1、畢業設計(論文)正文題 目基于混合動力電動汽車電池管理系統的研究與設計專 業汽車工程班 級機械與汽車工程學院汽車工程0811班姓 名學 號指導教師職 稱2012年 5 月 25 日摘 要 隨著能源和環保問題的日益突出，混合動力電動汽車（HEV）以其排放低，噪聲低等優點而受到世界各國的高度重視，作為發展電動汽車的關鍵技術之一的電池能量管理系統（BMS）,是電動車商品化、實用化的關鍵，且混合動力電動汽車的行駛工況十分復雜，對蓄電池的壽命影響很大，鋰電池的使用壽命又是有限的。因此，對混合動力電動汽車電池管理系統的研究與設計是很有必要的。混合動力電動汽車電池管理系統是保證動力電池性能的重要手段，它負責

2、監控電池的各個工作參數，包括電壓、電流、溫度、電量等。同時還為能量的總成控制提供了必要的參數。本文介紹了電池管理系統國內外研究現狀以及混合動力技術對電池的要求，對電池管理系統作了簡要概述，并介紹了電池管理系統的基本功用，且對其進行了分析，在此基礎上提出了電池管理系統的設計要求。接著以鋰離子電池為例，介紹了鋰離子電池的工作特性及電池剩余容量（SOC）的估算。最后，對混合動力電動汽車電池管理系統的硬件和軟件進行了設計。關鍵字：混合動力電動汽車；電池管理系統；荷電狀態AbstractCountries around the world attach great importance to energ

3、y and environmental issues become increasingly prominent, the hybrid electric vehicle (HEV) for its low emissions, noise and low, as one of the key development of electric vehicles, battery energy management system (BMS), is the commercialization of electric vehicles, the key to the practical, and h

4、ybrid electric vehicle driving conditions very complex, a great influence on the life of the battery, lithium battery life is limited. Therefore, the research and design of hybrid electric vehicle battery management system is necessary.Hybrid electric vehicle battery management system is to ensure t

5、hat an important means of the power cell, which is responsible for monitoring battery parameters, including voltage, current, temperature, power, etc. Also provides the necessary parameters to the energy of the assembly control.This article describes a battery management system, research status, as

6、well as hybrid technology requirements of the battery, the battery management system gave a brief overview and introduction to the basics of the battery management system, and its analysis, based on the battery management system design requirements. Followed by lithium-ion battery, for example, the

7、estimate of the operating characteristics of the lithium-ion battery and battery remaining capacity (SOC). Finally, the hybrid electric vehicle battery management system hardware and software design.Keywords:Hybrid electric vehicle; battery management system; state of charge目 錄摘 要IAbstractII目 錄I第一章

8、緒論11.1電池管理系統國內外研究現狀11.2混合動力技術對電池的要求2第二章 電池管理系統概述42.1什么是電池管理系統42.2電池管理系統工作環境42.3電池管理系統的基本功能42.4電池管理系統的功能分析5電池參數檢測5電池狀態估計與輸出5電池充放電過程優化5電池組熱量管理6電池故障診斷及安全預警62.5電池管理系統設計要求6第三章 鋰離子電池的工作特性與SOC的估算73.1鋰離子電池的工作原理73.2鋰離子電池基本電特性7鋰離子電池充電特性7鋰離子動力電池放電特性83.3鋰離子電池SOC的估算9第四章 電池管理系統硬件電路設計114.1 電源及MCU114.2單體電壓測量114.3電池

9、組均衡124.4溫度測量134.5總電壓測量134.6總電流測量144.7絕緣測量154.8通訊部分164.9高壓控制及其他174.10硬件的布局17第五章 電池管理系統軟件設計195.1從板程序設計195.2主板程序設計19總結21參考文獻22致謝23第一章 緒論1.1電池管理系統國內外研究現狀電動汽車在廣義上可以分為三類，純電動汽車（BEV），混合動力電動汽車（HEV），燃料電池電動汽車（FCEV）。目前，這三種電動汽車都處于不同的發展階段，面對著不同的困難和挑戰。BEV只適用于低速短距離的運輸，而HEV既能滿足用戶的需求，又能實現低油耗、低排放。在目前的技術水平和發展條件下，HEV是比較

10、理想的交通工具，但它必須具備兩個動力源，即發動機、蓄電池與電機混合應用提供動力。現今，混合動力電動汽車已實現了商業化。優越的混合動力電動汽車結合了發動機和電機的優點，成功改善了尾氣的排放，提高了燃油消耗率，降低了油耗。并且不需要充電站等純電動車所需的配套設施。這種優點完全適應了燃油緊張的今天，是一種準綠色汽車。然而，混合動力電動汽車的關鍵技術之一，即電池管理系統(BMS)，還不完善，需要進一了解研究和設計。因而，很有必要先了解國內外電池管理系統的發展狀況。電池管理系統是電動汽車中越來越重要的關鍵部分，我國在這方面的研究剛剛起步，即使在美國等汽車工業發達國家，其研制工作也不完善。從有關資料來看，

