畢業(yè)設計--純電動賽車電池管理系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目：純電動賽車電池管理系統(tǒng)設計</p><p>　　系 別： 汽車工程系 </p><p>　　專業(yè)班級： 汽服102班 </p><p>　　二〇一四年四月三十日</p>

2、;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　中國大學生純電動汽車大賽（簡稱“FSEC”）規(guī)則要求電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）對車載動力電池進行實時監(jiān)控，保障車載動力電池的安全性，延長動力電池的使用壽命的作用。本文設計一款基于芯片C8051F340的鋰電池狀態(tài)采集模塊，采用C8051F120對信息分析整理的主控模塊，并通

3、過CAN總線進行信息傳遞的純電動賽車BMS。該BMS能實現(xiàn)對電池電壓、電流、溫度進行數(shù)據(jù)采集，電池SOC估算，充電管理，絕緣監(jiān)測，并對采集信息進行分析管理，制定控制策略避免電池運行中過放、過充、過熱等功能。本設計滿足中國大學生純電動汽車大賽要求，在賽車上實車運用，為制造新一代賽車提供數(shù)據(jù)與試驗價值。</p><p>　　關鍵字：FSEC；電池管理系統(tǒng)；采集模塊；主控模塊；CAN</p><p&

4、gt;<b>　　Abstract</b></p><p>　　Formula Student Electric China (referred to as "FSEC") is evolved in the Formula Student China (referred to as "FSC") basis. Chinese college stud

5、ents Contest rules require pure electric vehicle battery management system (Battery Management System, BMS) on-board real-time monitoring of battery safety, protection of battery safety, enhance the role of battery life.

6、 This paper designs a pure electric car lithium BMS C8051F340 chip-based acquisition module status, information analysis using C8051F12</p><p>　　Key Words: FSEC；battery management system；acquisition module；m

7、aster control module；CAN</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　背景和意義</b></p><p>　　1.1.1 電動汽車的發(fā)展背景 </p><p>　　近幾年來，隨著我國的汽車行業(yè)發(fā)展速度的迅猛，我國已經(jīng)發(fā)展成為了世界的第三大汽車

8、消費國和世界的第四大汽車生產(chǎn)國[1]。隨著國際能源危機的加劇，環(huán)境保護意識的增加，電動汽車替代傳統(tǒng)的燃油車已成為現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢[2]。由于我國石油短缺，大部分靠進口的現(xiàn)狀，使得電動汽車替代傳統(tǒng)的燃油車的趨勢尤為突出[3]。國內電動汽車的研究開發(fā)技術與國外的差距還不大，最近幾年，德、美、日、英等國，政府都動用了行政手段，制定和出臺了各自符合本國國情的電動汽車的促進政策。相繼美國、日本、德國、巴西、英國、法國，中國也出臺符合本國國情的

9、系能源扶持政策[4]。</p><p>　　圖1-1 電動汽車結構圖</p><p>　　1.1.2 大學生方程式汽車大賽</p><p>　　1979年，大學生方程式汽車大賽由美國汽車工程師協(xié)會(SAE)首次創(chuàng)辦，然而中國跟進國際腳步和根據(jù)本國國情，2010，在上海舉辦的第一屆中國大學生方程式（簡稱“中國FSC”），至2013已連續(xù)舉辦了四屆大學生方程式汽車大

10、賽。第一屆到第三屆年在上海國際賽車場成功舉辦，2013年的第四屆賽事第一次在湖北襄陽市成功舉辦。中國FSC目的在于培養(yǎng)國內的優(yōu)秀汽車人才，提供競賽平臺，提升參賽隊員的各方面綜合素質，為中國的汽車產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展積蓄人才[5]。 </p><p>　　圖1-2 2013年中國大學生方程式汽車大賽現(xiàn)場圖</p><p><b>　　純電動賽車</b></p>

11、<p>　　大學生純電動汽車大賽是基于大學生方程式汽車大賽上發(fā)展而來的，而中國純電動賽車比賽是基于中國前三屆大學生方程式汽車大賽比賽經(jīng)驗和成功舉辦而提出的同類型方程式汽車比賽，旨在促進能源節(jié)約和環(huán)境保護，促進中國新能源汽車的快速發(fā)展。</p><p>　　純電動賽車比賽項目包含靜態(tài)項目和動態(tài)項目兩類[6]。各項目分數(shù)值分配如表1： </p><p>　　表1--1 大學生純電動

