混合動力輕型客車動力電池監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　題目：混合動力輕型客車動力電池監(jiān)控</p><p><b>　　系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)</b></p><p>　　學(xué) 院：汽車與交通工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 交通運輸 </p><p>　　學(xué)

2、 號： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　職 稱： 講師 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電池監(jiān)控系統(tǒng)主要是

3、對動力電池的電壓、電流、溫度等狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，并將監(jiān)測結(jié)果及時地發(fā)送到汽車的控制系統(tǒng)中，為汽車整體的控制策略提供重要的實時參數(shù)。本課題以混合動力輕型客車為研究對象，主要研究動力電池特性及其荷電狀態(tài)SOC（State of charge）估算方法，并完成對電池的電壓、電流和溫度的實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，確定一個磷酸鐵鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案。在本課題中主要是設(shè)計一個

4、對整車動力電池單體測量的監(jiān)控模塊，將每10個單體的模塊通過CAN總線組成一個系統(tǒng)。下位機系統(tǒng)采用單體監(jiān)控模塊中串聯(lián)，各模塊之間也互相串聯(lián)的方法進行監(jiān)控工作。主要是先對高共模電壓隔離技術(shù)的研究：如對電池的隔離、對CAN總線的隔離、對MCU的供電隔離以及對電源的隔離；再是AD對電壓采集部分的設(shè)計，用傳感器對電流和溫度采集。設(shè)計MCU的AD采樣程序，運用PIC18F4580系列單片機對光電開關(guān)的控制，實現(xiàn)采樣通道的選通；通過CAN總線把MCU

5、處理過的采集數(shù)據(jù)傳送給上位機。上位機系統(tǒng)針對下位機硬件控制系統(tǒng)以及CAN總線傳輸而來的數(shù)據(jù)的具體要求而設(shè)計的實時監(jiān)控軟件，以實現(xiàn)對下位機的控制。所以，本設(shè)計的電池監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計，實現(xiàn)了對電池參數(shù)的采集處理及分析，并且對電池的各工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)控。</p><p>　　同時本系統(tǒng)運用了綜合的電池容量算法，提高了電池監(jiān)控的效率，達到了實時性、準(zhǔn)確性和可靠性的要求，可以很好的實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池參數(shù)的監(jiān)

6、控要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混合動力汽車；電池監(jiān)控系統(tǒng)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Battery monitoring system is mainly on dynamic battery voltage、current、temperature real-time

7、status monitoring, and timely sent the monitoring results to the vehicle's control system, the overall control strategy of the vehicle provides important real-time parameters. The topics to Hybrid Light Bus object of

8、 study, mainly research battery’s characteristics and state of charge SOC (State of charge) estimation methods, and completed the battery voltage、current and temperature of the real-time moni</p><p>　　hardwa

9、re design; software design </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　1 緒論2</b></p><p>　　1.1 混合動力汽車簡述2</p><p

10、>　　1.2 混合動力汽車電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義4</p><p>　　1.4 本論文主要研究內(nèi)容4</p><p>　　2 動力電池在HEV中的應(yīng)用6</p><p>　　2.1 混合動力汽車中電池使用的種類6</p><p>　　2.2 HE

11、V中磷酸鐵鋰電池概述6</p><p>　　2.3 動力電池監(jiān)控系統(tǒng)研究7</p><p>　　2.3.1 電池SOC探討8</p><p>　　2.3.2 電池監(jiān)控系統(tǒng)概述9</p><p>　　2.4 實際HEV中電池參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的類型10</p><p>　　3 動力電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計12</

12、p><p>　　3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的要求與難點12</p><p>　　3.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計14</p><p>　　3.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計思路14</p><p>　　3.2.2 隔離部分設(shè)計16</p><p>　　3.2.3 MCU的AD電路設(shè)計19</p><p>　　

13、3.2.4 CAN通信設(shè)計23</p><p>　　3.2.5 電源部分設(shè)計26</p><p>　　3.2.6 電流傳感器電路設(shè)計26</p><p>　　3.2.7 電池溫度采集電路設(shè)計：28</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計31</b></p><p>　　4.1

14、 設(shè)計思路31</p><p>　　4.2 AD算法并畫出流程圖31</p><p>　　4.3 電流采集的軟件設(shè)計33</p><p>　　4.4 溫度采集軟件設(shè)計33</p><p>　　4.5 SOC計算程序算法36</p><p>　　4.6 程序代碼編譯與下載37</p>

15、<p>　　4.7 顯示界面設(shè)計37</p><p><b>　　5 結(jié)論39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　　參考文獻：41</b></p><p><b>　　附錄：42</b>&

16、lt;/p><p><b>　　前言</b></p><p>　　動力電池在使用的過程中由于是多塊電池的串聯(lián)，電池的個體差異會導(dǎo)致電池壽命及整車的性能受到很大的影響，而電池監(jiān)控管理系統(tǒng)可以及時的發(fā)現(xiàn)電池的問題，并防止個體的差異在使用中被人為的擴大而造成損失，它還可以對電池的個體差異提供特定的補救措施而提高整車的電池使用壽命，因此，設(shè)計一個實時、準(zhǔn)確、可靠的電池監(jiān)控系統(tǒng)是非

17、常有必要的。</p><p>　　隨著能源危機的日益嚴重，低碳經(jīng)濟的呼聲也日益高漲，所以混合動力汽車有著節(jié)能省油低排放的優(yōu)點，同時它也得到了社會各界的廣泛關(guān)注。學(xué)校也本著環(huán)保的意識，提倡使用新能源，學(xué)院特地組建一個團隊研究混合動力型汽車電池的各個性能參數(shù)，以合理利用電池提供的能源，本課題就是這個團隊中的一個子課題。針對磷酸鐵鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的要求，設(shè)計了一個對電池參數(shù)進行實時監(jiān)控的系統(tǒng)。目前在混合動力汽車普及的情況

18、下，動力電池技術(shù)也需要上升一個臺階。在設(shè)計中主要解決動力電池在使用過程中安全性和可靠性的問題，為用戶實時的顯示電池的不同工作狀態(tài)，以提高電池的壽命和整車性能。系統(tǒng)主要是對動力電池的電壓、電流和溫度通過MCU的AD進行實時的采樣，CAN的總線控制處理和傳輸，到最后的上位機進行結(jié)果的顯示。本文所設(shè)計的電池監(jiān)控系統(tǒng)滿足了實時性、可靠性的要求，能夠快速準(zhǔn)確的完成對電池的監(jiān)控。</p><p>　　本文的混合動力汽車利用的

19、是新能源中的電能，所以電池監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展會更能夠促進混合動力汽車的發(fā)展。由于本課題是團隊課題“混合動力輕型客車動力系統(tǒng)的研究”的子課題，只對電池監(jiān)控系統(tǒng)進行研究設(shè)計，對動力系中別的部分不作深入研究。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　隨著石油資源的枯竭以及人們環(huán)保意識的提高，混合動力汽車將成為新世紀(jì)汽車發(fā)展的主流，并成為我國汽車界所有業(yè)

