波增益矩陣； ，單位矩陣； 以七時(shí)刻電池的測(cè)量電壓： t 七時(shí)刻負(fù)載電流； 出采樣時(shí)間。 3 3 3 s o c 估算具體實(shí)施步驟 在電池管理系統(tǒng)中，先初始化e c u 。在時(shí)刻，。，用開路電壓法估算出，。時(shí)刻& k 的近似估計(jì)值。一般電池端電壓與電池荷電狀態(tài)為線性關(guān)系，以單體鉛酸蓄電池為例， 其線性函數(shù)關(guān)系如圖3 6 所示。 2 1 黔緲 d 動(dòng) 9 四姍 加 鯽 鯽蜘 0 0 0 0 p p p p 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章應(yīng)用k a l a h 算法估算電池荷電狀態(tài)及仿真 3 4 算法仿真及分析 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)所研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算和分析，是代替以 往實(shí)物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行研究的新方法，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)的新型手段，具有很 大的優(yōu)越性。本文采用m a a b s m ，i n k 軟件對(duì)電池管理系統(tǒng)中電池荷電狀態(tài) ( s o c ) 估算算法進(jìn)行建模、仿真和分析。 利用3 - 3 節(jié)建立的電池荷電狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，得到m a l r i 。a b s 訊i ，i n k 仿真模 型，如圖3 8 所示。在實(shí)際應(yīng)用中，整車運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)一 一蓄電池的工況也變得復(fù)雜多變。因此在仿真時(shí)，為降低仿真難度，僅考慮電池電流、 電壓及溫度的影響，把一些隨機(jī)干擾信號(hào)作理想化處理。 圖3 8s o c 算法m a l i 。a b s i i i l u l i n k 仿真框圖 初步設(shè)定仿真時(shí)，電池的環(huán)境溫度取電池1 5 。c 4 0 。c ，電池的額定容量為 1 2 0 a 血，電池額定電壓為1 2 v 。仿真時(shí)以幅值為2 0 a 的變電流( 如圖3 9 所示) 進(jìn)行放電 仿真，設(shè)定放電時(shí)電池電壓為1 2 2 v 。仿真初始階段，由i ；瀏h a l l 濾波估算算法根據(jù)電 池電壓估算電池荷電狀態(tài)放電時(shí)的初值s o c o 。經(jīng)取樣估值計(jì)算后，再經(jīng)安時(shí)算法估算 蓄電池放電過程s o c 與工作時(shí)間的關(guān)系。s o c 仿真曲線如圖3 1 0 所示。 2 3 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章應(yīng)用k al a h 算法估算電池荷電狀態(tài)及仿真 d i s c h a 叼ec u r 愴n t 啊m e 圖3 9 放電電流波形圖 圖3 1 0s o c 仿真曲線 經(jīng)過對(duì)電池荷電狀態(tài)( s o c ) 計(jì)算方法的仿真，證明了應(yīng)用k a l a h 方法計(jì)算電池荷 電狀態(tài)( s o c ) 是可行的，能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算出電池荷電狀態(tài)( s o c ) 的值。k a l a h 計(jì) 算法彌補(bǔ)了單純用安培時(shí)間法的計(jì)算缺陷。 2 4 山東理工大學(xué)碩上學(xué)位論文 第三章應(yīng)用k a l a h 算法估算電池荷電狀態(tài)及仿真 3 5 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要地介紹了電池荷電狀態(tài)的影響因素及目前國內(nèi)外計(jì)算電池荷電狀態(tài)常用的 幾種基本方法。針對(duì)本文提出的一種復(fù)合電池荷電狀態(tài)( s o c ) 估算方法- l a i ，a h 估 算法，進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究。 2 5 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 4 1 綜述 第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 電池組是電動(dòng)汽車能源動(dòng)力總成，對(duì)電池組內(nèi)發(fā)生的事件只能通過分析其內(nèi)部信 息來獲取，從這個(gè)角度而言希望硬件電路獲取的信息越詳細(xì)越好，但這樣會(huì)使系統(tǒng)成本 增加、系統(tǒng)復(fù)雜化。從另一角度，人們總希望電池管理系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單且易操作，這樣既 可提高系統(tǒng)可靠性，也可降低成本。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況加以權(quán)衡。本文 硬件電路的設(shè)計(jì)，主要是以已獲取的電池組電壓、電流和溫度信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。 