12、汽車大賽項目分值分配表</p><p>　　廣西科技大學鹿山學院LS Racing車隊作為國內首支獨立學院大學生車隊，而“鹿山E1號”賽車作為廣西首輛純電動方程式比賽賽車，在襄陽市的2013第一屆中國大學生純電動汽車比賽上，廣西科技大學鹿山學院的LS Racing車隊設計與制造的“鹿山E1號”，在國內和國外大學中脫穎而出，并獲得國內第二名的好成績。</p><p>　　圖1-3 FSEC

13、純電動賽車模型圖</p><p><b>　　研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)研究意義</p><p>　　由于電池的特性，在使用過程中需要對其進行實時監(jiān)控管理，其管理系統(tǒng)的研究伴隨而來。電池管理系統(tǒng)（BMS）是通過實時對電池工作有運行信息的采集，信息分析管理后對電池組的SOC估算，對電池過放、過充、過熱等保護[7]。電池管理

14、系統(tǒng)對于電池組的安全使用，制動控制策略起到保障電池組的安全性能，并能延長電池組的使用壽命，已經(jīng)成為電動汽車的關鍵組成部分之一。在電動汽車的迅速發(fā)展上，設計開發(fā)BMS來管理電池，以延長電池的循環(huán)使用壽命，實時監(jiān)控電池的安全運行情況是研究的主要方向。參加中國大學生純電動汽車大賽，其規(guī)則中要求當電池在充電和放電均需BMS對電池進行實時監(jiān)控，所以我們的BMS按照大賽規(guī)則要求來設計。</p><p>　　中國大學生純電動汽

15、車大賽規(guī)則中要求：</p><p>　　1、驅動系統(tǒng)工作或動力電池充電時，電池管理系統(tǒng)需對動力電池進行實時監(jiān)控。電池管理系統(tǒng)持續(xù)測量每塊電池電壓，從而保證電壓處于動力電池的參數(shù)表中合理數(shù)值。如果電池組是并聯(lián)電路，則只需要測量一個電池單體的電壓既可；</p><p>　　2、電池管理系統(tǒng)持續(xù)測量動力電池的臨界溫度值； <

16、/p><p>　　3、電池管理系統(tǒng)需要對電池組30%以上的單體電池進行溫度監(jiān)測，被監(jiān)控的電池需均勻的分布在電池箱內；</p><p>　　4、電池管理系統(tǒng)檢測電池達到臨界溫度值，驅動系統(tǒng)必須立即斷開 [6]。</p><p>　　綜合以上要求，考慮到車載電池箱的布局和結合比賽賽事規(guī)則要求，每個電池堆電壓不能超過 120V DC，同時需要對不少于30%的電池單體（均布于電

17、池箱內）進行溫度監(jiān)測。</p><p>　　國內外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外隨著政府扶持和電動汽車研究的升溫，各大產(chǎn)商對電池作了大量的實驗和數(shù)學模型，成功開發(fā)許多BMS在實車運用。有許多外國優(yōu)秀管理系統(tǒng)設計：德國研究者設計的BADICHEQ 系統(tǒng)和 BATTMAN 系統(tǒng)；美國研究者設計的BATOPT管理系統(tǒng)、Smart Guard 系統(tǒng)（如圖1-4）和通用汽車公司EV1

18、電池管理系統(tǒng)（如圖1-5） [8]。這些國家在電動汽車研究上起步較早，給后期研究有非常大借鑒。國外芯片公司已經(jīng)相繼推出了一系列的電池控制芯片，在實現(xiàn)智能化管理的要求下，逐步走上智能化電池管理道路。</p><p>　　圖1-4 Smart Guard管理系統(tǒng)實物圖</p><p>　　圖1-5 EV1電池管理系統(tǒng)實物圖</p><p>　　國內對電池的管理系統(tǒng)研