20、內(nèi)人士的共識。發(fā)展新能源汽車，實現(xiàn)汽車動力系統(tǒng)的新能源化，推動傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)達成共識。在這種形勢下國內(nèi)外都不約而同地將以新能源為代表的低碳產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略選擇，都希望通過新能源產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，破解汽車工業(yè)能源環(huán)境制約，培育新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力，發(fā)展低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)新一輪經(jīng)濟增長。所以混合動力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注。</p><p>　　1.1

21、混合動力汽車簡述</p><p>　　混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle, 簡稱HEV) 是指同時裝備兩種動力源—熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產(chǎn)生）與電動力源（電池與電動機）的符合汽車道路交通、安全法規(guī)的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求而進行靈活調(diào)控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放?；旌蟿恿ζ嚨年P(guān)鍵是混

22、合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車的整車性能，主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。本文主要是對動力系中的電池組的監(jiān)控系統(tǒng)進行研究[1]。</p><p>　　混合動力汽車目前主要有3種動力源模式：一種是以發(fā)動機為主動力，電動馬達作為輔助動力的“并聯(lián)式”。這種方式主要以發(fā)動機驅(qū)動行駛，利用電動馬達所具有的再啟動時產(chǎn)生強大動力的特征，在汽車起步、加速等發(fā)動機燃油消耗較大時，用電動馬達輔助

23、驅(qū)動的方式來降低發(fā)動機的油耗。這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需要在汽車上增加電動馬達和電瓶。另外一種是，在低速時只靠電動馬達驅(qū)動行駛，速度提高時發(fā)動機和電動馬達相配合驅(qū)動的“串、并聯(lián)式”。啟動和低速時是只靠電動馬達驅(qū)動行駛，當(dāng)速度提高時，由發(fā)動機和電動馬達共同高效地分擔(dān)動力，這種方式需要動力分擔(dān)裝置和發(fā)電機等，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜。還有一種是只用電動馬達驅(qū)動行駛的電動汽車“串聯(lián)式”，發(fā)動機只作為動力源，汽車只靠電動馬達驅(qū)動行駛，驅(qū)動系統(tǒng)只是電動馬達

24、，但因為同樣需要安裝燃料發(fā)動機，所以也是混合動力汽車的一種。</p><p>　　混合動力汽車的優(yōu)點是：（1）采用混合動力后可按需用的平均功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率而內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。（2）因為有了電池， 可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠

25、速時的能量。（3）在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)"零"排放。（4）有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。（5）可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。（6）可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。而混合動力汽車的缺點是：有兩套動力，再加上兩套動力的管理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)較難，價格較高 [2]。</p><p

26、>　　1.2 混合動力汽車電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　混合動力汽車的核心是電池技術(shù)。由于，混合動力汽車主要是依靠串聯(lián)電池組來獲得足夠的高壓以提供動力。而交通運輸應(yīng)用中的電池組一般含有100塊甚至更多的電池，可提供數(shù)百伏電壓。一般公認50 V或60 V以上的電壓可以致命，而可能導(dǎo)致電子設(shè)備損壞的電壓則更低。雖然這些電池組本身具有危險性，但仍然必須與電池殼內(nèi)的電池監(jiān)控電子設(shè)備通信。因此，通信方式

27、必須安全可靠。而在本課題中研究的就是電池監(jiān)控系統(tǒng)，它不僅要對動力電池的各參數(shù)進行實時的監(jiān)控，對電池運行過程中的數(shù)據(jù)進行采樣、顯示并進行分析處理，而且在發(fā)現(xiàn)故障時還能及時的發(fā)出警報以方便使用者及時的進行維修和排除故障。</p><p>　　電池監(jiān)控系統(tǒng)針對動力蓄電池組在使用過程中的工作狀況（如啟動、爬坡、運行、剎車、停車），融合現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)，通過計算機控制，對電池組進行軟硬件雙套實時、可靠、有效、合理

28、的監(jiān)控與管理，從而確保電池組的安全使用。一般電池監(jiān)控系統(tǒng)大致包括了如下四部分：電壓及溫度保護模塊：此模塊主要是對電池組上下限電壓、溫度以及內(nèi)壓起到限制保護作用；電流均充保護模塊：此模塊運用安時積分法，對電池進行實時的SOC估算。在電池組充電過程起到了電池均充的作用；過溫保護模塊：此模塊利用溫度開關(guān)，在硬件上對電池組溫度進行第二重控制，從而起到嚴密的雙保險管理。</p><p>　　在技術(shù)的不斷改進和發(fā)展的過程中，

29、以下問題的攻關(guān)需要行業(yè)的重視：（1）實驗數(shù)據(jù)：目前，國內(nèi)混合動力汽車各系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)積累還處于較低的水平，數(shù)據(jù)庫不夠強大。以電池及其管理系統(tǒng)為例：蓄電池荷電狀態(tài)（SOC，State of Charge）是電池使用過程中的重要參數(shù)，電池管理系統(tǒng)（往往控制幾百個電池）的SOC的分析與計算。（2）電池技術(shù)：對動力電池的可靠性和穩(wěn)定性的要求。車用動力電池未達到批量生產(chǎn)，電池總成可靠性、一致性難以保證，電池的比功率、比能量要提高，安全性和可靠性要

30、保證。（3）安全管理：主要是對電壓的安全管理。混合動力車的電壓系統(tǒng)處于高壓等級（110V以上），其診斷系統(tǒng)必須特別關(guān)注，而國內(nèi)甚至國外，這項技術(shù)都未成熟。</p><p>　　1.3 電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義</p><p>　　電池作為混合動力汽車的能源之一，在它提供能量的同時也存在一些潛在的風(fēng)險，例如安全性、可靠性等。而且電池在提供能量時通常都是多達上百塊電池串聯(lián)才可以提供足夠的高壓。但

31、是太高的電壓又會出現(xiàn)嚴重的安全隱患，而且多塊電池串聯(lián)起來使用，即使是生產(chǎn)電池的技術(shù)很先進能夠達到每塊電池的性能都相差無幾，但是在使用的過程中每塊電池由于充放電的情況不一樣，或者工作環(huán)境的不一致以及各種客觀上的原因，總會導(dǎo)致每塊電池出現(xiàn)差異。所以對每塊電池的檢測監(jiān)控就顯得特別重要。本文研究的電池監(jiān)控系統(tǒng)就能實時的對電池的各參數(shù)進行測量和數(shù)據(jù)采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)個電池參數(shù)出現(xiàn)差異的情況時，監(jiān)控系統(tǒng)就及時的發(fā)出警報，以供用戶及時的發(fā)現(xiàn)并進行故障處理。

32、我們研究電池監(jiān)控系統(tǒng)主要是為了延長電池的使用壽命降低成本，同時也提高了整車的性能，最終還起到了保護作用，安全性得到了保障。</p><p>　　監(jiān)控系統(tǒng)分別檢測串聯(lián)電池組中每只電池的電壓和電流，控制電池組的充放電過程。電池組中每只電池的電壓均在過充檢測電壓和過放檢測電壓之間，并且輸出無短路現(xiàn)象時，系統(tǒng)輸出電池組電壓，允許電池組進行放電操作；當(dāng)串聯(lián)電池組中的任意一只電池的電壓下降到過放檢測電壓并且達到過放延時時間時