11、美國一直站在世界汽車技術領域的最前列，在混合動力電動汽車的電池管理系統的研究方面也走在世界各國的前列。通用汽車公司的BMS 采用了一個微電腦，對電池組進行管理。監測和控制蓄電池組的充放電工作狀態，提高電池的充放電性能，預測蓄電池組的荷電狀態和剩余能量。在歐洲，法國是電動汽車發展較快的國家。法國電動車電池能量管理系統的主要功能為：電池壽命的記錄、充電監測、行駛過程中電池的管理、輔助電池的維護、剩余電量顯示。它防止對電池的有害使用，收集電池信息從而確定如何恰當使用和更換電池，最大限度地提高電池的能量使用效率。在德國，西門子公司開發的電池管理系統，其充電控制可以使系統跟蹤電池充電特性曲線。進行充電，

12、提高充電效率，節約電能。電池管理系統對電池組的工作狀況進行監控，檢測電池組的電量消耗和剩余能量等，將有關信息反饋到儀表板的儀表和信號裝置上。通過 DC-DC 變換器保證電器系統的能源供應和器件正常運行。在亞洲，日本本田公司開發的車用電池能量管理系統包括：管理控制模塊、車載充電器、慣性控制開關、高壓系統安全檢測裝置、DC-DC 變換器等。如果電動汽車發生碰撞時，會立即切斷電源，從而保證用電安全。在韓國，有人研究光伏系統中的蓄電池狀態的監測。鉛酸蓄電池作為獨立光伏系統的能量的儲存設備，可防止過度放電和過度充電，對延長整個系統的服務壽命非常重要。蓄電池組的監測內容有：單電池電壓、電池組電壓、通過電池

13、組的電流及電解液的比重等。每一個被選擇的單電池電壓使用一個便攜式數據采集系統監測。這個系統中有一個 20 個通道的掃描器、一個數字多路選擇器及一個筆記本電腦。電解液的比重是通過數字比重計測量。研究的監測系統不僅要監測以上這些內容，而且采用了一種“電流中斷技術”，以測量電池組充電時電池的內部電阻。根據單電壓和電流的關系，通過連續測量內部電阻以監測電池的老化趨勢。國外有人研究 VMS（VRLABattery Management System）閥控密封鉛酸蓄電池管理系統。這個管理系統不是簡單的監測蓄電池，而是設計成具有管理和控制蓄電池的功能。此系統的目的是改變蓄電池“恒壓充電”的方法。因為恒壓充電

14、的方法不能滿足不同蓄電池所需的不同充電電流。系統監測的內容包括：單電池電壓、電池內部溫度、放電電流及放電過程中測量電池組總電壓。VMS 中包含了 BMS。它是在監測的基礎上對蓄電池進行分析，并進行管理和控制。這樣更有利于對蓄電池的維護，延長蓄電池使用壽命。 國外蓄電池監測系統的技術比較成熟，并且研究發展了蓄電池管理系統。在蓄電池管理系統中，監測的電池參數有所不同，研究的方法更復雜。國外先進技術及研究成果對我國進一步進行有關蓄電池管理方面的研究，可以起到借鑒作用。 我國從 70 年代開始研制電動汽車，曾經制造出一些樣車進行試驗，但由于資金、人力有限，未取得什么進展。1992 年，電動汽車第一次被

15、列入國家科技攻關項目，由國家科委、國家計委、國防科工委、國家經貿委等資助研制微型電動汽車、電動大客車及與之配套的電池、電機、充電器等，使我國電動汽車水平有了明顯的進步。1996 年，國家科委把電動汽車列入“九五”國家重大產業工程項目，所列的 4 個課題全部啟動，即電動概念車的研制、電動改裝車的研制、電動汽車應用示范區的建立和有關電動汽車的政策、法規、標準、運行機制和關鍵技術的研究。至此，我國全面拉開了電動汽車研究與開發的序幕。 我國對電動車的發展十分重視，在“十一五”規劃中被列為國家高科技攻關項目，同時被列為國家“863”科技攻關項目，該專項確定了以燃料電池汽車、混合動力電動汽車、純電動汽車三

16、種車型為“三縱”，以多能源動力總成、電動汽車驅動電機、電動汽車動力電池三種共性技術為“三橫”的“三縱三橫”的研發布局。 盡管國內的起步較晚，由于國家政策的推動，以及國內各汽車公司、高校和研究機構的共同努力，混合動力汽車電池管理系統的研究水平與國外的差距正在被逐漸縮小，正在慢慢接近世界先進水平。 1.2混合動力技術對電池的要求 動力電池的主要性能指標包括比能量、比功率和使用壽命等。要使電動汽車成為現實，所以其儲能源必須滿足以下四個條件：比能量高、比功率大、使用壽命長和成本低廉。為了實現電動汽車在技術性能上與燃油汽車抗衡這一目標，動力電池的基本要求如下：1. 高質量比容量、高體積比容量； 2. 高

