畢業(yè)設(shè)計(jì)---電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　不 </b></p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p>　　論文題目：電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 電氣2010 </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2012年5月28 日 </p><p>　　電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電動(dòng)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(diǎn)。但是電池及電池管理卻是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，因?yàn)橛邢薜睦m(xù)駛能量不能滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)化、實(shí)用化的要求。在電池自身容量已經(jīng)確定的情況下，對(duì)電池組有效地監(jiān)控、管理，成為延長(zhǎng)電池組使用壽命，從而提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的重要手段。</p><p>　　本文針對(duì)鋰離子電池組的工作特點(diǎn)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)了一套功能完善的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)內(nèi)各模塊的硬件設(shè)計(jì)原理。其次，建立電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的通訊，并設(shè)計(jì)了 CAN 應(yīng)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(kuò)展獨(dú)立 CAN 收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 電動(dòng)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3課題研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2

6、章電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)7&

7、lt;/p><p>　　2.2.1 主控制板硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2.2 采集板硬件設(shè)計(jì)15</p><p>　　第3章電池管理系統(tǒng) CAN 通訊設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)21</p>

8、<p>　　3.2.1 CAN 總線通訊協(xié)議簡(jiǎn)述21</p><p>　　3.2.2 CAN模塊外圍硬件設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.2.3 電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)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(yǔ)29

9、</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p>　　附錄：管理系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)序圖19</p><p>　　圖 31 CAN 節(jié)點(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)24</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題研究的背景

14、</b></p><p>　　當(dāng)今，傳統(tǒng)燃油汽車在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大范圍普及，我國(guó)的燃油汽車數(shù)量也成高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，一些大城市的家庭汽車擁有率已經(jīng)很高。然而，面對(duì)日益減少的燃油數(shù)量和持續(xù)上漲的燃油價(jià)格，以及由于汽車尾氣排放所造成的環(huán)境問(wèn)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(diǎn)的研究車型包括燃料電池汽車（FCV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）和純電動(dòng)汽車（PEV）。</p>&

15、lt;p>　　電動(dòng)汽車（EV）是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車具有如下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)污染，可以做到零排放；噪聲低，電動(dòng)機(jī)的噪聲遠(yuǎn)小于內(nèi)燃機(jī)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(fēng)力、水力、核能、太陽(yáng)能等能源轉(zhuǎn)化；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維修，傳動(dòng)部件少，且電動(dòng)機(jī)的操縱簡(jiǎn)單，無(wú)需換檔。上述優(yōu)點(diǎn)決定了電動(dòng)汽車發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。&l

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

17、><p>　　電池的作用是為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電能，電動(dòng)機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，要想較大范圍內(nèi)應(yīng)用，甚至普及電動(dòng)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(diǎn)：?jiǎn)误w電壓較高，比能量大，比功率高，自

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

19、高電池組的使用壽命和使用效率。此外，準(zhǔn)確的電池荷電狀態(tài)（SOC）的估算，可以對(duì)電池續(xù)駛能量做出及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，駕駛?cè)藛T可依據(jù)此參數(shù)選擇充電時(shí)機(jī)。</p><p>　　由上可見(jiàn)，電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車技術(shù)研究當(dāng)中的一個(gè)重要組成部分，也是關(guān)鍵部分，在電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化發(fā)展中起到重要的意義。因?yàn)椋δ芡晟?、荷電狀態(tài)（SOC）估算準(zhǔn)確、成本低廉的電池管理系統(tǒng)不僅可以為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組提供安全良好的運(yùn)行保證，

20、還可以降低電動(dòng)汽車的整車成本以普及電動(dòng)汽車的大眾化要求。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　上世紀(jì)末開(kāi)始凸現(xiàn)的能源問(wèn)題、環(huán)境保護(hù)問(wèn)題成為了社會(huì)關(guān)注的重要問(wèn)題，同時(shí)也促進(jìn)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。于是，具有零排放、無(wú)污染的電動(dòng)汽車逐漸被重視起來(lái)，各國(guó)都制定了相關(guān)的鼓勵(lì)政策。典型的例子如美國(guó)，1993 年 9 月，美國(guó)政府提出了 10 年完成