電池電壓信息采集，將兩塊單電池作為一組，進(jìn)行電池電壓信息采集。 溫度信息采集，電池組溫度信息采集采用多點(diǎn)分布式測(cè)量，在每塊電池上選取適 當(dāng)測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行信息采集。 電池電流信息采集，在供電主回路中，應(yīng)盡量靠近動(dòng)力電池，選取恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量點(diǎn) 采集充、放電流。 對(duì)整個(gè)電池管理系統(tǒng)而言，硬件電路設(shè)計(jì)是其重要環(huán)節(jié)，其宗旨是實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽 車動(dòng)力電池有效合理的管理，包括采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)的可靠性、系統(tǒng)通信的穩(wěn)定 性以及抗干擾性等，硬件結(jié)構(gòu)如圖4 1 所示。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到將來進(jìn)行系統(tǒng)功能及 c a n 總線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，使系統(tǒng)功能進(jìn)一步完備，因此在硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量使管理系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)合理、具備可擴(kuò)展功能。系統(tǒng)硬件電路由電池?cái)?shù)據(jù)采集電路和e c u 控制器兩大部分 構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集p c b 板與e c u 控制器p c b 板間采用數(shù)據(jù)線連接。 i 電流采樣放大 模 溫度控制 數(shù) 轉(zhuǎn) 緊急斷電 換 l ， i 多路開剌 x c l 6 4 c s l c d 顯示屏 l 電雎米樣放大 雙c a n 模 系統(tǒng)間信息傳輸 l 溫度采樣塊 圖4 1 電池管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 信號(hào)采集模塊的作用是監(jiān)測(cè)、采集蓄電池組中各電池單元狀態(tài)參數(shù)，該模塊的首要 任務(wù)是保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；e c u 單元通過信號(hào)采集模塊采集到的信號(hào)估算電池剩 2 6 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 余電量、判斷電池工作是否正常、環(huán)境溫度是否需要補(bǔ)償、各單電池放電( 或充電) 是否 均衡等：c a n 總線負(fù)責(zé)e c u 與電動(dòng)汽車其他控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行通信，電池管理系統(tǒng)與 其它控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)框圖如圖4 2 所示。 l 主控制系到 c a n 總線 )匕 l 電機(jī)控li 車身控ll 電池管ll 儀表顯l i 制系統(tǒng)ll 制系統(tǒng)il 理系統(tǒng)il 示系統(tǒng)i 4 2e c u 控制單元 圖4 2 電池管理系統(tǒng)與整車通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 e c u 單元是電池管理系統(tǒng)的核心，是基于微控制器x c l 6 4 來實(shí)現(xiàn)其功能的。e c u 單元的具體功用是分析數(shù)據(jù)、進(jìn)行s o c 運(yùn)算、發(fā)送執(zhí)行命令以及與其他系統(tǒng)通信。 e c u 單元結(jié)構(gòu)框圖如圖4 - 3 所示。模擬量輸入隔離是通過多路開關(guān)c d 4 5 0 1 及光柵 t p 5 2 1 來完成的。 單電池電壓 輸 入 隔 離 模擬量 x c l 6 4 c s 輸 出 隔 離 溫度控制輸出 緊急斷電信號(hào)輸出 c a n 總線 通信接口 圖4 3e c u 控制單元結(jié)構(gòu)框圖 4 2 1x c l 6 4 c s 微控制器簡(jiǎn)介 e c u 單元采用德國h l f i n e o n 公司生產(chǎn)的x c l 6 4 c s 微控制器【5 0 j 【5 1 】【5 2 】【5 3 1 ，該芯片采 2 7 壓一流一濺一鷦電一電一池一路組一組一電一短桃一桃一觶一姚 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 用h 血1 e o n 最新的c 1 6 6 sv 2 內(nèi)核( 如圖4 4 所示) ，該內(nèi)核包括c p u 、程序管理單元 ( p m 、數(shù)據(jù)管理單元m 、中斷和p e c 控制器、外部總線控制器b c ) 和部分控制 單元( s c u ) ；另外，片上系統(tǒng)還具有以下特征： 1 多達(dá)2 k 的雙端口洲，供寄存器設(shè)置和系統(tǒng)堆棧使用，多達(dá)4 k 的由 d m u 