電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計及應用_圖文

1、堡曼墮!QQQ:Q墮!清華大學學報(自然科學版2007年第47卷第sz期CN ll一2223/N Jrsi“ghuaUniv(ScI&Techt2007。VoI.47,No.S2純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計及應用南金瑞,孫逢春,王建群(北京理工大學機械與車輛工程學院,北京10008126/50 183l1834摘要:針對目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動汽車使用曲主要能源動力電池,設計開發(fā)了電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機為核心,采用分布武網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構,可以實時檢測動力電池的各種運行參數(shù):電池soc、總電壓,總電流、單體模塊電壓、電池包內特征溫度l可以根據(jù)電池狀態(tài)進行故障診斷和報警,同時具有熱營

2、理功能等,秉統(tǒng)參數(shù)通過Pc進行標定,通過cAN總線與整車其他系統(tǒng)進行通信實現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)已經(jīng)在BK6121EV純電動公麥客車上安裝。實驗室和實車試驗結果表明,系統(tǒng)電池電壓涮量精度為1%滿足要求.系統(tǒng)各十功能運行穗定、可靠。關鍵詞:電動汽車電池管理系統(tǒng)動力電池I監(jiān)控系統(tǒng)中囝分類號:TN911.72;u270.1文獻標識碼:A文章編號:lOOO0054(z007S2一1831一04Electric VehicIe battery management systemNAN J時ui,SUN F郵gch帥,WANG JIanq帥(scho州of Mecha山c丑-蛆d Vehlcle EngIne耐

3、珥,ijjng hsIltute“Tech帥Iogy,miJI哩l吣幛1,Chi聃Abstract:An advanced battey mamgement8ystem wa3develoPed for completejy electric vehicles,the only one electdc vehicle8industrialize at present.The distrIbuted control3ystem8tructu比based on a si“gIe chip computef effectively monitorB variou8oPerating paramete

4、rs of the Power battefy in real time such as the state of cIIage (S(:,total volt89e,total curmt。Bj“gle module volt3釅,and temperatu弛s at specific points in the battery package.The sy￥tem then checks the battey8tate,Perform fault diagnosticB蛐d manage battery temperatures. The3ystem use8computeri趾d cal

5、ibr8tion and share5me啪ge日with other systems ln the vehicle tho“gh the CAN communkations8y8tem.Tests in a BK6121EV show that the battery volt89e iB mea8ured to witllin0.0l V ad that the sy3tem is3table and雎habk.Key-ards:electric vehicIo,battery management8ystemI power batteryI monitori“g Bnd contr01s

6、y5tem電動汽車的無(低污染優(yōu)點,使其成為當代汽車發(fā)展的主要方向“。電動汽車從為動力系統(tǒng)提供能源的角度來分類.主要分為:純電動、混合動力和燃料電池汽車。純電動汽車主要是由動力電池提供能源,目前技術相對成熟,可以進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應用?；旌蟿恿ζ囀怯扇加秃蛣恿π铍姵氐榷喾N能源共同提供能源,通過控制策略使內燃機動力源和電力動力源協(xié)調配合,實現(xiàn)最佳能量分配,既能保持電動汽車超低排放的優(yōu)點,又彌補了純電動行駛里程短的不足,是一種過渡車型,但是目前技術還沒有完全成熟I燃料電池汽車由燃料電池作為主要能源提供驅動汽車所需的功率,由于燃料電池是以氫氣為燃料,空氣(O。為氧化劑進行工作,其排放物質是沒有污染的

7、水,因此非常具有發(fā)展前景,但是目前技術還不成熟。作為目前唯一可以產(chǎn)業(yè)化的純電動汽車,其主要能源的動力電池是關鍵的部分,在整車成本中占有較高的比例,如在使用金屬鋰離子電池為主要能源的純電動大客車中,動力電池占整車成本的三分之一以上,因此為了延長電池的使用壽命,降低使用啦稿日期r20070412基疊項目:國家“八六三”高技術項目(2003AA501800作者簡介南金瑞(1972一,男(設.山西,講師.Bmnt Mnjl清華大學學報(自然科學版2007,47(S2成本,本文設計了動力電池管理系統(tǒng),實現(xiàn)對動力電池的在線監(jiān)測與控制。l電弛管理系統(tǒng)分析1.1系統(tǒng)結構在純電動汽車中將動力電池分組串并聯(lián)形成整