21、的“新一代汽車合作計(jì)劃”(PNGV)，由政府牽頭，組織幾十個(gè)公司和機(jī)構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟(jì)性和開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車的規(guī)定目標(biāo)。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動(dòng)汽車的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，調(diào)動(dòng)社會(huì)上各種力量參與電動(dòng)汽車的研制。電動(dòng)汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機(jī)、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實(shí)際應(yīng)用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。我國(guó)在電動(dòng)汽車發(fā)展方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由國(guó)家科學(xué)技術(shù)部立項(xiàng)的 863 電動(dòng)汽車專項(xiàng)取得了顯著的進(jìn)展。整車方面已初步

22、形成了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池汽車功能樣車均已實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　電池及電池管理是電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。我國(guó)在電池管理方面才剛剛起步，在電動(dòng)汽車研究水平比較發(fā)達(dá)的一些國(guó)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(guò)放電現(xiàn)象等，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的或定期自動(dòng)檢測(cè)、診斷和維護(hù)，最大限度地保證電池的可靠運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行研究。&l

23、t;/p><p>　　在德國(guó)，西門子公司在其開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車上安裝了一個(gè)電池管理系統(tǒng)，電動(dòng)汽車充電時(shí)，電池管理系統(tǒng)能跟蹤電池充電特性，控制充電器對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化充電。法國(guó)電動(dòng)汽車計(jì)劃設(shè)計(jì)了一個(gè)隨車電池管理系統(tǒng)來(lái)管理電動(dòng)汽車上的電池組，進(jìn)行電池壽命記錄、充電監(jiān)控、行駛過(guò)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(dòng)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(kāi)關(guān)、高壓系統(tǒng)安全檢測(cè)裝置等。</p><p>　　我國(guó)電池管理研究及設(shè)計(jì)方面這些年有了明顯的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)一些工科強(qiáng)校都有了較成熟的設(shè)計(jì)方案。清華大學(xué)對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的設(shè)想</p><p>　　中，系統(tǒng)由六個(gè)子電路組成：信號(hào)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(xué)，北京理工大學(xué)，北京交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及上海交通大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)等高校都對(duì)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(zhǎng)足的進(jìn)步，有的設(shè)計(jì)成果已經(jīng)成功裝配于電動(dòng)汽車樣車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。</p><p><b>　　課題研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文研究對(duì)象為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組，研究目標(biāo)為對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)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(biāo)，本文首先根據(jù)鋰離子電池的化學(xué)、物理特性和電池成組后的特點(diǎn)，對(duì)管理方案的功能實(shí)現(xiàn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件選擇進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(gè)部分：采集板完成對(duì)電池組單體電池參數(shù)的采集；控制板負(fù)責(zé)檢測(cè)主回路，以及核心計(jì)算和監(jiān)控。同時(shí)，建立管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸；擴(kuò)展 CAN 模塊，使電池管理系統(tǒng)與整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通

27、訊。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</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(shè)計(jì)，分析硬件原理和實(shí)現(xiàn)功能。根據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的控制板、采集板的硬件設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)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(fù)極材料為石墨晶體，正極為鋰鈷氧化物（LiCoO2 ）。主要的化學(xué)反應(yīng)方程為：</p><p>　　負(fù)極反應(yīng)：Li++e-+6CLiC6</p><p>　　正極反應(yīng)：LiMO2Li(1-X)MO2+ xLi++ xe-</p><p>　　總反應(yīng)式：LiMO2+ 6xC Li(1-X

29、)MO2+ xLiC6</p><p>　　充電時(shí)，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(fù)極遷移，并且鋰離子和電子在負(fù)極上復(fù)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(shí)，插入到石墨晶狀層中的鋰原子從石墨晶體內(nèi)部向負(fù)極表面移動(dòng)，并在負(fù)極表面電離成鋰離子和電子。鋰離子和電子分別通過(guò)電解質(zhì)和負(fù)載

30、流向正極，在正極表面復(fù)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(guò)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(kāi)始階段一般以 1C的充電倍率進(jìn)行恒流充電，當(dāng)組內(nèi)單體電池電壓上升到設(shè)定值 4.2V時(shí)，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(guò)程中，放電電流不同，同樣容量的電池放電時(shí)間也不同。放電電流越小，也就是放電速率越慢，放電時(shí)間越長(zhǎng)，反之亦成立。當(dāng)環(huán)境溫度