19、究還是剛起步時期，現(xiàn)在暫時主要還是借助各大高校的科技力量與電池產(chǎn)商和汽車生產(chǎn)商共同研究開發(fā)，取得了許多的成果和突破。北京交通大學研發(fā)的電池管理系統(tǒng)結構如圖1-6，于2002年12月通過科技部驗收，能夠實現(xiàn)對電池的運行狀態(tài)監(jiān)控、SOC估計和均衡充電等功能；2008 年奧運會運用的純電動公交車上使用的電池管理系統(tǒng)[9]，結構圖如1-7，就是由北京理工大學、北京交通大學、中信國安盟固利和北京京華客車廠等單位校企聯(lián)合成功研制，為舉辦“綠色奧運，

20、科技奧運”做出了巨大貢獻[10]。另外，還有我國的電池管理系統(tǒng)供應商設計生產(chǎn)的產(chǎn)品，如安徽力高新能源技術公司、深圳市科列技術有限公司、惠州市億能電子有限公司、哈爾濱冠拓電源公司等生產(chǎn)的電池管理系統(tǒng)已在電動汽車上實際應用[11]。</p><p>　　圖1-6 北京交通大學的電池管理系統(tǒng)結構圖</p><p>　　圖1-7 奧運會純電動公交電池管理系統(tǒng)結構圖</p><

21、;p><b>　　課題來源與研究內容</b></p><p><b>　　課題來源</b></p><p>　　廣西科技大學鹿山學院的LS Racing車隊至組委會舉辦方程式汽車大賽4年來已經(jīng)連續(xù)參加了四屆中國大學生方程式汽車大賽。車隊在積極響應大賽組委會號召，積極備戰(zhàn)純電動賽車比賽，按照純電動賽車規(guī)則自行設計制作了廣西第一輛純電動賽車，在

22、首屆純電動賽車比賽中“鹿山E1號”奪取國內第二的好成績。</p><p>　　本文是根據(jù)2014年中國大學生純電動方程式汽車大賽規(guī)則要求，研究與設計一款電池管理系統(tǒng)對純電動賽車車載電池進行實時監(jiān)控。用于2014年“鹿山E2號”純電動賽車，對電池的電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)實時采集，從而對電池荷電狀態(tài) SOC值的估算，充放電控制，熱管理，過流、過壓、過熱保護，通信協(xié)議，絕緣電阻檢測等要求。</p><

23、;p><b>　　研究內容</b></p><p>　　(1)分析鋰電池的工作原理，研究了鋰電池充放電特性及其安全性能方面的影響因素，為“鹿山E2號”純電動賽車車載電池的選用提供參考價值；</p><p>　　(2)在電池SOC估算方面的研究，分析目前常用的SOC估算方法的優(yōu)缺點，并結合“鹿山E2號”純電動賽車的實際運用情況，提出綜合方案，精確估算電池SOC；&

24、lt;/p><p>　　(3)采用C8051F340芯片為采集模塊處理器，采集電池的電壓、溫度，進行過壓、欠壓、過溫保護，按規(guī)則要求控制每個電池箱內的2個絕緣繼電器。設計采用C8051F120作為主控模塊處理器，采集電池組的總電流，進行過流保護；</p><p>　　(4)研究電池組絕緣檢測的方案，當絕緣電阻低于250Ω/V時，需斷開驅動系統(tǒng)并有指示燈提醒；</p><p&

25、gt;　　(5)本設計使用CAN現(xiàn)場總線進行信息傳遞，并設計兩路CAN（充電CAN，整車CAN）；</p><p>　　(6)電池管理系統(tǒng)硬件的設計，實現(xiàn)對“鹿山E2號”純電動賽車中車載電池監(jiān)控和管理，應同時滿足對400節(jié)以內的單體電池的監(jiān)控和管理；</p><p>　　(7)按照電池管理系統(tǒng)軟件流程圖對程序編寫，由程序完成對電池的保護控制。</p><p><

26、;b>　　鋰電池及其管理系統(tǒng)</b></p><p><b>　　鋰電池工作原理</b></p><p>　　電動汽車上的動力儲能裝置是安裝在電動汽車上的并能夠對電能儲存的一種裝置[12]。鋰離子電池具有如下優(yōu)點：高比能量，高比功率，體積小，自放電率低，環(huán)保等 [13]。本設計的純電動賽車上的電池系統(tǒng)對車載動力電池有以下要求： </p>