8、車高壓電源為整車提供動力源,如由北京理工大學和北方客車廠聯(lián)合研制開發(fā)的電動客車BFc6110EV共使用了306塊鋰離子電池,將3塊電池并聯(lián)形成組,最后將102組電池串連,動力電池分成8個電池包,裝在8個電池箱中。從整車角度考慮,設計電池管理系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構,系統(tǒng)結構和在車上的布置情況如圖1所示。系統(tǒng)中在每個電池包中布置電池測控模塊,各個電池測控模塊通過485總線與電池管理系統(tǒng)中央控制器連接在一起形成整個系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)中央控制器同時通過Rs232總線將監(jiān)控信息發(fā)送到信息顯示器,通過cAN總線接口與整車控制系統(tǒng)進行通信。圍l電池管理系統(tǒng)結構及在車上布置情況示意圉1.2系統(tǒng)功能分析

9、電池管理系統(tǒng)應具有如下功能:1參數(shù)檢測。實時采集電池充放電狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)有電池總電壓、電池總電流、每包電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等;2剩余電量(sOc估計。電池剩余能量相當于傳統(tǒng)車的油量。為了讓司機及時了解sOc,系統(tǒng)應即時采集充放電電流、電壓等參數(shù),通過相應的算法進行sOc的估計;3充放電控制。根據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對電池的充放電。若某個參數(shù)超標,如單體電池電壓過高或過低,為保證電池組的正常使用及性能的發(fā)揮。系統(tǒng)將切斷繼電器,停止電池的能量供給;4熱管理。實時采集每包電池測點溫度,通過對散熱風扇的控制防止電池溫度過高5均衡控制。由于每塊電池個體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原因,因此電池

10、在使用過程中不一致性會越來越嚴重。系統(tǒng)應能判斷并自動進行均衡處理;6故障診斷。通過對電池參數(shù)的采集,系統(tǒng)具有預測電池性能、故障診斷和提前報警等功能I7信息監(jiān)控。電池的主要信息在車載顯示終端進行實時顯示;8參數(shù)標定。由于不同的車型使用的電池類型、數(shù)量、電池包大小和數(shù)量不同,因此系統(tǒng)應具有對車型、車輛編號、電池類型和電池模式等信息標定的功能。電池管理系統(tǒng)通過Rs232接口與上位機標定軟件進行通信來實現(xiàn);9cAN 總線接口。根據(jù)整車cAN通信協(xié)議,與整車其他系統(tǒng)進行信息共享。2電池管理系統(tǒng)硬件設計根據(jù)動力電池管理系統(tǒng)功能和實際參與控制的對象,設計出電池管理系統(tǒng)中央控制器及電池測控模塊”131,電池管

11、理系統(tǒng)中央控制器結構如圖2所示。采用功能劃分和模塊化設計思想,系統(tǒng)分離成不同的功能模塊。電池管理系統(tǒng)中央控制器是整個系統(tǒng)的核心,微控制器選用集成了cAN控制器模塊的DsP56F807芯片,cAN收發(fā)器選用PCA82C250。通過CAN總線與其他控制系統(tǒng)進行通信I通過Rs485與電池測控模塊進行通信與管理f通過Rs232,實現(xiàn)與人機接口的通信,以及系統(tǒng)的標定等。電池測控模塊微控制器選用集成了2路12bIt精度A/D的Aduc812芯片,選用數(shù)字溫度傳感器Dsl8820口1采集電池包內測試點溫度。通過Rs485與中央控制器進行通信。由于電動汽車用電環(huán)境非常復雜,驅動電機、Dc/Dc和充電機都會產(chǎn)生

12、強的電磁干擾,從而影響信號在線檢測與控制系統(tǒng)的正常工作。為了減小電磁干擾,采取如下措施: 1在微控制器和cAN收發(fā)器之間加入高速光耦隔離器2單片機工作電源與車輛電源地線分離,消南金瑞,等;純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計及應用1833除地線竄擾的可能;3數(shù)字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝,屏蔽地搭鐵;4CAN總線選用屏蔽雙絞線,Rs485總線也選用雙絞線;5PcB制作盡量加漲Hl3路脈沖量輸入脈沖量保護與整形大線間距以降低導向間的分布電容,使導向垂直以減小磁場耦合,減小電源線走線有效面積;6選用性價比高的器件等。型開關量輸出驅動DSP56F9807光電隔離模擬信號僳護總線保護I l總線保護l l總線保