31、為 0 攝氏度時(shí)，放電容量可以達(dá)到額定容量；高于 0 攝氏度時(shí)，放電容量高于額定容量，在 21 攝氏度時(shí)放電容量是最高的，此時(shí)電池電壓下降是最慢的；電池溫度過(guò)高應(yīng)斷電。充放電循環(huán)過(guò)程中，在環(huán)境溫度為 20 攝氏度時(shí)，電池能發(fā)揮它的最大性能，實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過(guò) 700次充放電循環(huán)后，電池容量仍可達(dá)到額定值的 80%以上。電池長(zhǎng)期工作在這個(gè)溫度附近是比較理想的。由上可見(jiàn)，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(duì)各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)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(xué)、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(shè)計(jì)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(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度采

33、集；電池組總電壓，充、放電時(shí)總電流的采集。</p><p>　　單體電池過(guò)壓、欠壓，充電時(shí)電池組總電壓過(guò)壓、總電流過(guò)流；汽車行駛中放電時(shí)總電壓欠壓，總電流過(guò)流；電池組溫度異常等故障信息的判斷，以及二級(jí)報(bào)警；同時(shí)采取故障保護(hù)措施（如主回路繼電器控制、風(fēng)扇啟動(dòng)控制）。</p><p>　　根據(jù)采集上來(lái)的電壓、電流、溫度等參數(shù)，對(duì)電池組的荷電狀態(tài) SOC（State of Charge）進(jìn)行在線

34、估算，并對(duì)可續(xù)駛里程做出預(yù)報(bào)，作為駕駛員行駛參考。</p><p>　　在調(diào)試和維護(hù)階段，與上位 PC 機(jī)串行異步口通訊，上傳電池組狀態(tài)信息，接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令和參數(shù)修改指令；同時(shí)上位機(jī)具備電池狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能，以 Excel 形式存儲(chǔ)電池管理系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。</p><p>　　與電動(dòng)汽車整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊，上傳電池組狀態(tài)信息、故障信息給整車控制器，同時(shí)接收控制指令。電池管

35、理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間通訊。</p><p>　　對(duì)電池組內(nèi)各單體電池間不一致性進(jìn)行判斷，控制均衡充電模塊。確定均衡充電時(shí)機(jī)，計(jì)算均衡充電的輸出電壓值大小，以及填寫相應(yīng)的 PWM 信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)均衡輸出電壓的控制，用來(lái)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(shí)現(xiàn)的功能復(fù)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(zhǔn)確地傳輸，且對(duì)運(yùn)算能力有較高的要求。根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)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(guò)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。</p><p>　　采集板對(duì)電池組內(nèi)每節(jié)電池的單體電壓、固定節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行采集。每塊

37、采集板巡檢 32 節(jié)單體和 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)節(jié)點(diǎn)溫度采集。</p><p>　　主控制板對(duì)電池組總電壓、總電流進(jìn)行采集，同時(shí)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(duì)故障信息，分級(jí)報(bào)警，并采取保護(hù)動(dòng)作，控制繼電器的通斷。與實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊接口，讀取絕對(duì)時(shí)間，用于計(jì)算電池組掉電靜置時(shí)間。主控制板除了與電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊外，利用擴(kuò)展的 CA

38、N 模塊與整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。通過(guò)串行通訊口，主控制板還完成與上位 PC 機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)上位控制界面下的監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。</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(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　主控制板硬件設(shè)計(jì)</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(fù)雜，接口方式眾多，數(shù)據(jù)類型多、數(shù)量大，且對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和運(yùn)算能力有較高的要求，因此應(yīng)盡量選用集成度較高，運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)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(jì)算速度快、精度高，且編程語(yǔ)言簡(jiǎn)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(diǎn)：</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(shí)其112pin提供了充分的I/O口。</p><p>　　片內(nèi)高達(dá) 1M 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 64K 字的數(shù)據(jù)/程序 RAM，4K的EEPROM，存儲(chǔ)空間充分。</p><p>　　芯片內(nèi)核具有在線編程能力和保密機(jī)

41、制，無(wú)需外加編程電壓，最短整體擦除時(shí)間僅100ms，1M字節(jié)頁(yè)擦除時(shí)間僅40ms。S12內(nèi)部總線速率最高可達(dá)50MHz，即20ns的最小指令周期，可滿足運(yùn)算的快速性和準(zhǔn)確性，以及系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，尤其對(duì)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(shí)間，具有16通道，多觸發(fā)源啟動(dòng) 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(shí)器模塊和基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。</p><p>　　面向汽車應(yīng)用的AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。</p><p>　　在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,單片機(jī)采用的8MHz外部有源晶振,總線頻率達(dá)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(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,電磁干擾強(qiáng)烈,為了防止單片機(jī)在高干擾情況下死機(jī)或工作異常,需采用