控制的數(shù)據(jù)凡氣m ； 2 內(nèi)部指令存儲(chǔ)器m m ，由p m u 控制，包括一個(gè)程序存儲(chǔ)器接口p m i ，1 2 8 k b 的f l a s h ，2 k 的程序r a m 和8 k 的啟動(dòng)r o m ： 3 智能片上外設(shè)： 4 自動(dòng)的特殊外設(shè)( a d c ，雙c - ； 5 調(diào)試和仿真控制塊： 6 帶有2 個(gè)專用于s f r 和e s f r 空間，以及4 kx s f r 空間的單向數(shù)據(jù)總線的 1 6 位外設(shè)總線( p d + b u s ) ； 71 6 位片上系統(tǒng)總線( l x b u s ) ，帶有2 個(gè)雙向數(shù)據(jù)總線( 與眾所周知的x b u s 類 似) ，用于雙c a n 連接； 8 附加的內(nèi)核子系統(tǒng)總線：6 4 位流水線雙周期程序存儲(chǔ)器總線，1 6 位單周期雙端 口存儲(chǔ)器總線和1 6 位單周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線。 圖4 4x c l 6 4 c s 結(jié)構(gòu)框圖 微控制器系統(tǒng)電路原理圖如4 5 所示，主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、接口電路與 硬件配置電路、數(shù)字及模擬電壓供電電路以及0 c d s 調(diào)試電路。 時(shí)鐘電路由晶體振蕩器y l 、諧振電容c l 、c 2 等元件組成，為了便于內(nèi)部時(shí)鐘鎖相 2 8 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 環(huán)電路( p l l ) 分頻與倍頻，晶體振蕩器選擇1 1 0 5 2 9 m h z 。 復(fù)位電路采用簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位，低有效，由r 2 、c 4 、d 2 組成。r 2 、c 4 組成的延時(shí) 電路，時(shí)間常數(shù)f 如式( 4 1 ) 所示。 f = r 2 c 4 = 2 0 k q 奉1 0 心= 2 0 0 m s ( 4 - 1 ) 這個(gè)延時(shí)電路能使微控制器有足夠的時(shí)間起振，進(jìn)入正常的運(yùn)行?？焖俣O管d 2 的作用是吸收電容在充放電的過程中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，防止微控制器誤復(fù)位，保證系統(tǒng) 工作的可靠性。 接口電路是指與微控制器輸入輸出相連接的外部硬件電路，本文的接口電路的功能 主要是：a d 轉(zhuǎn)換器對(duì)電池組電壓模擬信號(hào)、負(fù)載電流模擬信號(hào)、單電池電壓模擬信號(hào) 及單電池溫度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 根據(jù)h l f i n e o n 微控制器用戶手冊(cè)，要求p lh 4 引腳高電平，電阻i u 接+ 5 v 電壓，對(duì)該 引腳進(jìn)行上拉。 i 幽n e o n 的x c l 6 4 c s 微控制器要求其內(nèi)核供電電壓為+ 2 5 v ，而其外設(shè)供電電壓為 + 5 v ，模擬與數(shù)字電壓在供電時(shí)需要使用電感、電容等元件進(jìn)行隔離，具體的電路設(shè)計(jì) 將在4 2 3 節(jié)詳述。 圖4 5e c u 系統(tǒng)原理圖 2 9 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 4 2 2 片上調(diào)試支持( o c d s ) 的電路設(shè)計(jì)【矧 x c l 6 4 c s 包括了一個(gè)創(chuàng)新的調(diào)試系統(tǒng)。這個(gè)調(diào)試系統(tǒng)通過調(diào)試接口引腳為直接控 制提供了非常便捷的片上調(diào)試系統(tǒng)支持( o c d s ) ，如圖4 6 所示。同時(shí)，通過基于“新 一代模擬仿真策略n e t ”的載波芯片的片上仿真器和追蹤接口，x c l 6 4 c s 的調(diào)試系 統(tǒng)可以支持高端的仿真設(shè)備。 7 圖4 6o c d s 調(diào)試系統(tǒng) 在x c l 6 4 產(chǎn)品系列中，片上調(diào)試支持系統(tǒng)在沒有使用載波芯片的情況下可以提供 全范圍的調(diào)試和仿真特性。它允許設(shè)置斷點(diǎn)，并且追蹤存儲(chǔ)器地址。o c d s 的典型應(yīng) 用就是調(diào)試在x c l 6 4 客戶系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行的用戶軟件。o c d s 通過調(diào)試接口，受外部 調(diào)試設(shè)備的控制，包括獨(dú)立的j 1 a g 接口和停止接口。調(diào)試系統(tǒng)通過一組可被盱a g 接 口訪問的o c d s 寄存器來管理調(diào)試任務(wù)。除此之外，o c d s 系統(tǒng)還可以由c p u 控制， 如監(jiān)視程序等。o c d s 連同內(nèi)核通過一個(gè)插入接口和停止端口來執(zhí)行o c d s 產(chǎn)生的指 令。 4 2 3 電源供給部分的電路設(shè)計(jì) e c u 單元及采集單元采用車載輔助蓄電池供電，輔助蓄電池電壓為1 2 v 直流，而 電池管理系統(tǒng)的元件供電電壓大都為+ 5 v ，并且x c l 6 4 c s 微控制器內(nèi)核要求供電電壓 為2 5 v ，故應(yīng)作d c d c 變換。 