33、，過放保護功能啟動，禁止電池組對外輸出電流，保護電池組安全，電路板進入休眠狀態(tài)，電路板消耗電流為休眠電流以下，進入休眠狀態(tài)的電路只有在連接充電器后，并且電池電壓超過過放恢復(fù)電壓后才能恢復(fù)；當(dāng)任何一節(jié)電池電壓上升到電池過充檢測電壓，并且超過過充延時時間時，過充保護功能啟動，禁止對電池組充電，保護電池組安全，當(dāng)電池組連接負載放電或者電池電壓下降到過充恢復(fù)電壓以下時，過充狀態(tài)被恢復(fù)；當(dāng)電池組放電端口發(fā)生短路時，保護電路會在短路保護延時時間后，

34、禁止電池組對外放電，當(dāng)外部短路被移除后，電路自動恢復(fù)；當(dāng)電池組放電端口發(fā)生過電流現(xiàn)象時，保護電路會在過流保護延時時間后，禁止電池組對外放電，當(dāng)外部短路被移除后，電路自動恢復(fù)；電池組在正常充電過程中，當(dāng)電池組中的某串電池出現(xiàn)失衡現(xiàn)象時，單只電池首先到達均衡啟動電壓時，均衡電阻對充電電流進行</p><p>　　隨著混合動力汽車的發(fā)展，動力電池的監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)研究也應(yīng)該同步的發(fā)展，這應(yīng)該是一個必然的趨勢。</p

35、><p>　　1.4 本論文主要研究內(nèi)容 </p><p>　　本課題是團隊課題“混合動力輕型客車動力系統(tǒng)的研究”的子課題，擬通過對某型混合動力輕型客車的研究，提出動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和整車動力系統(tǒng)工作模式，確定總成的參數(shù)及選型，并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行靈敏度分析。本文主要是對動力電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，其研究內(nèi)容如下：</p><p>　　（1）介紹混合動力汽車的發(fā)展及歷史概況并簡

36、述動力電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及意義。</p><p>　?。?）簡述動力電池的種類，重點是磷酸鐵鋰電池監(jiān)控技術(shù)，對磷酸鐵鋰電池的特點分析及電池容量檢測方法和電池監(jiān)控技術(shù)。</p><p>　　（3）主要提出硬件方面的設(shè)計思路和對硬件中的技術(shù)難點進行研究。包括硬件的隔離技術(shù)研究：電池隔離，MCU的供電隔離，CAN總線的隔離以及電源隔離，MCU的AD采樣技術(shù)，傳感器對電流和溫度的采集及CAN總

37、線通訊技術(shù)。</p><p>　?。?） 軟件方面主要是運用PIC18F4580系列單片機的開發(fā)工具MPLAB-IDE2.5進行軟件方面的設(shè)計，對程序代碼的編譯、簡述AD算法，采集電壓、電流和溫度的大致工作流程圖。</p><p>　　（5）進行程序的運行調(diào)試并對最后的結(jié)果進行分析處理，最后得出結(jié)論。</p><p>　　2 動力電池在HEV中的應(yīng)用</p&g

38、t;<p>　　電池是混合動力汽車的能源之一，是影響混合動力汽車性能的關(guān)鍵部分，也是制約混合動力汽車發(fā)展的關(guān)鍵。為適應(yīng)混合動力汽車的需要，車用電池發(fā)展也很快。一般應(yīng)用于混合動力汽車和電動汽車的電池，即我們俗稱的動力電池。</p><p>　　2.1 混合動力汽車中電池使用的種類</p><p>　　在混合動力汽車的發(fā)展史中動力電池隨著技術(shù)的發(fā)展其使用種類也有所不同，以下是常見

39、的幾種：</p><p><b>　　（1）鉛酸蓄電池 </b></p><p>　　鉛酸蓄電池的正極采用二氧化鉛，負極采用海綿狀的鉛，電解液是稀硫酸溶液。每個單元的基本電壓為 2V。鉛酸蓄電池的性能可靠，價格低廉，技術(shù)較成熟。但質(zhì)量重，過充電、過放電性能差，易自放電，比能量、能量密度和壽命不夠理想，快速充電困難。</p><p><b&

40、gt;　　（2）鎳鎘蓄電池 </b></p><p>　　鎳鎘蓄電池是一種堿性蓄電池，它的正極板為氫氧化鎳，負極板為鎘，電解質(zhì)是氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液。其單元電壓為 1.2V。鎳鎘蓄電池有較強的耐深度放電能力，在低溫、大電流放電時容量無明顯下降，質(zhì)量輕、壽命長，但價格高且金屬鎘有巨毒，其報廢后必須進行回收，耐高溫性能較差。 </p><p><b>　?。?）鎳氫蓄電

41、池 </b></p><p>　　鎳氫蓄電池也是一種堿性蓄電池，其正極活性物質(zhì)是氫氧化鎳，負極活性物質(zhì)是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)。每個單元的基本電壓有 6V 的，也有 12V 的。鎳氫蓄電池的比能量較大、使用壽命長，過充電和過放電性能好，能帶電充電，并可以實現(xiàn)快速充電，低溫性能較好，能夠長時間存放，但鎳氫蓄電池的成本很高。 </p><p><b>　?。?）鋰

42、蓄電池 </b></p><p>　　鋰是最輕的金屬元素，也是化學(xué)性質(zhì)最活潑的金屬元素。金屬鋰暴露在空氣中或遇水時會發(fā)生燃燒。該蓄電池的比能量大，比功率高，充電放電效率高，可以快速充電，功率輸出密度大，沒有記憶效應(yīng)等。但鋰的制取較困難，管理和使用較復(fù)雜，要有嚴格的安全措施，價格也高[3]。</p><p>　　2.2 HEV中磷酸鐵鋰電池概述</p><p&

43、gt;　?。?）磷酸鐵鋰電池定義</p><p>　　磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。</p><p>　　概括起來磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點有：①安全：磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中最好的；②穩(wěn)定性高：包括高溫充電的容量穩(wěn)定性好，儲存性能好等。這點是最大的優(yōu)點，在所有知道的材料中，也是最好

44、的;③環(huán)保：整個生產(chǎn)過程清潔無毒，所有原料也都無毒;④價格便宜：磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料，這些材料都十分便宜。而它的缺點為：①導(dǎo)電性差：這個問題是其最關(guān)鍵的問題；②振實密度較低：一般只能達到1.3-1.5，低的振實密度可以說是磷酸鐵鋰的最大缺點。但這一缺點在動力電池方面不會突出。因此，磷酸鐵鋰主要是用來制作動力電池；③目前研究開發(fā)還不深入。</p><p>　　磷酸鐵鋰的主要性能是：①高能量密度； ②