43、外部復(fù)位芯片來(lái)監(jiān)控單片機(jī)的工作,保證單片機(jī)在異常情況下能夠可靠復(fù)位,盡快恢復(fù)狀態(tài)。復(fù)位芯片采用MAX706,在正常工作時(shí),每1.6s之內(nèi)給MAX706輸入一個(gè)信號(hào),表明CPU的工作狀態(tài)。當(dāng)MAX706在1.6s內(nèi)沒(méi)有收到信號(hào),會(huì)將單片機(jī)的復(fù)位管腳拉低,使復(fù)位,回到正常工作狀態(tài)。</p><p>　　2.2.1.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口設(shè)計(jì)</p><p>　　在電池組荷電狀態(tài) SOC 估算中，需要

44、考慮電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間靜置時(shí)的電池組自放電問(wèn)題，計(jì)算自放電能量損耗。應(yīng)用實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供絕對(duì)時(shí)間，電池組參照當(dāng)前時(shí)間以及前次系統(tǒng)斷電時(shí)間，可得靜置時(shí)間，作為自放電計(jì)算參數(shù)。</p><p>　　PCA21125是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，工作溫度高達(dá)125℃。數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線傳輸，最大總線速率高達(dá)6.0Mbit/s。報(bào)警和定時(shí)器功能產(chǎn)生一個(gè)喚醒信號(hào)，喚醒中斷管腳。通過(guò)汽車應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(shí)、分和秒時(shí)鐘； </p><p><b>　　分辨：秒到年； </b></p><p>　　時(shí)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(dú)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(shí)器中斷輸出； </p><p>　　可編程的報(bào)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(fù)位； </b></p><p><b>　　開(kāi)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(wú)需外部接口芯片，可直接與芯片進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)

48、兩者之間的通訊。芯片讀時(shí)序如圖2-2所示。</p><p>　　圖 22 PCA21125讀時(shí)序圖</p><p>　　如圖2-3所示，芯片采用5V供電，通過(guò)SPI通信，外接32.768K晶振，同時(shí)有Battery備用電源，在5V電斷開(kāi)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(shí)

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(dá)4.2V，防止在掉電時(shí)PCA21125內(nèi)部時(shí)鐘初始化，由于備用電池體積較小，無(wú)法長(zhǎng)期維持，故設(shè)計(jì)了針對(duì)Battery電池充電電路，對(duì)于不需要備用電池時(shí)，可以

50、對(duì)備用電池進(jìn)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(duì)電池進(jìn)行充電，通過(guò)1K電阻對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大可達(dá)90mA電流，最高充電電壓可達(dá)4.2V，不會(huì)對(duì)備用電池造成損害。LTC4054電路充分保證了實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電的需求。</p><p>　　2

51、.2.1.3 采樣電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　主控制板需要對(duì)電池組充、放電過(guò)程中的總電壓、總電流進(jìn)行采樣、監(jiān)控，防止電池組出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電的現(xiàn)象。同時(shí)，總電壓、總電流參數(shù)用來(lái)計(jì)算充、放電安時(shí)數(shù)以及估算電池組荷電狀態(tài) SOC。因此，快速、準(zhǔn)確地總電壓、總電流采集是管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和保護(hù)功能的基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)原理。</p>&l

52、t;p><b>　　總電壓采集設(shè)計(jì)：</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(guò)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(cè)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)，選擇測(cè)量電阻Rm使

54、副邊側(cè)輸出 4.5V以下的電壓信號(hào)，串接可調(diào)電阻接地用于微調(diào)。電壓信號(hào)經(jīng)RC濾波電路和二極管鉗位接入MC9S12XEP100RMV1的AD輸入端。AD端測(cè)量的電壓值乘上變比系數(shù)便可得到實(shí)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(shè)計(jì)：</b></p><p>　　在電池組充電、放電

55、過(guò)程中，還需要檢測(cè)電池組的總電流。根據(jù)電流采樣值，對(duì)充、放電電量進(jìn)行安時(shí)積分，同時(shí)還要依據(jù)電流值進(jìn)行 SOC 的估算。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，根據(jù)電流范圍和精度要求，選用LEM公司的閉環(huán)補(bǔ)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(qiáng)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(cè)-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(cè)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)，通道1和通道2分別經(jīng)過(guò)電壓跟隨然后經(jīng)過(guò)RC濾波電路接入單片機(jī)的AD采樣口。AD測(cè)量的值減去偏移量并乘上比例系數(shù)便可得到實(shí)際的總電流值。