17、質量比功率、高體積比功率： 3. 長的循環壽命，充放電循環次數多，工作時間長； 4. 較好的充放電性能，大電流充放電性能、抗過充和過放能力好； 5. 電池穩定性好，整體電池性能重現性好，且在使用壽命期限內，性能應衰減緩慢； 6. 使用溫度范圍廣，應能在-40 +125 范圍使用，特別是低溫放電性能應衰減不大； 7. 價格較低，便于推廣應用； 8. 從使用維護方便考慮，應發展密封免維護蓄電池； 9. 使用安全，沒有腐蝕、易燃和易爆的危險； 10. 生產和使用過程應對環境無污染，廢電池應易于回收再生。 第二章 電池管理系統概述 作為混合動力電動汽車的動力電池有很多種選擇，比如常見的包括閥控鉛酸電池

18、(VRLA)、鎳-鎳電池(Ni-Cd)、鎳-鋅電池(Ni-Zn)、鎳基電池(Ni-MH)、鋅空氣電池(Zn-Air)、鋁空氣電池(AI/Air)、鈉硫電池(Na/S)、鈉鎳氯化物電池(Na/NiCl2)、鋰聚合物電池(Li-Polymer)和鎳離子電池(Ii-Ion)等多種類型。但由于鋰離子電池端電壓高、比能量大、充放電壽命長、放電性能穩定、自放電率低和無污染的特點，鋰離子電池如今已被用在混合動力電動車車上用作動力能源，成為電動車發展的一個新趨勢。故本文對鋰離子電池管理系統進行研究與設計。2.1什么是電池管理系統 電池管理系統又稱為智能電池測量系統，是一個全面測量電池參數，可以根據當前電池狀態

19、，完成相應的控制動作，并提供與其它系統的通訊能力的系統。帶有電池管理系統的電池稱為智能電池。對于智能電池的定義，不同的機構有不同的闡述，著名的電池標準機構SBSIF(Smart Battery System Implementer Forum)的定義是：至少要能提供電池的荷電狀態SOC(State of Charge)的電池。對于使用者來說除了SOC和電壓、電流之外還非常關心電池的使用壽命，電池的使用壽命用健康狀態(State of Health)來表示。常用的鋰電池的使用壽命為300到500個充放電循環。電池管理系統控制著電池的充電和放電，負責精確的估算任意時刻電池的狀態和容量，估算電池的S

20、OC是電池管理系統的主要職責之一。電池管理系統的另外的功能是有效的利用可回收能量，增加電池系統的可靠性和使用壽命。2.2電池管理系統工作環境 由于電池組用于混合動力汽車，其放電環境與一般的電池放電不一樣，主要是以大電流脈沖放電為主并輔以小電流短時間持續放電，在汽車啟動瞬間會有高達150安培左右的脈沖放電，放電時間一般在10秒左右，在加速時會有30安培左右的短時間持續放電，而在汽車正常行駛或減速時會對電池組進行充電，充電電流一般為-30安培左右。由于汽車行駛具有不確定性，一般來說脈沖放電對電池SOC的影響不大，但是大電流持續放電對電池SOC的影響是很大的，另外汽車在行駛過程中外部溫度會經常改變，

21、這也會對電池的SOC有較大影響。再有就是電動機的啟停會有很嚴重的電磁干擾，這些都會增加精確測量的難度。2.3電池管理系統的基本功能 綜合國內外的研究工作，開發的混合動力汽車電池管理系統應具有如下幾方面的基本功能： 1.對混合動力汽車動力電池組中的每組電池的端電壓和溫度進行實時采集； 2.對整個電池組的充放電電流進行采集，建立每組電池的使用歷史檔案； 3.隨時預報混合動力汽車儲能電池的剩余電量，使駕駛員在行車過程中做到心中有數，配合整車控制策略良好運行； 4.電池需要充電時，及時報警，以防止電池過充電而影響其使用壽命； 5.混合動力汽車運行時，如果電池組中有哪塊電池損壞了或因使用時間過長而老化，

22、能量管理系統自動報警，并顯示有關信息，以便操作者及時更換舊電池，從而提高系統的可靠性，延長其它電池的使用壽命； 6.高壓動力電池組用電安全控制； 7.及時發送電池信息給整車控制單元，以實現整車的控制。2.4電池管理系統的功能分析2.4.1電池參數檢測 電池參數檢測是電池管理系統最基本和最重要的功用，荷電狀態及剩余電量的計算、充放電優化及故障預警都是以各種電池參數為依據。要求能夠測量串聯電池組每塊電池的電壓、溫度、電池組電壓，充放電電流等參數對時間的參數。 電池檢測要求能夠滿足系統對采集精度和實時性要求，并能在任何電池狀態時連續采樣，采樣頻率取決于電池管理系統的控制策略和算法，檢測結構部分盡量少