45、安全性：是目前最安全的鋰離子電池正極材料； ③壽命長；④無記憶效應(yīng)； ⑤充電性能：磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池，可以使用大倍率充電，最快可在1小時內(nèi)將電池充滿。 </p><p>　?。?） 磷酸鐵鋰電池的發(fā)展</p><p>　　磷酸鐵鋰由于具有安全性與循環(huán)壽命優(yōu)勢、材料成本的誘惑，正在逐步進入鋰離子動力電池市場。磷酸鐵鋰作為鋰離子電池的正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺十分

46、平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時，該材料無毒、無污染、安全性能好、可在高溫環(huán)境下使用、原材料來源廣泛等優(yōu)點，是目前電池界競相開發(fā)研究的熱點。磷酸鐵鋰電池的工作電壓范圍：2.5～3.6V，平臺約3.3V。</p><p>　　現(xiàn)在磷酸鐵鋰最主要的問題是容量偏低, 制造成本偏高,在電池生產(chǎn)上加工困難(制漿,拉漿,輥軋等工序都需要特殊處理,很多企業(yè)不能很好的處理)倍率放電不穩(wěn)定(需要特定的電池工藝配合,受工藝影響很大)

47、而現(xiàn)在電器的使用趨勢是小巧型發(fā)展,所以對電池也有同樣的要求高體積能量密度.從容量上看磷酸鐵鋰沒有前途,但在特定的電池領(lǐng)域使用較有優(yōu)勢，如動力電池。</p><p>　　磷酸鐵鋰振實密度比較低,比表面積很大,需要改變電池先行工藝,而且電池極片的面密度低所以同樣型號的電池容量更低。電解液也需重新開發(fā)適用的電解液體系，用現(xiàn)有的成熟電解液難發(fā)揮其性能。另外，磷酸鐵鋰電池沒有批量配套的保護線路和充電器，較難在現(xiàn)有的電子設(shè)備

48、上發(fā)揮出其特性，需要一個整體的行業(yè)整合。</p><p>　　2.3 動力電池監(jiān)控系統(tǒng)研究</p><p>　　電池技術(shù)是混合動力、電動汽車的核心技術(shù)之一。目前，國內(nèi)外對電池監(jiān)控技術(shù)都進行了大量的研究，取得了較大的成果。一般認為電池監(jiān)控系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集(包括溫度、電壓、電流等)；電池荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)的準(zhǔn)確估計；對電池組安全運行進行全面監(jiān)

49、控，如防止電池的過充電和過放電等等[2]。</p><p>　　2.3.1 電池SOC探討</p><p><b>　　(1) SOC定義</b></p><p>　　一般 SOC的定義是為了準(zhǔn)確計算電池的容量，即預(yù)測電池的剩余能量 。SOC是描述蓄電池狀態(tài)的一個重要參數(shù)，通常把一定溫度下蓄電池充電到不能再吸收電量時的電量狀態(tài)(SOC)定義為

50、SOC=100％ ，而將蓄電池在不能放出電量時的電量狀態(tài)定義為 SOC=0％。對于蓄電池 ，SOC可定義為：</p><p>　　SOC =Qc／CI，</p><p>　　式 中：Qc為蓄電池剩余的容量；CI為蓄電池以恒定電流I放電時所具有的容量 。 </p><p>　　如果以已放出的電量Q來求得荷電狀態(tài)參數(shù)SOC，則 ： </p><p&g

51、t;　　SOC=1－Q／CI</p><p>　　式中：SOC=1表示蓄電池為充滿電狀態(tài) ，SOC=0表示蓄電池已處于全放電狀態(tài)。 </p><p>　　蓄電池所能放出的電量容量要受放電率、蓄電池的溫度、蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)等諸多因素的影響 ，使得對于剩余容量的估算十分困難。以下的一些因素會給電池的實際剩余容量帶來影響：① 放電率：在不同的放電電流下，蓄電池的起始端電壓和截止端電壓都是不同

52、的。其中放電電流越大，則起始和截至端電壓越小，放電容量也越小，反之則變大。② 電池溫度對容量影響較大，放電時較高的電池溫度會使電池放出更多的電量。充電時過高的溫度會使更多的氧氣析出，電極電壓更容易達到最大值，反而會降低充電效果。③ 自放電率：電池在儲存期間，由于電池內(nèi)雜質(zhì)的作用，使正極和負極的活性物質(zhì)被逐步消耗，從而造成容量損失，這種現(xiàn)象稱為自放電。④ 壽命：隨電池壽命的變化，電池容量也會發(fā)生變化。當(dāng)電池容量達到額定容量的80%時，可以

53、認為電池壽命結(jié)束。⑤ 內(nèi)阻：電池內(nèi)阻的變化使電池容量的估計變得比較困難[3]。</p><p>　?。?）SOC的計量方法</p><p>　　蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）是不能直接得到的，只能通過對電池外特性—電池電壓U，電池電流I、電池內(nèi)阻R、電池溫度T等參數(shù)的檢測來推斷SOC的大小。目前最常見的研究方法是通過研究電池復(fù)雜的外特性，如開路電壓、恒流放電時電壓的變化規(guī)律、電池內(nèi)阻特性等來獲得

54、SOC。</p><p>　　①安時積分法。即電量累積法，通過累積電池在充電或放電時的電量來估計電池的SOC，并根據(jù)電池的溫度、放電率對SOC進行補償。安時積分法是已商品化的電動汽車用SOC測量裝置上應(yīng)用最普遍的方法。</p><p>　　②電壓測量法。利用電池的開路電壓與電池的放電深度的對應(yīng)關(guān)系，通過測量電池的開路電壓來估計SOC。開路電壓法比較簡單，但是不能用于動態(tài)的電池SOC估計 [

55、3]。</p><p>　　本文用到的SOC估算法是將安時積分法和開路電壓法綜合起來進行估算的。</p><p>　　2.3.2 電池監(jiān)控系統(tǒng)概述</p><p>　　電池監(jiān)控系統(tǒng)與動力電池緊密結(jié)合在一起，對電池的電壓、電流、溫度進行實時的檢測，同時還進行報警提醒，計算剩余容量、放電功率，報告SOC狀態(tài)，還根據(jù)電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛

56、里程、以及用算法控制充電機進行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載總控制器、車載顯示系統(tǒng)等進行實時通訊[3]。</p><p>　　例如以下針對動力電池特殊的工作環(huán)境要求設(shè)計了一種實用高效的電池參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng) (BPMS)，主要由高壓監(jiān)控子系統(tǒng) (HVMS)和電池監(jiān)控子系統(tǒng) (BMS)兩部分組成：高壓監(jiān)控子系統(tǒng)負責(zé)整車高壓參數(shù)監(jiān)控和安全管理，檢測絕緣情況和斷路情況并控制高壓繼電器的接通和斷開；電池監(jiān)控子系統(tǒng)負責(zé)

57、對電池組的電壓、電流和溫度等進行采樣分析，實時準(zhǔn)確地估計電池組的 SOC及其最大充放電功率。</p><p>　?。?）高壓監(jiān)控子系統(tǒng) (HVMS)</p><p>　　高壓監(jiān)控子系統(tǒng)負責(zé)對動力電池高壓線路進行監(jiān)測和管理,實時監(jiān)測高壓電路絕緣特性、漏電流、總線剩余電量等各項參數(shù)，根據(jù)電動汽車和人體安全標(biāo)準(zhǔn)要求，保證高壓系統(tǒng)工作在安全范圍內(nèi)。</p><p>　?。?