13、護與驅動I墜!塹Il!盟J I!翌田2電池管理系統(tǒng)中央控制器結構框圖3系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件均采用模塊化程序設計,中央控制器程序采用c語言編寫,根據(jù)系統(tǒng)具有的功能分為若干子程序,其中包括:標定子程序、soc估計子程序、故障分析子程序、信號監(jiān)控與報警子程序等I電池測控程序采用匯編語言編寫o。中央控制器主程序流程框圖如圖3所示?？紤]到電動汽車的運行環(huán)境,在系統(tǒng)硬件采用抗干擾措施的基礎上,進行了軟件抗干擾設計。在軟件設計中使用了濾波、冗余、軟件陷阱等技術,防止程序失效,保證系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)標定程序采用vB6.o進行開發(fā),采用模塊化程序設計,軟件的主要功能有:系統(tǒng)參數(shù)標定、數(shù)據(jù)實時采集與保存、數(shù)據(jù)和曲

14、線顯示(包括實時動態(tài)曲線,歷史曲線、繼電器輸出等“1。上位機軟件的結構框圖如圖4所示。4系統(tǒng)裝車試驗系統(tǒng)設計完成后,經(jīng)過實驗室考核及算法驗證,已安裝在BFc6110EV和HFF6110GK50電動大客車上,這2種車型分別使用了3.6V/200A.h金屬鋰離子電池和12v/85A.h的鉛酸電池。結合這2種車型的場地試驗03進行了系統(tǒng)的聯(lián)合調試。圖5圉3中央控制器主程序流程圍 純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計及應用作者:南金瑞, 孫逢春, 王建群, NAN Jinrui, SUN Fengchun, WANG Jianqun作者單位:北京理工大學,機械與車輛工程學院,北京,100081刊名: 清華大學

15、學報(自然科學版英文刊名:JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY年,卷(期:2007,47(z2引用次數(shù):3次參考文獻(5條1.孫逢春.張承寧.祝家光電動汽車-21世紀的重要交通工具 19972.金偉正單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應用期刊論文-電子技術應用 2000(63.張振榮.晉明武.王毅平MCS-51單片機原理及實用技術 20004.王建群.傅立鼎.南金瑞分布式溫度測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 2002(105.廖權來.羅玉濤電動汽車的試驗研究期刊論文-機械工程學報 1997(5相似文獻(10條1.學位論文廖曉軍基于DSP的電動汽

16、車電池管理系統(tǒng)2007環(huán)境和能源問題要求未來的汽車提高效率、降低污染。電動汽車的開發(fā)雖然已有了很大的進展,但仍需要取得進一步的突破。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車的關鍵技術之一,不僅不助于提高動力電池工作的有效性,增加電動汽車的續(xù)駛里程,而且有助于提高動力電池使用的安全性,并延長其使用壽命。因此,本文致力于開發(fā)更高效、更實用的電池管理系統(tǒng),深入討論了電池管理系統(tǒng)的設計思想與實現(xiàn)方法,對鎳氫電池充放電容量的預測和估算方法進行了研究。 本文在大量充放電模擬試驗和隨車試驗數(shù)據(jù)采集的基礎上,詳細分析了鎳氫蓄電池的工作原理和充放電特性,并對影響電池容量的主要因素進行了探討。針對動力電池的狀態(tài)特點,提出一種采用

17、了安時法和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的SOC估算方法,并通過Matlab和Advisor軟件進行了仿真驗證。結果表明,新的SOC估算方法能較為準確而快捷地反映動力電池實際工作狀況。 構建了基于最新32位DSP芯片TMS320C2812的電池管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)為分布式結構,各電池組模塊與DSP主控制器之間采用CAN總線進行通信。完成了系統(tǒng)的軟硬件設計,并在CCS2000開發(fā)環(huán)境中行了軟硬件調試。 在電池管理系統(tǒng)中增加了基于USB接口的數(shù)據(jù)通信和存儲接口。在USB1.1通信協(xié)議、海量存儲設備類協(xié)議、磁盤讀寫命令集和FAT文件系統(tǒng)等眾多協(xié)議和規(guī)范的基礎上,完成了該接口的硬件制作和較件調試,使得電池管理系統(tǒng)中

18、的各項信息數(shù)據(jù)可以直接寫入U盤中存儲,極大地提高了電池管理系統(tǒng)的開發(fā)效率。 本論文在理論和工程應用中都取得了較大的進展,為進一步研究電池管理系統(tǒng)提供了有價值的理論依據(jù)和工程應用參考。2.會議論文宮學庚.齊鉑金.劉有兵基于CAN總線的電動汽車電池管理系統(tǒng)分布式設計的研究2003該文將CAN總線技術應用在電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計上,提出了一種基于CAN總線的分布式設計方案,詳細介紹了該設計思路的原理,CAN總線通信協(xié)議的測定,CAN總線接口電路的硬件設計以及CAN總線信息發(fā)送與接收軟件的設計.基于CAN總線設計的分布式電池管理系統(tǒng)體積小,線束簡單,能夠高效靈活地利用電動汽車有限的空間資源,數(shù)據(jù)和