23、消耗或不消耗電池電能。2.4.2電池狀態估計與輸出 電動汽車必須能夠精確估計電池狀態，電池狀態包括荷電狀態和健康狀態。并能據此及時通知駕駛者可行駛里程和電池壽命信息等，避免車輛因電量不足被迫停在路上 ，同時幫助駕駛者最大限度的利用電池的可用容量。對于無需充電的混合動力電動汽車，準確估計電池的荷電狀態和健康狀態是進行充放電能量管理的必要條件。因此電池狀態的估計一直是發展混合動力電動汽車的關鍵技術和研究重點。 預測電池荷電狀態，必須考慮電池容量隨放電電量、環境溫度、循環壽命及自放電（車輛停駛時間）等條件的變化而變化。上述影響因數對電池容量的影響對多數化學電池而言，還沒有精辟的理論模型，使得電池荷電

24、狀態精確預測也成為電池管理系統的重點和難點。 2.4.3電池充放電過程優化 由于電動汽車驅動電機電壓和功率的要求，動力電池必須以串聯和并聯的方式組合起來。實踐證明，在通常工作條件下，電池組的壽命與串聯電池數呈接近指數下降的關系。造成這一現象的原因是，有制造工藝和所處溫度差異等因素的影響，電池間的容量、電壓和內阻存在微小差異，這些差異在電池組充放電過程中，會逐漸放大，在遠未達到單個電池循環壽命前，個別電池會出現過放電和過充電導致容量下降、甚至失效，加重其周期電池的負荷，造成串聯電池的損壞，電池管理系統要能夠在充放電過程中，采用優化的充放電控制模式，并采用合適的方法均衡電池間的差異，保持個電池容量

25、的一致性，延長電池組的使用壽命，降低混合電動汽車的使用成本。2.4.4電池組熱量管理 環境溫度過高或過低都會影響電池的性能。在混合動力電動汽車上電池模塊一串聯或并聯的方式組成電池組，已達到容量和電壓的要求，并以某種方式 安裝在電池箱中，由于各塊電池內阻的差異而引起在工作中發熱量的不一致性，以及電池在電池箱中所處位置的差異而引起的電池模塊傳熱效率的不一致，會造成電池組內電池之間溫度的差異。溫度差異是造成電池容量和電壓不一致的重要原因，特別是對溫度比較敏感的電池。 為是電池組發揮良好的性能、具有更長的壽命并保證使用安全，就要對電池組進行熱量管理，使其保持在河里溫度范圍內，并使的單塊電池間溫度均衡

26、。熱管理系統必須具有以下功能：電池組溫度過高時的有效散熱、低溫條件下的快速加熱，保證所有電池較好的溫度一致性和有害氣體產生時的有效通風。 2.4.5電池故障診斷及安全預警 由于道路行駛條件比較復雜，特別是雨雪天氣和交通事故條件下也要保證汽車的安全性，避免出現電路故障特別是短路故障。對于充電過程中的有害氣體析出或者出現溫度過高的電池，要采取措施避免發生爆炸。 電池管理系統的故障診斷和安全預警功能，用于診斷電池電路故障，并在出現過放、過充及超溫現象時，及時采取措施并報警。2.4.6通信功能 電池管理系統和車載設備或非車載設備的通信是其重要功能之一，根據應用需要，數據交換可采用不同的通信接口，如CA

27、N總線或I2C串行接口等。 2.5電池管理系統設計要求 為了滿足混合動力汽車電控系統的需要，對電池管理系統的基本功能提出了以下要求： 1.監測單個電池單體電壓 2.監測整個蓄電池組電壓（誤差小于1%） 3.監測蓄電池組溫度 4.蓄電池組通風控制 5.計算蓄電池組壽命 6.監測電池充放電電流（誤差小于1%） 7.蓄電池組最大允許充、放電流計算并輸出 8.蓄電池組容量計算并輸出 9.SOC計算并輸出（誤差小于5%） 10.避免蓄電池組的過充過放電 11.具有過流保護、高壓電路中有熔斷器 12.蓄電池組最低電壓和最高電壓13.監測蓄電池組狀態，并在蓄電池組壽命受到影響時輸出信號，點亮壽命警告燈第三章

28、 鋰離子電池的工作特性與SOC的估算3.1鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正負極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成，正極采用鋰化合物LixCo2，LixNiO2或LiMn2O4,負極采用鋰-碳層間化合物LixC6,電解質為LiPF6和LiAsF6等有機溶液。電池通過正極產生的鋰離子在負極碳材中的嵌入與遷出 來實現電池的充放電過程,當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,充電容量與嵌入的鋰離子成正比。當對電池進行放電時,嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多,放電