58、）電池監(jiān)控子系統(tǒng) (BMS)</p><p>　　電池監(jiān)控子系統(tǒng)是整個電池參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分,其主要功能包括對電池電壓、電流和當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)進行采樣；對電池的荷電狀態(tài) (SOC)進行準(zhǔn)確的預(yù)測并計算電池所能承受的最大充放電功率等。</p><p>　　本設(shè)計中監(jiān)控系統(tǒng)所做的主要工作可簡述為以下三點：</p><p><b>　?、匐妷簻y量</b&

59、gt;</p><p>　　BMS需要精確的測量電池電壓、電流 、溫度，確保電池安全穩(wěn)定的工作，同時為SOC的預(yù)測提供精確的數(shù)據(jù)輸入，電壓測量線束前段需接一個較大電阻，以起到分壓、保護電路板作用。模塊的電壓正負極接入光藕繼電器同一時刻只導(dǎo)通一路光藕繼電器經(jīng)過放大濾波。送入12位高精度的AD轉(zhuǎn)換器，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過光耦合器6N137，送入主控ECU起到保護ECU并隔離干擾，獲得了較高的測量精度。這樣可實現(xiàn)硬件

60、部分分時復(fù)用，簡化電路，降低成本。</p><p><b>　?、陔娏鳒y量</b></p><p>　　在混合動力客車上由于電流的變化很大(正負數(shù)百安培)，因此我們采用了高精度霍耳電流傳感器，其線性度為±1%，反應(yīng)時間﹤3µs，跟隨精度為50A/µs經(jīng)12位高精度AD轉(zhuǎn)換,光耦合送入單片機，在底層軟件設(shè)計上，區(qū)分電流方向，以辨別是充電還是

61、放電狀態(tài)，并準(zhǔn)確計算出SOC。</p><p><b>　?、蹨囟葴y量</b></p><p>　　由于充放電過程中的可逆與不可逆現(xiàn)象會使電池溫度升高，過高溫度會引起電池性能惡化，并減短電池壽命，電池容量急劇變小，為此，需將電池溫度控制在合適范圍內(nèi)，由于溫度變化較慢，本設(shè)計中運用的是數(shù)字式溫度傳感器，既滿足了要求又降低了成本。將測得值送入12位高精度AD轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)過

62、光耦合器送入ECU。</p><p>　　同時HEV客車中電機 、高壓電、發(fā)動機等的存在,電磁環(huán)境十分惡劣，干擾嚴重，需要在硬件設(shè)計上，從元器件的選擇，接地技術(shù)，電磁兼容設(shè)計，到PCB板布線都需要全盤精心考慮。在軟件上也需要做相應(yīng)的處理，采樣信號軟件濾波處理，程序采樣冗余處理等，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性[4]。</p><p>　　2.4 實際HEV中電池參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的類型</

63、p><p>　　目前，已有混合動力汽車中的電池參數(shù)測控系統(tǒng)根據(jù)使用電池種類的不同有不同的測控系統(tǒng)分類：</p><p>　?。?）鉛酸蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　基于監(jiān)控測量的蓄電池管理系統(tǒng)：在給電池充電的過程中，涉及到電池工作電壓、工作電流、溫度等參數(shù)，這些都是表征電池狀態(tài)的重要參數(shù)。采用傳感器提取這些參數(shù)，然后再配合故障診斷、遙控遙測、自動報警和事故現(xiàn)場處理

64、等功能，就可以組成一個電池管理系統(tǒng)。在通訊、供電系統(tǒng)中，為了保證電網(wǎng)掉電時蓄電池組能及時補充電能，在規(guī)定時間內(nèi)向負載供電，保證通信或電力合閘系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，通常是將電池組直接掛接在電源模塊輸出端。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時，電池組工作在浮充狀態(tài)，起到平滑濾波和保持容量(補充自放電的容量損失)的作用。一旦電網(wǎng)掉電，蓄電池組立即投入工作，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)，電源模塊立即對電池進行充電。 由于和電源模塊是聯(lián)系起來的，所以，可以從充放電過程上來優(yōu)化電池工作狀態(tài)，

65、電池充電成為可控的過程，建立這樣的監(jiān)控單元應(yīng)該具有電池管理系統(tǒng)所有功能，并且可以和電源模塊直接“對話”，根據(jù)要求對電池進行管理，并且可以實時監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，對電池的工作進行優(yōu)化。</p><p>　?。?）鎳氫電池測控系統(tǒng)</p><p>　　同樣是對電池組電池參數(shù)進行測量監(jiān)控，以延長電池的使用壽命。對于鎳氫電池下面提供了一種基于CAN總線的測量系統(tǒng)方案。</p><

66、;p>　　圖 2-1 鎳氫電池管理系統(tǒng)的簡單框圖</p><p>　　如上圖所示，方案中采用總線的方式組成，應(yīng)用現(xiàn)場總線完成各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換。在分布式方案中，多能源控制器為主控ECU，它通過現(xiàn)場總線和多個下位ECU通信。</p><p>　　電池的SOC值是電池控制器通過CAN總線發(fā)送給多能源控制器，而整車的工作模式則是多能源控制器通過采集各個ECU的信息通過一定的邏輯算法來確

67、定的。一旦確定了這些參數(shù)，那么我們就可以決定是啟動發(fā)動機還是關(guān)閉發(fā)動機，也可以決定電機應(yīng)該工作在哪個狀態(tài)。例如，當(dāng)電池的SOC值在50%與70%之間，這個時候多能源控制器算得整車工作模式是在起步模式，那么就表示當(dāng)前系統(tǒng)的電能源充足，不需要開啟發(fā)動機，而且，電機可以以驅(qū)動方式來工作。</p><p>　　系統(tǒng)硬件組成：電池控制器可以與外部汽車中其他控制系統(tǒng)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行通信。一個電池管理ECU（電子控制單元

68、）和4個電池組信息檢測ECU； 4個電池組ECU與電池包ECU組成一個 CAN總線網(wǎng)絡(luò)，一個CAN控制器與電池組ECU組成電池管理系統(tǒng)內(nèi)部的CAN網(wǎng)絡(luò)，另一個CAN控制器與汽車中其他控制系統(tǒng)組成整車光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò) [5]。</p><p>　?。?）鋰電池測控系統(tǒng)</p><p>　　本文主要研究的就是鋰電池的監(jiān)控系統(tǒng)，主要是基于CAN總線由單片機PIC18F4580自帶的AD進行模數(shù)

69、轉(zhuǎn)換，及內(nèi)帶的CAN控制器作為硬件部分的主導(dǎo)。后面的章節(jié)將對鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)進行詳細的設(shè)計研究。</p><p>　　3 動力電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　混合動力汽車的整車性能很大程度上依賴于動力電池，高性能、高可靠性的電池監(jiān)控系統(tǒng)能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。通過蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）來實時監(jiān)測電池狀態(tài)，如電池電壓 、充放電電流、溫度等、預(yù)測電池（SOC），以提升電