19、控制指令的通信更加可靠,速度更快,電磁兼容性得到了很好得改善.3.學位論文張巍純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究2008隨著社會的發(fā)展以及能源、環(huán)保等問題的日益突出,純電動汽車以其零排放,噪聲低等優(yōu)點越來越受到世界各國的重視,被稱作綠色環(huán)保車。作為發(fā)展電動車的關鍵技術之一的電池管理系統(tǒng)(BMS,是電動車產(chǎn)業(yè)化的關鍵。本課題配合“基于開關磁阻電機的電動汽車的研制”,研制適用于純電動汽車的電池管理系統(tǒng)。 電池管理系統(tǒng)直接檢測及管理電動汽車的儲能電池運行的全過程,包括電池基本信息測量、電量估計、單體電池間的均衡、電池故障診斷幾個方面。 本論文主要工作是研制適用于純電動汽車的蓄電池管理系統(tǒng)。研究鉛酸蓄電池二

20、階模型的建立與剩余容量的卡爾曼濾波估算方法。分析鉛酸蓄電池的基本工作原理和影響蓄電池組剩余容量SOC(state of charge的主要因素。 介紹了基于DSP2407的蓄電池組控制器的硬件平臺,完成DSP小系統(tǒng)、電池數(shù)據(jù)采集電路、信號調理電路、CAN總線相關電路等硬件電路設計、調試、完善。獨立完成系統(tǒng)所有軟件設計,包括:主程序設計,電池基本信息檢測子程序設計,電池剩余電量卡爾曼濾波估算程序設計,電池狀態(tài)檢測子程序設計,CAN收發(fā)子程序設計,EEPROM讀寫子程序設計。 最后,在電動汽車上搭建實驗平臺,將鉛酸蓄電池組與設計的軟硬件系統(tǒng)聯(lián)合進行調試、試驗。測得了相關數(shù)據(jù)。試驗結果表明,本文介紹

21、的電池管理系統(tǒng)硬件電路可靠、經(jīng)濟、抗干擾能力強。可以實現(xiàn):電池電壓、電流、溫度的模擬量采集;剩余電量的計算和電池狀態(tài)的判斷;實時顯示,故障時報警等BMS相關功能。4.期刊論文曹瑩瑜.齊鉑金.鄭敏信電動汽車電池管理系統(tǒng)抗干擾設計-工業(yè)控制計算機2005,18(12分析了電動汽車電池管理系統(tǒng)干擾形成的原因,在此基礎上針對干擾源從硬件和軟件兩方面提出了一些抗干擾措施,在車輛實際運行中,電池管理系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠的工作,實踐證明這些抗干擾設計可行,有效.5.學位論文黃章華基于ARM和CAN的電動汽車電池管理系統(tǒng)2008傳統(tǒng)內燃機車因能源和環(huán)保等問題日益不能滿足人們的要求,而電動汽車以節(jié)能環(huán)保、結構簡單、

22、易于普及等優(yōu)點,得到了很大的發(fā)展,并被公認為是21世紀世界汽車工業(yè)改造和發(fā)展的主要方向。 目前在電動汽車中應用的電池組主要由多個單體電池串聯(lián)而成,單體電池間的充放電性能差異很大,為了防止電池出現(xiàn)過充、過放及溫度過高等問題,要求準確監(jiān)測電池電量,及時對電量不足的電池進行充電。同時要實時監(jiān)測電池溫度,及時發(fā)現(xiàn)和處理溫度異常的電池。這樣才能延長電池使用壽命,提高電池工作可靠性。因此如何有效管理和監(jiān)控電池成為電動汽車的關鍵技術之一,電池管理系統(tǒng)也在這種背景下應運而生,而且成為電動汽車的重要組成部分。 本文利用嵌入式技術和CAN總線技術,采用最小化系統(tǒng)的思路,設計了電動汽車電池管理系統(tǒng)。在保證最小化系統(tǒng)