29、容量越高。 鋰離子電池的工作原理如圖3-1： 圖3-1 鋰離子電池的工作原理 由圖可知，該電池的工作過程僅僅是鋰離子從一個電極脫嵌，進入另一個電極嵌入的過程。且電池的反應式如下： 正極反應：LiCoO2 Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- 負極反應：C + xLi+ + xe-LixC 電池總反應：LiCoO2 + CLi(1-x)CoO2 + LixC3.2鋰離子電池基本電特性查閱相關文獻資料可詳細的了解鋰離子電池的充放電特性：3.2.1鋰離子電池充電特性鋰離子動力電池的充電試驗測試結果見圖3-2。 圖3-2 鋰離子電池的充電特性 在a圖中電池端電壓在充電初始時刻有比較大的上升

30、率,而隨著充電過程 的不斷進行,電池端電壓逐漸趨于平穩。由b圖可以看出,鋰離子動力電池在智能模式充電方式下,充電電流在開始時迅速達到比較大的值,而后幾乎線性下降,在420 min時,電池基本已經到達滿充狀態。電池在充電始末溫升在3之內(環境溫度為15),說明在智能模式充電的方式下鋰離子動力電池的電流接受能力良好,充電效率較高。3.2.2鋰離子動力電池放電特性鋰離子動力電池的放電試驗測試結果見圖3-3： 圖3-3 鋰離子電池的放電特性 由圖a和圖b可以看出,鋰離子動力電池恒流放電情況下的工作電壓變化分3段:在放電初始階段,電池工作電壓下降迅速,最大可達1.5 V/h以上;而后進入線形下降區,也就

31、是鋰離子電池動力電池的工作階段,持續工作時間隨放電率的不同而有所不同,電壓下降速率也會因為放電率的不同而變化;在放電接近終止時,電池工作電壓又開始急劇下降,下降速率迅速上升,如果沒有很好的防護措施,有可能損壞電池。 由圖b可知,鋰離子動力電池的工作電壓變化與放電深度存在著密切關系,在放電深度20%DOD85%內存在近似的線形關系,由此通過檢測電池電壓特性可以準確預測電池電量狀態。同時,由圖c可知,電池釋放的能量與放電深度之間也是成正比例關系,而且幾乎與電池放電率沒有關系,所以,在使用過程中,借助電池的放電深度就可以準確計算電池剩余能量,從而計算出車輛的剩余續駛里程。 第1次放電采用30 A恒流

32、放電,放電電量171 Ah,放電能量649.762 Wh,體積比能量377.82Wh/L。第2次放電采用50 A恒流放電,放電電量173.16 A h,放電能量647.385 W h,體積比能量376.53 Wh/L。30A放電在80%的放電深度時,電池釋放能量為463Wh,質量比能量為118.72 Wh/kg;50A放電在放電深度達到80%時,電池釋放能量為460Wh,質量比能量為117.95 Wh/kg,鋰離子動力電池比較高的體積比能量和質量比能量能夠降低動力電池質量占電動車整車質量的百分比,從而提高電動車的續駛能力,并解決動力電池在電動車上的布置問題。由于鋰離子動力電池對的溫度變化比較敏

33、感,在試驗過程中,對鋰離子電池表面的溫升進行檢測,結果如圖2d所示。在恒流放電模式下,鋰離子動力電池表面溫度以線形關系上升。在環境溫度為15的條件下,30 A放電的溫升速率為 2.5/h左右,50 A放電的溫升速率為4.9/h左右。為了保證鋰離子動力電池在電動車上的安全使用,應該注意設置電池的溫度監測功能,并注意電池箱的通風散熱設計。3.3鋰離子電池SOC的估算 電池荷電狀態(SOC一State of Charge)的計算，始終是BMS的難點和重點之一。因為電池工作的高非線性，電池工作環境的難預測性，電動汽車工作的過程也是一個多變的過程其放電倍率可能隨時變化，電池本身的狀態還要受其壽命影響，這

34、些因素都促成SOC的估算很難達到理想化的效果。SOC是電池管理系統的重要參數，它是電池電量的直接反映，一方面為司機提供續駛里程的重要信息，另一方面也為電池的管理和維護提供重要依據，因為電池的過沖、過放都會導致電池壽命的下降，甚至發生燃燒或爆炸，造成嚴重的后果。因此嚴格監控電池組的SOC是電池管理系統的一項重要任務。 常見的SOC算法包括安時法、電壓法、內阻發、神經網絡法卡爾曼濾波法等。其中安時法產生累積誤差且無法消除;電壓法和內阻法是根據電池電壓和內阻與SOC的固定函數關系來對SOC進行估計，也得到廣泛使用;神經網絡法和卡爾曼濾波法是最近幾年才應用于SOC估計中的智能算法，原來較為復雜，實現起