70、池性能和壽命，提高混合動力汽車的可靠性和安全性。所以研制出一套電池組的監(jiān)控系統(tǒng)顯得很必要也尤為重要。</p><p>　　3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的要求與難點</p><p>　　電池監(jiān)控系統(tǒng)可簡單的認為分為三部分：數(shù)據(jù)采集單元，檢測單元，顯示控制單元。在一般情況下，所有的采集單元均處于睡眠狀態(tài)，不進行數(shù)據(jù)采集，而顯示控制單元也只是顯示內(nèi)存中的有關(guān)電池數(shù)據(jù)，并保持與上位機通信。在顯示控制單元內(nèi)

71、部設(shè)有定時程序，當(dāng)定時時間達到預(yù)設(shè)時間時，顯示控制單元就開始下達數(shù)據(jù)采集命令。首先向設(shè)定為第一號的數(shù)據(jù)采集單元下發(fā)采集命令，當(dāng)?shù)谝惶柕乃胁杉ǖ蓝疾杉戤厱r就向顯示控制單元上發(fā)采集到的數(shù)據(jù)，顯示控制單元正確接收完送來的數(shù)據(jù)后接著就向第二號數(shù)據(jù)采集單元下發(fā)采集命令，后面的就是重復(fù)上述步驟，直到所有的數(shù)據(jù)都采集完畢，顯示控制單元就開始向檢測單元下達命令，并開始進行檢測，檢測完后再將數(shù)據(jù)送到顯示控制單元。顯示控制單元就對這些數(shù)據(jù)進行分析和處

72、理，對異常蓄電池進行聲光警報，并在顯示屏上顯示報警信息，便于用戶及時發(fā)現(xiàn)故障并進行處理。</p><p>　　電池監(jiān)控系統(tǒng)針對動力電池組在使用過程中的工作狀況，融合現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)，通過計算機控制，對電池組進行軟硬件雙套實時、可靠、有效、合理的監(jiān)控與管理，從而確保電池組的安全使用。由于電動汽車蓄電池組通常是由幾十個甚至上百個單體電池組成，所以，每一個單體電池的工作狀態(tài)正常與否不僅反映電池組性能的好壞，而

73、且影響電池組的容量及剩余能量。實踐表明，在混合動力汽車運行過程中，如不及時對電池進行檢測，找出老化電池并給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個電池組的高效安全運行。</p><p>　　圖3-1所示為BMS由電池監(jiān)控系統(tǒng)、電池荷電狀態(tài)(SOC)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)3部分構(gòu)成。傳感器、電池監(jiān)控系統(tǒng)和SOC系統(tǒng)構(gòu)成底層系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)為上層系統(tǒng)，系統(tǒng)之間通過內(nèi)部CAN總線通信[6]。</p>

74、<p>　　圖3-1 CAN在監(jiān)控系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)位置</p><p>　　下面介紹動力電池工作狀態(tài)檢測方法：</p><p>　　動力電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的，檢測比較容易，而端電壓的檢測則比較麻煩。若只檢測電池組的端電壓方法很簡單，只需在電池組的兩端接上檢測電路即可，但這樣做是不行的，因為雖然可以得到總的工作電壓，但無法判斷具體單體電池的端電壓

75、，而只要有一塊電池出問題就會影響整組電池的正常工作和性能；另外，對檢測電路的精度要求很高。一個單體電池端電壓的正常工作范圍比較小，而整組電池檢測很難發(fā)現(xiàn)單體電池的緩慢變化，包括單體電池本身的老化和因單體電池一致性問題而帶來的積累效應(yīng)。整組檢測無法檢測電池及電池組實際容量，無法篩選其中已老化的電池。</p><p>　　實用的方法是檢測每一個單體電池。但對于串聯(lián)形成的電池組，要自動檢測每個單體，測電池的端電壓所遇到

76、的主要問題是測量參考點的選擇以及檢測電路與被檢測電池組的電隔離問題。電位參考點的選擇不僅影響測量精度，還對測量電路的測量范圍提出了很高的要求。而被檢測電池組與檢測電路的隔離不僅涉及到系統(tǒng)的安全還影響檢測電路的復(fù)雜度和可實現(xiàn)性。</p><p>　　根據(jù)本課題的設(shè)計要求，在此采用集中／分布式檢測法如圖3-2所示：此方法提出“局部集中”、“整體分布”的檢測思路，即將全部電池分成若干個小組，每個小組用一個檢測模塊進行“

77、集中式”檢測，整個系統(tǒng)由若干個檢測模塊通過CAN總線連接而成。簡言之，集中／分布式檢測系統(tǒng)的實質(zhì)就是檢測單元部分模塊化、本地化，數(shù)據(jù)靠總線傳輸。集中／分布式檢測有以下主要優(yōu)點：加強了組建系統(tǒng)的靈活性和擴充性；增加了系統(tǒng)的可靠性；具有較高的性價比。為了降低成本、縮小體積、簡化電路，電池檢測模塊應(yīng)由單片機完成。單片機選型的主要條件是：至少有4路10位精度以上的A／D轉(zhuǎn)換器(因為一塊電池至少需要電壓和溫度2路檢測)；內(nèi)部自帶CAN總線控制器。

78、</p><p>　　當(dāng)電池在運行過程中出現(xiàn)了異常情況時，有顯示控制單元進行及時的報警和進行性能分析，當(dāng)電池的電壓、電流、溫度和內(nèi)阻值出現(xiàn)異常時，顯示控制單元將進行實時聲光語音報警。其主要的報警內(nèi)容大致如下：電池單體電壓過高、電池單體電壓過低、電池整組電壓過高、電池整組電壓過低、電池電流過大、電池溫度過高、環(huán)境溫度過高、電池容量不足等警報故障[12]。</p><p>　　圖3-2 分布∕

79、集中檢測法</p><p>　　3.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計主要是基于CAN總線的電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，硬件方面主要用到的了各種隔離元件，顯示控制單元，數(shù)據(jù)采集處理及分析部分，對各項技術(shù)要求相對來說也比較高。既要考慮安全性同時還要考慮到可實現(xiàn)性。</p><p>　　3.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計思路</p><p><

80、b>　?。?）隔離技術(shù)：</b></p><p>　　隔離技術(shù)是電池組通信的關(guān)鍵。為了提高電池組電壓，就必須增加電池組中的電池數(shù)量。除了增加串聯(lián)電池數(shù)量之外，現(xiàn)在的許多電池包還含有并聯(lián)電池串，目的是提高整個電池包的安培小時(AH)容量。為了監(jiān)控各并聯(lián)電池串，就需要收集大量數(shù)據(jù)。與所有這些電池相關(guān)的電池監(jiān)控器數(shù)據(jù)，必須在系統(tǒng)集成商設(shè)定的系統(tǒng)環(huán)路時間要求范圍內(nèi)，可靠地回傳給電池測量系統(tǒng)(BMS)微控