58、</p><p>　　2.2.1.4 電源部分的設(shè)計(jì)</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(yùn)行過(guò)程中會(huì)在輔助電池兩端的電壓上造成尖峰或跌落(例如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間!高壓繼電器閉合和斷開(kāi)瞬間等),因此管理系統(tǒng)的工作范圍需要設(shè)置在18~28V區(qū)間。為了保證

59、管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要在電源輸入端加入濾波電路,以去除整車帶來(lái)的電源干擾。由于整車電氣布置的特點(diǎn)為24伏地與車身（機(jī)殼）直接相連,因此不宜采用常見(jiàn)的濾波器中間抽頭接機(jī)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(chǎng)施工時(shí)反接電源線對(duì)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(xiǎn)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(kāi)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(jī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)</p><p>　　圖2-8所示，TLE8366EV50車載電源VS端輸入增加了一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率，可以通過(guò)CCOMP和RCOMP來(lái)矯正頻率。</p><p>　　TLE8366E

62、V50主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　最大輸出電流可達(dá)1.8A；</p><p>　　輸出電壓精度可達(dá)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(dá)4

63、.5V，最高可達(dá)45V</p><p>　　工作溫度為-40℃~150℃</p><p>　　面向汽車應(yīng)用的AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。</p><p>　　在電源部分設(shè)計(jì)中，正常情況下管理系統(tǒng)處理休眠狀態(tài)，故TLE8366EV50不工作時(shí)，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(hào)通過(guò)TLE8366EV50器件上的使能腳對(duì)電源芯片直接硬件信號(hào)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(hào)輸入，通過(guò)兩個(gè)100K的電阻分壓后直接給TLE8366EV50器件的EN腳，對(duì)電源芯片進(jìn)行喚醒，電源喚醒后輸出5V電源，to BMU I/O直接通過(guò)單片機(jī)I/

65、O進(jìn)行采樣，采集信號(hào)是否為Charger_KEY信號(hào)。</p><p>　　CAN喚醒：整車控制系統(tǒng)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)CAN喚醒，隨后CAN器件輸出一個(gè)電壓信號(hào)用來(lái)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(guò)CAN總線發(fā)送CA

66、N信號(hào)，隨后CAN收發(fā)器響應(yīng)，在EN輸出端輸出電壓信號(hào)，經(jīng)分壓后直接給TLE8366EV50上的EN腳。</p><p>　　通過(guò)設(shè)計(jì)比較，在本設(shè)計(jì)中，電動(dòng)汽車充電時(shí)采用的喚醒方式是硬件喚醒，正常使用中整車控制器對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行喚醒采用CAN喚醒；本設(shè)計(jì)的CAN電路會(huì)在第三章重點(diǎn)介紹。</p><p><b>　　采集板硬件設(shè)計(jì)</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(duì)電池組內(nèi)多節(jié)節(jié)串聯(lián)單體的單體電壓進(jìn)行巡檢，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè) 12 位 ADC、一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多工器和一個(gè)串行接口。每個(gè)

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

69、模式，旨在監(jiān)視每節(jié)電池的過(guò)壓和欠壓條件。另外，該器件還提供了一種待機(jī)模式，以把電源電流減小至 50μA。 每個(gè)電池輸入均具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的 MOSFET 開(kāi)關(guān)，用于對(duì)任何過(guò)充電電池進(jìn)行放電。 相關(guān)器件 LTC6802-1 提供了一個(gè)串行接口，從而可對(duì)多個(gè) LTC6802-1 器件的串行端口進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接，而無(wú)需使用光耦合器或光隔離器。由于考慮到本設(shè)計(jì)的復(fù)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(diǎn)：</p><p>　　可測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)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(shí)現(xiàn)了高電壓電池組的監(jiān)視 ；</p><p>　　可利用 4 位地址進(jìn)行單獨(dú)尋址 ，采用SPI通訊；</p><p>　　0.25% 的最大總測(cè)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(shí)間里完成一個(gè)系統(tǒng)中所有電池的測(cè)量 ；</p><p>　　電量平衡： 內(nèi)置無(wú)源電量平衡開(kāi)關(guān)；提供片外無(wú)源電量平衡 ；</p><p>　　具兩個(gè)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(yàn)功能的 1MHz 串行接口 ；<