35、來有 一定的難度。理論上，SOC的定義如下: （31） 式中:Qt一蓄電池在計算時刻的剩余容量; Qo一蓄電池的總容量; 考慮到電池總容量受放電電流的影響很大，因此實際上SOC的定義如下: （32） SOCI一蓄電池恒流I放電時在計算時刻的SOC;QIt一蓄電池恒流I放電時在計算時刻的剩余容量;QI0一蓄電池恒流I放電時的總容量;估算方法有如下幾種：1、安時計量法 安時計量法實質是將電池看作一個黑箱，認為流進電池的電量與流出電池的電量相等，它不考慮電池內部的結構和外部的電氣特性，因此這種方法可以用于各種電池。在電流測量準確，溫度、放電倍率等因素補償良好，初始SOC估計準確的條件下，安時法在短時

36、間內可以保證SOC估計的準確，是一種簡單可靠的方法。安時計量法實際上是一種開環預測，隨著汽車運行時間的增加，會產生估計誤差并使誤差逐漸累積，最終使誤差越來越大，偏離正確的SOC值越來越遠。另外在使用安時法的時候必須考慮溫度、充放電效率、自放電、SOH等影響電池容量的因素，需要事先做大量的實驗建立經驗公式或表格，這就增加了方法的復雜度。在實際應用中，常常將安時法與其它方法結合使用，可以得到較好的精度。2、開路電壓法與電動勢法 電池在長時間靜置的條件下，其端電壓與SOC有相對固定的函數關系，所以根據開路電壓可以估計SOC，特別是在充放電的初期和末期，電池端電壓變化較大，開路電壓法可以取得較好的效果

37、。開路電壓法的缺點是需要電池長時間靜置，鋰離子電池一般要求靜置半小時到一個小時，電動勢法克服了開路電壓法需要長時間靜置的缺點，這種方法需要事先根據電池的外部電氣特性建立合理的電池模型，模型必須能夠反映電池工作時的端電壓和電池電動勢的關系，從而能夠根據電池的電流電壓計算出電池的電動勢，進而根據電動勢和SOC的關系確定電池的SOC。第四章 電池管理系統硬件電路設計 由于整車設計要求，電池是分箱安裝的，每個電池箱安裝在車體的不同位置，考慮到連接線和系統可靠性，整個系統采用分布式的電池管理系統，分為從控模塊和主控模塊兩部分，從控模塊主要用來采集測量單體電池的電壓和溫度，兼做分箱熱管理的控制，主控模塊主

38、要用于分析、計算電氣部分控制和整車進行通訊兼顧采集電流和總電壓等信息，并分析絕緣性能。系統的結構框圖如圖4-1所示。模塊間通過內部CAN總線進行通信。圖4-1 系統的結構 通過以上整體結構布置，下面介紹電池管理系統的硬件部分。4.1 電源及MCU汽車上低壓供電是由蓄電池供給的，一般為12V或24V，但電壓會隨使用過程中而變動，尤其是發動機啟動時，供電電壓將會很低，所以對車載電氣設備要求能適應寬電壓輸入波動的要求。電源部分采用LM2576開關型穩壓器，它的輸入電壓很寬，從8V至40V都可以提供較為穩定的5V輸出，且外圍電路簡單，可以有效的縮減電路的體積，符合汽車上的使用。圖4-2 電源部分電路根

39、據計算量的大小，主控模塊的MCU采用Freescale的16位單片機，從控模塊的MCU采用Freescale的8位單片機，Freescale的單片機具有很好的電磁兼容性和不錯的運算速度，很適合在汽車電子中應用。4.2單體電壓測量 多組電池串聯而成的蓄電池組電壓測量的方法有很多，在測量時，既要考慮干擾與高低壓隔離問題，又要考慮成本與精度問題，因此電壓的精確采樣比較困難。 考慮到電壓采集的時間，本方案采用LTC6802專用電池組測量芯片進行單體電壓的測量。LTC6802是Linear公司推出的一款專門用于串聯電池組的單體電壓測量芯片。其主要性能有:(1)一片最多可以測量12路單體電池;(2)可以通

40、過菊花鏈的結構串聯使用，最高可以測量1000V的系統;(3)最大測量誤差只有0.25%;(4)測量全部系統最快只需13ms;(5)自帶電池均衡功能;(6)最快支持1MHz的SPI通訊頻率;(7)很好的電磁兼容性;(8)內置的12位一AD轉換器自帶濾波功能;(9)芯片自帶開路檢測功能;(10)具有低功耗休眠模式。該部分的硬件原理圖如圖4-3所示。圖4-3 LTC6802硬件原理圖 硬件電路十分簡單，基本無需外圍電路，管腳CSBO、SD01、SCKO是用來和其它LTC6802進行級聯使用的，C1一C12是電池電壓測量管腳，S1一S12是均衡控制管腳。4.3電池組均衡 本系統的均衡方法采取體積小，成