81、制器。在一個模塊中各電池間都是串聯(lián)的形式存在，串聯(lián)電池串的中間有一個開關(guān)。一般情況下，無論汽車正常行駛還是停車，該開關(guān)始終閉合。車輛維修時或緊急情況下，需將該開關(guān)拉開或離開所在位置，禁止電池組端電極出現(xiàn)電池組電壓。為了不影響開關(guān)斷開所提供的隔離性能，必須確保沒有任何電子器件橋接開關(guān)端子。因此，開關(guān)斷開時，電池組的上半部分應(yīng)與下半部分應(yīng)保持電氣隔離。這意味著，電池組上半部分的電池數(shù)據(jù)必須通過其最底部的電池監(jiān)控器通信，跨過隔離柵，傳輸至管理

82、整個電池組數(shù)據(jù)流入流出的微處理器或微控制器。類似地，電池組下半部分也必須與此微處理器或微控制器隔離，因此也有與上半部分相同的隔離柵。</p><p>　　除電池監(jiān)控器外，電池組中還有一個電流監(jiān)控器，用來測量并報告電池組的電流。該監(jiān)控器一般放在電池組底部，也需要考慮隔離?；魻栃?yīng)電流傳感器本身具有電流隔離功能，無需再配置隔離電路。因此，除非電流檢測監(jiān)控器能夠接入最底部的電池監(jiān)控器，共用其隔離柵。</p>

83、<p>　　此外還有REF交換電路的隔離，因為涉及到輸入電壓過高而實際上芯片的工作電壓根本就達不到那么高的要求，這樣就可能會導(dǎo)致燒壞元件，甚至破壞電路，所以有必要利用基準(zhǔn)設(shè)定一個基準(zhǔn)電壓來進行隔離。如本設(shè)計中對參考電壓的基準(zhǔn)應(yīng)設(shè)置到外基準(zhǔn)為3.84V。而且CAN總線有電源直接供電，輸入電壓為12V,而控制器正常工作所能承受最高電壓就根本達不到那么高，如果直接使用輸入的電壓肯定也會燒壞電子設(shè)備破壞電路，所以此時也需要有隔離。

84、主要是應(yīng)用了接地隔離的原理，同一個芯片上采用多個接地端口，而只有一個接地是用來做負極輸出的功能，另外的接地端就認為是接地隔離了[6] 。</p><p><b>　?。?） 數(shù)據(jù)采樣</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集單元部分主要負責(zé)采集蓄電池運行的基本參數(shù)，包括電壓、電流和溫度。采用繼電器隔離克服了蓄電池高共模電壓的問題，采用高速高精度轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)模擬量參數(shù)向數(shù)字

85、量的轉(zhuǎn)化。</p><p>　　由于在對電池的測量時存在高共模電壓，而一般的多路模擬開關(guān)集成電路的共模電壓都較低，所以不宜采用多路模擬開關(guān)集成電路。本設(shè)計中用了AD采樣，在單片機測量和控制系統(tǒng)中，對外界數(shù)據(jù)及信號的讀取基本上都是通過AD方式來實現(xiàn)。主要是通過控制AD的引腳接法來控制測量的電壓。AD轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換速度很快，一般為幾微秒到幾十微秒，而且CPU對經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換提供的數(shù)據(jù)可直接識別。</p>

86、<p>　?。?） CAN通訊設(shè)計</p><p>　　CAN（Controller Area Network）總線又稱控制局域網(wǎng)絡(luò)，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，CAN已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。</p><p>　　CAN作為上位機與監(jiān)控設(shè)備的通信接口，通訊的好壞直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省１菊n題中主要是針對單片機PIC18

87、F4580內(nèi)自帶的CAN控制器對ADC采集的數(shù)據(jù)進行控制處理再經(jīng)總線傳輸至上位機顯示界面。</p><p>　　3.2.2 隔離部分設(shè)計</p><p>　?。?） 電池的隔離技術(shù)</p><p>　　在本課題中，對混合動力汽車中的動力電池我們選用的是磷酸鐵鋰電池，所以對它的監(jiān)控技術(shù)要做一個具體的了解。首先，用到的每塊鋰電池電壓是標(biāo)準(zhǔn)電壓3.2V，充電電壓3.65V

88、，相對來說充電要求高。在整個電池組中有100塊電池，分成10個模塊，每個模塊10塊電池。但即使這樣，100塊電池總共也有320V的電壓，而一般AD部件及晶體管器件所能承受的電壓不超過35V，所以一定要對電池采取隔離措施。在本設(shè)計中，我們用到的是一種特殊的保護開關(guān)AQW214S（光耦繼電器）。利用發(fā)光二極管導(dǎo)通就發(fā)光的的原理來工作，電路中的兩個二極管分別控制電池的兩個極如下圖所示：當(dāng)左部的發(fā)光二極管導(dǎo)通時即發(fā)光而右部的開關(guān)開始工作，即左端

89、口CE1+與右端口CE1+連接，左端口CE1-與右端口CE1-連接，右邊CE1+與CE+直接相通，CE1-與CE-直接相通，當(dāng)兩個二極管同時導(dǎo)通發(fā)光，開關(guān)感應(yīng)到光就開始工作這時就起到了隔離作用，即光電隔離。它既可以起到保護作用防止短路，又可以避免電壓過大從而燒壞器件。同時在發(fā)光二極管前接有一個限流電阻目的是起到分壓作用。如下圖所示為一個電池組模塊的10塊電池應(yīng)用AQW214S進行隔離的電路原</p><p>　　

90、圖3-3 電池隔離部分</p><p>　?。?） MCU供電隔離</p><p>　　如下圖所示：應(yīng)用元件D120909S，輸入電壓為12V，三個接地端，但采用了不同的接地方式，其中GND-CAN接地目的是對CAN總線進行隔離，因為輸入的12V電壓會破壞總線電路。0V1則是指基準(zhǔn)接地，因為12V輸入只需要較小的輸出。0V2就是芯片本身的接地。所以三個接地端口就只有引腳6的接地時芯片本身的

91、接地輸出，另外兩個接地端實際上就是起到了隔離的作用。對MCU設(shè)定了基準(zhǔn)電壓為3.84V，所以在輸入12V的電壓后經(jīng)過D120909S后就只輸出了器件能夠承受并且又能正常工作的電壓，從而不會燒壞器件。原理如下圖所示：</p><p>　　圖3-4 MCU供電隔離</p><p>　　（3） CAN總線隔離</p><p>　　由于CAN總線具有諸多其他總線無法比擬的特

92、性,所以CAN在許多場合應(yīng)用廣泛。尤其是在一些強干擾的惡劣環(huán)境下,比如工業(yè)現(xiàn)場,更是有著重要的應(yīng)用。因此在某些應(yīng)用領(lǐng)域,由于現(xiàn)場情況十分復(fù)雜,各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓。雖然CAN接口采用的是差分傳輸方式,具有一定的抗共模干擾的能力,但當(dāng)共模電壓超過CAN驅(qū)動器的極限接收電壓時,CAN驅(qū)動器就無法正常工作了,嚴重時甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。因此,在強干擾環(huán)境中,或是高的性能要求下,就必須對CAN總線各個通信節(jié)點實行電氣隔離。