72、;/p><p>　　內(nèi)置精準(zhǔn)3V基準(zhǔn)和5V穩(wěn)壓器；</p><p>　　導(dǎo)線開(kāi)路連接故障檢測(cè) ；</p><p><b>　　低功率模式 ；</b></p><p>　　44 引腳 SSOP 封裝；</p><p>　　符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。</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(wú)法直接使用其單體電壓采樣需要一塊核心的單片機(jī)作為采集板的主控芯片，對(duì)LTC6802-2進(jìn)行采集電壓、溫度和進(jìn)行CAN通訊。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(diǎn)：</p><p><b>　　20M總線速率</b></p><p>　　整個(gè)工作電壓和溫度范圍內(nèi)可讀取/ 編程/ 擦除的Flash 存儲(chǔ)器60K，支持2K的EEPROM在線可編程內(nèi)存，最大4K的隨機(jī)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(shí)器，并支持32pin、48pin和64pin引腳封裝； </p><p>　　自帶看門狗定時(shí)器模塊和基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。</p><p>　　面向汽車應(yīng)用的AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證</p><p>　　2.2.2.2 單體電壓采集電路設(shè)計(jì)</p><p&

76、gt;　　本設(shè)計(jì)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(cè)量誤差與RC值</p><p>　　表2-1所示，當(dāng)R=100Ω，C=0.1uF時(shí)，單體電池1~12串偏差最小，故本設(shè)計(jì)選擇如圖2-12設(shè)計(jì)電路，此電路設(shè)計(jì)已達(dá)到最大的單體電壓采樣精度。</p><p>　　圖 212采樣電路的設(shè)

77、計(jì)</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(gè)7.5V/1W穩(wěn)壓管用于防止在有較高的脈沖電壓時(shí)損壞器件。</p><p>　　2.2.2.3 單體溫度采樣設(shè)計(jì)</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(zhǔn)3V作為電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2-13設(shè)計(jì)電路，此電路采用100K精密電阻作為標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)溫度傳感器進(jìn)行采樣，并通過(guò)LTC6802-2上的SPI通訊經(jīng)過(guò)MC9S08DZ60運(yùn)算后把溫度信息通過(guò)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(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(gè)PMOS管和一個(gè)功率電阻，通過(guò)LTC6802-2上的Sn管腳進(jìn)行控制，使用15Ω電阻進(jìn)行放電，此均衡方案具有電路簡(jiǎn)單，成本低，效率高，經(jīng)過(guò)計(jì)算4.2V電壓在經(jīng)過(guò)15Ω電阻放電時(shí)最大可達(dá)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(shè)計(jì)</p&

80、gt;<p>　　如上所述，LTC6802-2的SPI沒(méi)有自帶隔離器件，在和MC9S08DZ60進(jìn)行SPI通訊時(shí)是無(wú)法進(jìn)行隔離的，本設(shè)計(jì)中有多個(gè)采集板（LECU）并聯(lián)在CAN網(wǎng)絡(luò)上，電池組的總電壓時(shí)串聯(lián)，這樣就存在高壓短路問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，本設(shè)計(jì)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(dá)90M bps通訊速率，如圖2-

81、15所示，LTC6802-2和MC9S08DZ60進(jìn)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(guò)LDO降壓后的電壓與單片機(jī)同一個(gè)5V電壓。</p><p>　　圖 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60電路連接</p><p>　　通過(guò)圖2-15可以看出LTC6802-2和MC9S08DZ60之間使用一個(gè)磁隔離芯片進(jìn)行隔離，隔離之間的通

82、訊使用SPI通訊，讀寫時(shí)序圖如圖2-16所示。</p><p>　　圖 216 LTC6802-2讀寫時(shí)序圖</p><p>　　設(shè)置MC9S08DZ60為主工作模式，8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度， SPI口通訊波特率選擇 0.8MHz，MC9S08DZ60讀取LTC6802-2片上寄存器時(shí)，首先拉低CS，然后通過(guò)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(shí)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(shè)計(jì)</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(chǎng)總線范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 最

84、初由德國(guó)BOSCH 公司為汽車的監(jiān)控、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，具有極高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。</p><p>　　具體來(lái)講，CAN具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　CAN 為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻都可以主動(dòng)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，方式靈活。</p><p>　　可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式傳遞

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

86、lt;p>　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最多可達(dá) 110 個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符（11 位）或擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符（29 位），標(biāo)識(shí)符種類豐富。</p><p>　　短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，校錯(cuò)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(luò)節(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，脫離網(wǎng)絡(luò)。</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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化。</p><p>　　基于如上特點(diǎn)，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(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　在本課題中，電池管理系統(tǒng)最終應(yīng)用于電動(dòng)汽車內(nèi)部，車輛內(nèi)部有大量的干擾信號(hào)，且不可避免復(fù)雜、惡劣的行駛工況?；谇笆?CAN 總線的諸多優(yōu)