41、本低的耗能均衡方法，通過MOS管來切入與切出均衡電阻，MOS管旁配有保護作用的穩壓管。 均衡部分的硬件原理圖如圖4-4所示，通過芯片的S1一S12管腳控制導通MOS管，放電電阻根據均衡電流的大小來選取適當的電阻，并且配有二極管指示，當某一MOS管導通，這一節電池就進行均衡，二極管就會點亮作為指示。 當均衡電路工作時，電阻上的發熱量并不是很大，只有50左右，其溫度可以控制在管理系統的工作溫度范圍內，不會影響到系統的穩定運行。 圖4-4 均衡硬件原理圖4.4溫度測量在測控模塊的設計中，需要連接多個溫度傳感器，考慮到溫度傳感器是連接到電池箱內部的，所以要與其他電路進行隔離，保證整體系統的安全性，僅僅

42、光耦是不能滿足驅動電流的要求，因此使用一片7407作為驅動電路。其電路如圖4-5所示。圖4-5 溫度部分電路由于DS18BZO與CPU之間的通訊采用的是其獨創“1-Wire”通訊結構，只需要一根信號線就可以連接多個傳感器。這樣可以減少對CPU管腳的要求，同時也減少了現場安裝時的布線數量，提供了很大的方便，可以靈活配置溫度測量點的數量。4.5總電壓測量總電壓的測量是通過電阻分壓，然后通過線性隔離光耦HCPL7800放大后進入AD轉換器進行采樣，最后將數據上報給處理器，再通過CPU換算成實際的電壓值，電路如圖4-6所示。 圖4-6 總電壓測量電路考慮到正負極之間的絕緣要求和功耗的要求，以及自身的測

43、量范圍，選取5個510k的電阻串聯后分壓，作為采樣電壓。HCPL7800是具有高共模抑制的隔離光耦，其在存在1000V共模電壓的情況下可以有每微秒巧千伏的共模抑制率，溫漂只有4.6uV/，輸入端只有0.9mV的零漂，并且有85kHz的帶寬，僅有0.1%的非線性度，自身內部有先進的藝的A/D轉換技術，它自身可以提供8倍的放大倍數。AD轉換器采用的是德州儀器生產的16位AD轉換器ADS1110，該芯片具有以下優點:1.封裝小，所占電路板的空間很少; 2.芯片集成了基準電壓，精度可以達到士0.05%，溫飄只有5ppm/; 3.內置晶體振蕩器; 4.具有16位的錯誤校驗碼; 5.具有自校準功能; 6.

44、I2C的通訊總線; 7.2.7V至5.5V的寬電壓供電范圍; 8.低功耗，只有240uA的工作電流。ADS1110本身也自帶發達功能，但是隨著放大倍數的增加，輸入阻抗會相應的降低，有考慮到測量范圍是01000V，所以ADS1110自身只選取一倍的放大倍。 HCPL7800本身也有離散性，其自身的放大倍數也有區別，從7.85至8.01，分壓電阻本身也有離散性，所以電壓測量回來以后需要軟件做進一步的處理校正，需要在測量之前做電壓的校準。4.6總電流測量電流測量的測量方法有分流器和電流傳感器兩種。分流器是通過將電流信號轉換為電壓信號進行測量，即測量電流通過分流器的電壓。一般分流器的滿度值為75mV，

45、當通過滿度電流時，在分流器兩端將產生75mV的壓降，并且這壓降是線性變化的，這樣就可以通過測量分流器兩端的電壓來計算得出電流值。電流傳感器是基于霍爾原理的閉環電流傳感器，可以很好的做到電器的隔離，因為其本身是非接觸式的，但是由于它是根據磁場進行測量的，所以其對電磁環境十分的敏感，因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干擾。 (1)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化; (2)外部導線與傳感器的距離、外部導線的形狀、位置和傳感器內霍爾電極的位置; (3)安裝傳感器所使用的材料有無磁性; (4)所使用的電流傳感器是否屏蔽。 另外，電流傳感器需要有一個磁場建立的過程，所以其線性度也不是很好

46、。 所以，本系統采用規格為300A/75mV的分流器進行電流測量，結合雙積高分辨率的ADC模塊CS5460進行轉換，其余CPU通訊部分采用光耦隔離，該種方法較為有效地克服了電流傳感器檢測時帶來的溫漂、零點漂移等問題，具有測量精度高，溫度新能穩定，易于安裝調試等優點，尤其在大電流流經電池時有良好的測量效果，符合電流測量的精度要求。 電流測量的原理如圖4-7所示，分流器將電流轉換為075mV的電壓信號，濾波聯接到儀用放大器AD620，然后經A/D轉換器CS5460轉換為數字信號后經過光耦隔離電路傳給CPU。 圖4-7 電流測量電路4.7絕緣測量 因為電池組的電壓比較高，超出了人體所能承受的電壓，一