23、正常工作的前提下,可根據(jù)實際應用需要擴展至最大化系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)包括多個電池監(jiān)控節(jié)點,CAN通訊網(wǎng)絡和上位機。 首先,電池監(jiān)控節(jié)點采用了模塊化的設計思路,分為主芯片、參數(shù)采集模塊、CAN通訊模塊、串口通訊模塊等。主芯片采用了ATmega16,參數(shù)采集模塊采用了美國DALLAS公司的單總線技術,可直接測量電池電流、電壓和溫度,連線簡單,性能可靠。 其次,建立了良好的數(shù)據(jù)傳輸通道。各電池監(jiān)控節(jié)點采集電池參數(shù)之后可以通過CAN總線將數(shù)據(jù)送到主節(jié)點,主節(jié)點通過串口將數(shù)據(jù)送給上位機。反之,上位機也可發(fā)送控制參數(shù)繪主節(jié)點,由主節(jié)點轉發(fā)給各個電池監(jiān)控節(jié)點。 最后,利用S3C44BOX開發(fā)板搭建了上位機管理

24、平臺,在uC/OS-操作系統(tǒng)的支持下,能有效實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)多種任務的調度。采用觸摸屏技術,結合uC/GUI圖形界面,能以列表、波形圖等形式直觀顯示電池參數(shù),同時省去了傳統(tǒng)按鍵設計,直接在觸摸屏上進行操控,人機交互更為友好。6.學位論文李海軍電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究2008本課題以云雀轎車改裝的雙輪驅動純電動汽車(EV為試驗平臺,以閥控式鉛酸蓄電池為研究對象,研制適用于電動汽車的電池管理系統(tǒng)。目的是延MATLAB/Simulink仿真驗證估算方法的精確性。在設計電池管理系統(tǒng)時，采用分散采集集中處理的電池管理系統(tǒng)設計方案，即首先對各個單電池的基本信 息進行采集，然后由電池管理系統(tǒng)的控制芯片(I

25、nfineon XC164CS進行集中處理計算，從而得出電池荷電狀態(tài)和電池工作狀態(tài)等信息。在硬件設計中詳 細介紹了ECU控制單元、信號采集電路、主電路短路保護電路、CAN通信接口電路等的設計。利用XC166集成開發(fā)環(huán)境Tasking與Simulink Real-Time Workshop(RTW連接進行代碼的硬件仿真與軟件調試，采用V字型的開發(fā)流程，使各個開發(fā)階段之間實現(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計的電池管理系統(tǒng)聯(lián)合進行調試、試驗。試驗結果表明，本文所設計的電池管理系統(tǒng)(BMS可以實現(xiàn)蓄電 池的電壓、放電電流、溫度等模擬量的采集，能夠對電

26、池剩余電量和電池荷電狀態(tài)進行估算，液晶顯示板能實時顯示電池剩余電量并能夠進行故障報警 。 7.期刊論文 楊朔.何莉萍.鐘志華 基于CAN總線的電動汽車電池管理系統(tǒng) -貴州工業(yè)大學學報(自然科學版 2004,33(2 對CAN總線在電動汽車電池管理系統(tǒng)中的應用作了詳細的闡述,介紹了以P8xC591單片機為核心的電動汽車電池電控單元(ECU的軟硬件的設計. 8.學位論文 張術 電動汽車電池管理系統(tǒng)軟件設計與SOC估算策略研究 2006 隨著世界人口的劇增，全球的汽車數(shù)量也急劇上升，對能源的需求越來越大，對環(huán)境的污染也越來越嚴重。為了緩解能源和環(huán)境污染的壓力，各國 都把電動汽車作為現(xiàn)在燃油汽車的替代

27、品進行研究和開發(fā)，電動汽車作為未來汽車的發(fā)展方向，越來越受到人們的重視。但是電動汽車的發(fā)展尚有很多 問題需要解決，動力電池及其管理系統(tǒng)就是幾個關鍵技術中的一個，而電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC的計算更是電池管理系統(tǒng)中的重要技術 ，本文的主要任務就是圍繞電動汽車電池管理系統(tǒng)進行鋰離子動力電池荷電狀態(tài)算法的研究，并完成系統(tǒng)相關軟件的設計。 文章首先對課題背景 作了簡要介紹，分析了電池管理系統(tǒng)的幾個關鍵技術，介紹了電池荷電狀態(tài)的定義，并介紹了本論文的研究內容和結構。 然后對鋰離子電池的工 作原理作了簡要介紹，并分析了影響電池荷電狀態(tài)的主要因素及其處理方法，對常用的電池模型作了分析和介紹。在此基礎上結合電流積分模型和 Thevenin模型建立了鋰離子動力電池的狀態(tài)空間模型，給出了模型參數(shù)的實驗測取方法和數(shù)學辨識方法。 接下來介紹了SOC的常用算法，并對其中 的推廣卡爾曼濾波算法作了深入研究，并給出了仿真和實驗結果，對算法的抗干擾能力和魯棒性等作了驗證；然后介紹了一種帶加權因子的SOC算法，并 給出了仿真和實驗結果