88、點(diǎn)，電池管理系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)選用了 CAN 總線形式，可以大大地提高系統(tǒng)傳輸信號(hào)的抗干擾性和可靠性，同時(shí)高速的傳輸性能可以保證系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)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(luò)方案有利于將來(lái)實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)汽車整車通訊標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和匹配。</p><p>　　電池管理系統(tǒng) CAN 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)</p><p>　　CAN 總線通訊協(xié)議簡(jiǎn)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(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種編碼的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)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(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為 8 個(gè)字節(jié)，可滿足控制指令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，

90、8 個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可保證通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。</p><p>　　1991 年，德國(guó) 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(biāo)準(zhǔn)的 11 位標(biāo)識(shí)符；CAN2.0B 同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的 11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的 29 位標(biāo)識(shí)符。</p><

91、;p>　　CAN2.0B 規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè) CAN-bus 的儀器之間建立兼容性。為使設(shè)計(jì)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(wèn)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報(bào)文實(shí)際已被

92、接收，為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。在定義目標(biāo)處理時(shí)，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(cuò)誤檢測(cè)，出錯(cuò)標(biāo)定和故障標(biāo)定。MAC子層也要確定為開(kāi)始一次新的發(fā)送，總線是否開(kāi)放或者是否馬上開(kāi)始接收。位定時(shí)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(diǎn)間位的實(shí)際傳送。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層所有節(jié)點(diǎn)必須是相同的。</p><p>　　圖 3

93、1 CAN 節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)和功能</p><p>　　CAN模塊外圍硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)刻對(duì)單體電壓的監(jiān)控，波特率必須是高速的，本設(shè)計(jì)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(duì)抗干擾能力的提高和改善，VESD1和VESD2用于ESD保護(hù)，由于CAN傳輸是差分傳輸，故增加了共模電感，用來(lái)慮除共模干擾。</p&g

95、t;<p>　　主控板和整車控制器進(jìn)行通訊時(shí)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(shí)，VBT是車載24V/12常電，當(dāng)外部CAN網(wǎng)絡(luò)有CAN數(shù)據(jù)，CANH和CANL上產(chǎn)生的差分信號(hào)符合CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，INH輸出一個(gè)高電平對(duì)TLE8366E

96、V50的EN時(shí)能腳進(jìn)行喚醒，隨后VCC5有5V電源輸出，單片機(jī)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(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)</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(méi)有規(guī)定 OSI模型的上層。當(dāng)用戶要組建一個(gè)具有實(shí)際工作意義的 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須自己制定應(yīng)用層協(xié)議。雖然目前已出臺(tái)幾種流行的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

97、，如 CANopen、Devicenet、CAL、CANKingdom、SDS 等，但本設(shè)計(jì)中 CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不是很多，而且不需要與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行接口，考慮到設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本，本系統(tǒng)自己規(guī)定了一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議，便可實(shí)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(diǎn)分析</p><p>　　在高壓系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車總電壓最低標(biāo)準(zhǔn)為110V，最

98、高位660V，根據(jù)計(jì)算最大串?dāng)?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(luò)節(jié)點(diǎn)</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(tái)充電機(jī)以及電池管理系統(tǒng)主控制板。主控制板作為上位節(jié)點(diǎn)，控制整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)溫度信息，以及所監(jiān)測(cè)組內(nèi)

99、電池故障類型及故障位置。充電機(jī)節(jié)點(diǎn)接收主控制板發(fā)送的充電控制指令，和用于充電機(jī)面板顯示的當(dāng)前電池狀態(tài)。</p><p>　　3.2.2.1 報(bào)文定義</p><p>　　電池管理系統(tǒng)內(nèi)部報(bào)文可分為三種：控制指令報(bào)文，狀態(tài)參數(shù)報(bào)文和故障信息報(bào)文。</p><p>　　控制指令報(bào)文：控制指令報(bào)文主要是主控制板對(duì)下位節(jié)點(diǎn)的控制信息，如采集板啟動(dòng)上傳指令，充電機(jī)啟動(dòng)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(bào)文：狀態(tài)參數(shù)報(bào)文是指表示系統(tǒng)當(dāng)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(diǎn)溫度信息。充電機(jī)上傳的充電制式設(shè)定信息和當(dāng)前充電狀態(tài)信息，以及主控制板發(fā)送給充電機(jī)用于充電機(jī)面板顯示的當(dāng)前電池組 SOC 參數(shù)和單體極值信息。</p><p>　　故障報(bào)警報(bào)文：故障報(bào)警報(bào)文是指系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的故障報(bào)警信息