47、般在300700V范圍內，并且還和其他強電設備相連，包括有電動機、發電機等，處于對乘客安全方面的考慮，應當對車體與電池組正負母線之間的絕緣電阻進行測量，保障乘客的乘坐安全。 在我國的國標電動汽車安全要求中，對電動汽車絕緣狀況的定義、測量方法與安全要求都做出明確的規定。電動汽車的絕緣狀況由直流正負母線對車體的絕緣電阻來衡量。定義為:如果動力蓄電池與地(電底盤)之間的某一點短路，最大(最壞情況下的)泄漏電流所對應的電阻。電動汽車的國際標準和我國國家標準規定:絕緣電阻值除以電動汽車直流系統標稱電壓U，結果應大于100才符合安全的要求。這個值是通過下列條件來選定的:“如果人或其他動物構成動力電池系統與

48、地之間的外部電路，最壞的情況下泄漏電流不超過2mA，這是人體沒有感覺的閥值”。 絕緣電阻的測量原理如圖4-8所示，Rp和RN分別為假設的正負母線對地絕緣電阻，Un和Up分別為正負母線對地電壓，U為電池總電壓，Rp1、Rp2、RN1、RN2為已知電阻值的偏置電阻，設開關S開通時測得正負母線對地電壓為Up、UN，S閉合時測得的正負母線對地電壓為Up、UN值。 圖4-8 絕緣電阻測量原理根據電路原理知：當S斷開時，有： （41）當S閉合時，Rp1被短路，有： （42）聯立以上二式解方程： （43） （44）為簡化電路選擇Rp1=Rp2=RN1=RN2，則有: （45） （46） 從公式可知，只要測出

49、S開通和閉合時正負母線對地電壓，就可以測出正負母線對地絕緣電阻。當Rp或RN有一個值低于最低絕緣電阻要求時，電池管理系統發出絕緣報警信號。本系統將正負母線對地的電壓經過轉換后經過而輸入放大器INA2126后輸入給CPU自帶的AD進行測量，最后計算出絕緣電阻。 INA2126是微功耗，雙路儀表用放大器，其特點如下: (1)低靜態電流:每路175uA (2)寬電壓范圍:士l.35V士18V (3)輸入失調電壓:最大250uV (4)輸入失調漂移:最大3uV/ (5)低噪音:38mV/ (6)低輸入偏置電流:士25uA4.8通訊部分 電池管理系統全部采用CAN總線進行通信，主要有三路通信通道，分別是

50、內部CAN，與整車控制器通訊的CAN，還有與充電機或其他外設通訊的CAN，這一路是預留的，有時或用不到。 CPU本身自身帶有msCAN12模塊，可以和驅動芯片82C250配合使用，對于CAN總線的物理層和數據鏈路層都已由這些硬件來完成，82C250提供對總線的差動發送和接收功能，msCAN12模塊具有收發引擎、報文過濾與緩沖、控制與狀態管理、時鐘、低通濾波器等功能。 根據對數據量的計算，CAN總線的負載率在30%以下，滿足使用要求，證明這樣分配的CAN總線是符合標準的，不會影響到通訊的質量。4.9高壓控制及其他電池管理系統還要對電池包的一些電氣部分進行控制，其控制信號較為簡單，不會涉及量的測量

51、，僅僅是一些開關量的控制，因此，電池管理系統還要有一些外設的開關量輸出口。考慮到驅動外部器件的功率較大，又不能因此增加系統的體積，所以采用低壓繼電器驅動高壓繼電器的方法。高壓繼電器安裝在車身的高壓箱內。繼電器的驅動信號是CPU通過MC1413驅動繼電器的。如下圖所示。4-9 繼電器電路圖4.10硬件的布局 硬件的布局也是十分關鍵的，它關系到系統運行的穩定性。在整體布局上要考慮高低壓的隔離問題，二者之間的距離不宜過近，因為高壓所含的能量比低壓所含的能量大，這樣高壓部分會干擾到低壓部分，如果排列過近也會有安全隱患。布局方面還要考慮絕緣的問題，因為高壓信號是要引到電路板上，然后轉化測量的，所以要考慮

52、輸入端之間的絕緣特性，輸入信號間的距離應該盡可能的大，根據應用的環境來選擇適當的爬電比距，在一些有必要的情況下進行了開槽處理。考慮到機械震動的存在，整體電路板的布局應該在質量上均勻分配，這樣可以減少電路板所受到的機械應力，將一些質量較大的器件安排在固定孔周圍，這樣可以將少機械振動帶來的機械應力。整塊板的散熱也是布局時要考慮的，易發熱的器件不要布置在一起，盡量遠離，發熱較大的器件周圍不要安置其他較高的器件，以免影響器件的散熱，安排出一條空氣通道，便于發熱器件的散熱。 電路板的布線會影響到整體系統的電磁兼容性。導線的布設應盡可能的短，導線的拐彎應成圓角，電路板上下兩層走線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免平行，以減小寄生藕合，電路的輸入及輸出用的印制導線應盡量避免相鄰平行，以免發生回授，在這些導