93、60;   傳統(tǒng)的CAN總線隔離方法是光耦合器技術(shù),使用光束來隔離和保護檢測電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個安全接口。本課題中使用的是6N137光電隔離器件,該器件工作電壓為5V,最高速率10Mbps,工作溫度一般為0℃到70℃,隔離電壓2500Vrms,并且以DIP8型封裝,每個芯片僅提供一個隔離通道。</p><p>　　CAN驅(qū)動器我們選用的CAN總線驅(qū)動芯片MCP25

94、51,它完全兼容ISO－11898標(biāo)準(zhǔn),最高速率可達1Mbps,提供了更好電磁輻射和抗電磁干擾能力性能,為了更好的確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性,外加幾個電阻R起限流作用,防止MCP2551受過流沖擊,連接的各電容為小電容以濾除總線上的高頻干擾和防止電磁輻射,連接的各個二極管為防雷擊管,用來防止總線上的瞬變干擾[6]。 </p><p>　　圖3-5 CAN總線隔離</p><p>　　3.2.3 MC

95、U的AD電路設(shè)計</p><p>　　在硬件方面單片機起到了主導(dǎo)的作用。本設(shè)計主要用到的是PIC18F4580系列的高級單片機，它具有一切高級微控制器的一系列特性。此部分在設(shè)計中主要是進行數(shù)據(jù)采集并進行分析和及時的處理，將處理好的數(shù)據(jù)在發(fā)送到顯示控制部分。</p><p>　?。?）單片機的主要特點如下：</p><p>　?、倬哂懈咝阅?RISCCPU,所以效率高

96、。因為它有高達2MB的程序存儲器;高達4KB的數(shù)據(jù)存儲器;運行速度快:DC-40MHz時鐘輸入，DC-2OOns指令周期;16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道；</p><p>　?、谧詭D轉(zhuǎn)換器：它有四路10位11個輸入通道進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；</p><p>　　③內(nèi)置CAN控制器：且符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISOCAN，高達1MbpS的通信速率；</p><p>　?、茯?qū)動電流大：

97、寬范圍的工作電壓2.0V到5.0V;高吸入/拉出電流:25mA；</p><p>　?、莸凸?當(dāng)在5V，4MHz時典型值小于2mA；在3V，32KHz時典型值小于20uA；典型的穩(wěn)態(tài)電流值小于l uA。</p><p>　　（2）PIC18F4580的結(jié)構(gòu)原理圖如3-6所示：</p><p>　　圖3-6 PIC18F4580結(jié)構(gòu)原理圖</p>&l

98、t;p>　?。?）PIC18F4580各功能模塊介紹：</p><p>　?、買/0端口模塊：RA-RE是5組通用的1/0端口，其中多數(shù)管腳有第二甚至第三功能，這些多功能的外圍端口是PIC單片機實現(xiàn)強大的處理功能的重要基礎(chǔ)和保證。</p><p>　　②定時器TMRO，TMR1，TMR2，TMR3模塊：TMRO、TMRI、TMRZ、TMR3是四個8位或16位定時(計數(shù))器，本系統(tǒng)的設(shè)

99、計中用到的TMRO作為16位寬的定時器，用作延時用;TMRZ與脈寬調(diào)制CCPI模塊配合實現(xiàn)P枷輸出功能。</p><p>　?、跘/D轉(zhuǎn)換器(或稱ADC模塊)：PIC18F458O具有10個通道10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其作用是將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內(nèi)部處理的數(shù)字量。</p><p>　　④CAN模塊：PIC18F4580的CAN控制器模塊是本設(shè)計使用的最重要的模塊，利用C

100、AN控制器與CAN總線收發(fā)器，可以組成CAN通信網(wǎng)絡(luò)，完成點對多CAN模塊之間的高速通信[8]。 </p><p><b>　?。?）運算放大器</b></p><p>　　AD706是雙低功耗雙極型運算放大器，有放大器的低輸入偏置電流，但它的偏置電流Ib隨溫度的漂移卻非常小，而且它具有較低的輸出偏置電壓，同時獲得的輸入偏流也是非常的小。AD706具有精密雙極型輸入放

101、大器的微伏級失調(diào)電壓和低噪聲特性。由于AD706的輸入偏置電流很小，所以它不需要平衡電阻，它的噪聲電流小使得它可用于信號源內(nèi)阻高的場合。本設(shè)計中用到的AD706的電源電流是OP07的1/6，它更適合當(dāng)今的高密度線路板。而且AD706特別適于作為12位和14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低通有源濾波器。AD706在內(nèi)部已對單位增益進行了補償。</p><p>　　此部分設(shè)計還采用了二級電路跟隨器。跟隨器能夠進行阻抗變換，它的輸入

102、阻抗高(相當(dāng)于對前級電路開路)，所以能夠精確的把從輸出端口上分得電壓反饋到輸入端；輸出阻抗低（對后級電路相當(dāng)于一個恒壓源，輸出電壓不受后級電路阻抗的影響），所以比起直接從電阻反饋回去對輸入端的干擾要小很多，從而使前后級電路之間互不影響，即起到了隔離作用。同時跟隨器主要還起到了緩沖的作用，因為運放的輸出阻抗很高，而后級的輸入阻抗又很小，信號就會在前級的輸出電阻部分損耗，所以這時，跟隨器就起到了緩沖的作用。如圖3-7所示為二級電壓跟隨電路：

103、 </p><p>　　圖3-7 二級電壓跟隨電路</p><p>　?。?）基準(zhǔn)電壓的設(shè)計</p><p>　　基于PIC單片機的AD轉(zhuǎn)換電路中，輸入電壓相對于元件的工作電壓較大，所以就會用到基準(zhǔn)，給系統(tǒng)的AD采集提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)，無論輸入的電壓多大元件總能夠保證相對準(zhǔn)確的測量值。本模塊用到的是CJ431，定基準(zhǔn)電壓為3.84V。</p><p&

104、gt;　　TL431（CJ431）是指三端可調(diào)分流穩(wěn)壓器，輸出電壓可設(shè)定為任何值（約2.5V到31V），具有一個典型的0.2Ω輸出阻抗，由于它具有低輸出飄移與溫度，能確保完好的穩(wěn)定在整個溫度范圍內(nèi)。因為本文中測量電池的最高電壓有可能高于3.65V，因此，本文中涉及到的TL431電路，將2.5V的輸出電壓調(diào)整為3.84V，在設(shè)計中應(yīng)用了TL431的可調(diào)性。如下圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 基準(zhǔn)TL4

105、31電路</p><p>　　圖3-9 電壓采集模塊整體電路</p><p>　　圖3-10 整體電壓采集模塊實物</p><p>　　3.2.4 CAN通信設(shè)計</p><p>　?。?） CAN總線簡介</p><p>　　CAN總線采用了許多新技術(shù)和獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠</p&g

106、t;<p>　　性、實時性和靈活性，歸納其主要特點如下:</p><p>　　①CAN總線采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主從，通信方式比較靈活。</p><p>　　②CAN總線上節(jié)點信息以報文標(biāo)識符劃分優(yōu)先級以滿足不同的實時要求。</p><p>　　③CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。<