101、。如采集板上傳溫度異常、單體過(guò)壓等故障信息，以及充電機(jī)接收來(lái)自主控制板的單體和電池組內(nèi)故障信息等。</p><p>　　CAN 報(bào)文中標(biāo)識(shí)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(bào)文的標(biāo)識(shí)符決定了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，具有較小標(biāo)識(shí)符的幀先發(fā)送，較小標(biāo)識(shí)符幀發(fā)送完成后，標(biāo)識(shí)符較大的幀才能發(fā)送。因此，控制指令報(bào)文采用較小的報(bào)文 ID 值，故障信息其次，狀態(tài)信息則采用最大的

102、報(bào)文 ID 值。指定標(biāo)示符下，報(bào)文的不同數(shù)據(jù)字節(jié)代表不同的含義，作為指令標(biāo)志位，故障標(biāo)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(bào)文協(xié)議、以及主控制板與充電機(jī)之間通訊報(bào)文協(xié)議。</p><p>　　表 3-1 主控制板與采集板之間通訊報(bào)文協(xié)議</p><p>　　表3-2主控制板與充電機(jī)之間通訊報(bào)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(zhǔn)確、有序的管理，采用基于報(bào)文前兩個(gè)字節(jié)辨識(shí)的方法，對(duì)報(bào)文幀的數(shù)據(jù)類型和表征含義進(jìn)行區(qū)分，便可實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 網(wǎng)絡(luò)的有效數(shù)據(jù)通訊及管理。各報(bào)文幀的報(bào)文代號(hào)、報(bào)文 ID、報(bào)文優(yōu)先權(quán)、字節(jié)長(zhǎng)度、以及報(bào)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(kuò)展CAN模塊與整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yīng)用簡(jiǎn)便靈活。根據(jù)XL純電動(dòng)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(bào)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(luò)通訊報(bào)文協(xié)議</p><

105、;p><b>　　結(jié) 束 語(yǔ)</b></p><p>　　電動(dòng)汽車同傳統(tǒng)汽車相比,具有低噪聲的優(yōu)點(diǎn)由于其動(dòng)力源為電池化學(xué)能,沒(méi)有任何形式的尾氣排放,故電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境保護(hù)又是相當(dāng)理想的。電動(dòng)汽車不燒燃油,面對(duì)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(shì),其電池充電時(shí)間可安排在夜間進(jìn)行,可最大限度地綜合利用電力資源。電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)具有廣闊的發(fā)展前景,電動(dòng)汽車

106、的大規(guī)模使用（社會(huì)化）在不遠(yuǎn)的將來(lái)一定會(huì)實(shí)現(xiàn),二十一世紀(jì)將是電動(dòng)汽車取代燃油汽車的世紀(jì)。盡管我國(guó)對(duì)電動(dòng)車的研究剛剛起步,但我國(guó)在電動(dòng)車方面的研究水平與國(guó)外先進(jìn)水平的差距要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的差距小。我國(guó)應(yīng)抓住時(shí)機(jī),大力開(kāi)展電動(dòng)汽車的研制,建立一套完整的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)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(jìn)或者限制電動(dòng)汽車的發(fā)展，因此本文具有一定實(shí)用意義和應(yīng)用價(jià)值。本

107、文對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明，同時(shí)對(duì)電池組均衡充電方案進(jìn)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(yīng)用于電動(dòng)汽車工況下的使用要求，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的基本功能和結(jié)構(gòu)?；谒鶎?shí)現(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(duì)系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。</p><p>　　其次，系統(tǒng)采用 CAN

108、總線進(jìn)行通訊。建立了電池管理系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)了 CAN 應(yīng)用層通訊協(xié)議。此外，根據(jù)主控制板硬件資源，選用獨(dú)立 CAN 控制器完成系統(tǒng) CAN通訊模塊的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊的接口。</p><p>　　綜上，本文對(duì)電池管理及均衡技術(shù)有了較深入的設(shè)計(jì)和研究，提供了一些好的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。</p>&

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

110、，現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)，北京：北京理工大學(xué)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