通常所用的線性穩(wěn)壓器件輸入和輸出的電壓必須在一定的比率范圍內(nèi)，壓差過大 時(shí)會(huì)造成穩(wěn)壓器件過熱或者不穩(wěn)定，而且只能接受高于穩(wěn)壓值的電壓供給，其電壓差值 全部轉(zhuǎn)化為熱量，損耗較大。 開關(guān)電源通常采用p w m 調(diào)制方式，能承受較大的輸入電壓( 如圖4 7 所示為開關(guān) 穩(wěn)壓器件l m 2 5 7 5 5 0 ，輸出電壓為+ 5 v ) ，效率較高，小壓差輸入基本不用散熱片。但 3 0 山東理工大學(xué)碩上學(xué)位論文第四章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 是開關(guān)器件本身的開關(guān)噪聲比較大，即紋波比線性電壓器件大，故本電路采用l 2 作互 感器，它能夠有效地濾掉由開關(guān)器件造成的紋波和由供電電源帶來的電壓波動(dòng)，并有效 地消除共模噪聲，提高電源質(zhì)量。 在圖4 _ 7 供電電源原理圖中，7 8 m 0 5 是穩(wěn)壓芯片，確保供電電壓輸出為5 v 、 0 5 a 。m c l l1 7 2 5 是d c d c 轉(zhuǎn)換芯片，把5 v 電壓轉(zhuǎn)換為2 5 v ，為x c l 6 4 c s 微控制 器內(nèi)核提供供電電壓。 圖4 7 電源系統(tǒng)電路 4 2 4 微控制器x c l 6 4 的a d c 模塊的應(yīng)用【5 5 】 系統(tǒng)的信號(hào)采集單元需要對(duì)所采集的模擬信號(hào)( 電流、電壓、溫度) 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 ( a d c ) 后，才能進(jìn)入e c u ，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。一般需用專用a d 芯片來實(shí)現(xiàn)a d c 變換。 但對(duì)于x c l 6 4 位控制器，芯片內(nèi)含有a d c 模塊，這樣不僅簡(jiǎn)化了電路，而且使系統(tǒng) 的可靠性大大提高。 lx c l 6 4 的模數(shù)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn) x c l 6 4 提供了精度為1 0 位( 或8 位) a d 轉(zhuǎn)換器，具有1 4 路復(fù)用的模擬輸入通道 口5 口的復(fù)用功能) ，包括集成采樣和保持功能。它采用了逐次逼近技術(shù)。x c l 6 4 的 a d c 模塊集合了功能強(qiáng)大的控制邏輯和尖端的模擬技術(shù)以實(shí)現(xiàn)嵌入式控制應(yīng)用日益增 長的需求。 a d c 模塊可以進(jìn)行自動(dòng)校正以適應(yīng)溫度的變化和不同的處理。為了使a d c 模塊 與外部電路相適應(yīng)，采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是可編程的。采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間由與標(biāo)準(zhǔn) x c l 6 4 a d c 兼容的寄存器a d c o n 中的專用位域來設(shè)置，或者由更高級(jí)的控制寄存器 a d c o n l 來設(shè)置，如圖4 - 8 和圖4 9 所示。 3 1 山東理工人學(xué)碩士學(xué)位論文第叫章電池管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) a d cc l r q a d c - e i r q 圖4 1 1x c l 6 鋤d c 模數(shù)轉(zhuǎn)換框圖 3a d c 通道選擇及提高精度的措施 在具體硬件實(shí)現(xiàn)及軟件編程中，我們采用兼容模式中的a d c 單通道連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 來實(shí)現(xiàn)電池檢測(cè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換模式及通道設(shè)置請(qǐng)參看圖4 - 8 圖4 1 0 。 x c l 6 4 的a d c 可生成1 0 位( r e s = 0 ) 或8 位( 】遼s = 1 ) 的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在調(diào)試中，由于數(shù)據(jù) 采集的噪聲干擾比較大，為了提高的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性，在硬件方面，采取在采樣引腳加阻容 濾波電路，在軟件方面，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采樣濾波處理。 4 3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 4 3 1 電池電壓采樣的實(shí)現(xiàn)d 6 】 電池電壓采樣是對(duì)電動(dòng)汽車電池組監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要任務(wù)，是電池管理系統(tǒng)正確管理 的重要依據(jù)。電池組由1 0 塊1 2 vv a 單電池串聯(lián)組成。顯然，只測(cè)量一