27、<p>　　(1)有較強充放電能力。評定電池充放電能力的兩個重要指標是比能量和比功率，這兩個指標直接影響著電池的充放電能力。而電動賽車由于在賽道上的不定時加減速（經(jīng)常會過載）以及快速充電能力往往要求較高的充放電能力。 </p><p>　　(2)充放電效率。純電動賽車中的動力電池高充放電效率是保證整個比賽的所有項目正常完成的一個重要指標。 </p><p>　　(3)使用壽命。

28、由于鋰電池物理化學反應復雜，所以要求電池的充放電循環(huán)至少要達到1500次。 </p><p>　　(4)容量。由于電動賽車多數(shù)比賽項目都是在賽道上動態(tài)運行，需經(jīng)過各種工況下的計算確定電池的容量。 </p><p>　　(5)穩(wěn)定性。純電動賽車中的車載電池要在各種工況條件下運行，需能夠保持電池性能的穩(wěn)定，保證整車的安全性。</p><p>　　進過以上分析，我們的“鹿

29、山E2號”純電動賽車車載動力電使用磷酸鐵鋰電池。以磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池是最適合使用在電動汽車上的，磷酸鐵鋰電池具有安全性好、循環(huán)使用壽命長、環(huán)保、溫度特性好等優(yōu)點[14]。</p><p>　　圖2-1 LiFePO4晶體結構圖</p><p>　　圖2-2 LiFePO4電池內部結構圖</p><p>　　LiFePO4電池正極充放電過程的化學反應方程

30、式如下所示[15]：</p><p>　　充電 LiFePO4 - x Li+ - x e- → x FePO4 + (1-x ) LiFePO4 （1-1）</p><p>　　放電 FePO4 + x Li+ + x e- → xLiFePO4 + (1-x ) FePO4 （1-2）&l

31、t;/p><p><b>　　鋰電池特性</b></p><p>　　純電動方程式賽車電池組的選擇需要滿足電機額定功率、賽車行駛所需的電量要足以完成比賽全部項目以及賽車動力性。選擇了山東的一所新能源科技公司的質量輕、體積小、放電電流大的F1263155225P（參數(shù)見表2 ）電池作為純電動方程式賽車的動力電池。圖2-4至圖2-7介紹電池的特性。</p>&l

32、t;p>　　圖2-3 磷酸鐵鋰電池外形圖</p><p><b>　　表2 電池參數(shù)</b></p><p>　　圖2-4 充電特性圖 圖2-5 倍率放電特性圖</p><p>　　圖2-6 循環(huán)使用壽命特性圖 圖2-7 溫度放電特性圖</p>

33、<p>　　根據(jù)中國方程式汽車大賽規(guī)則和比賽現(xiàn)場情況可知，賽車參與的動態(tài)項目分別為：八字繞環(huán)、直線加速、耐久賽以及制動測試、動態(tài)測試，總的行駛里程累計大約為 25km。但為保證賽車能順利完成所有的比賽項目以及考慮電池壽命、整車重量。綜合考慮，我們選擇使用 196個單體電池，以98串2并連接方式，組成3個電池模塊分別布置在3個電池箱內，其電池組的總容量為24Ah，總額定電壓為313.6V。</p><p>

34、;<b>　　電池管理系統(tǒng)結構</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）由三個模塊組成，有主控模塊(Battery Management Unit，BMU)、采集模塊(Battery Sample Unit，BSU)、顯示模塊(Battery Display Unit，BDU)組成。電池管理系統(tǒng)是通過CAN現(xiàn)場總線進行信息傳遞，

35、實現(xiàn)均衡管理、對電池充放電管理、溫度管理、安全管理和電池保護等功能[16]。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)的電池信息采集模塊對單體電池的電壓測量，溫度監(jiān)測，熱管理和 CAN 現(xiàn)場總線通信等功能。電池管理系統(tǒng)的主控模塊實現(xiàn)的是主要對電池組的總電流采集，SOC值估算，絕緣電阻檢測和 CAN 現(xiàn)場總線通信等功能。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)目前有兩種結構，即集中式電池管理系統(tǒng)和分布式電

36、池管理系統(tǒng) [17]，結構如圖2-8，圖2-9所示。 </p><p>　　集中式的電池管理系統(tǒng)是控制模塊中將所有的單體電池的采集線都接入其中，形成一個總管理控制單元，實現(xiàn)了對電池組的采集、分析、管理和控制功能集中在一個模塊中。</p><p>　　圖2-8 集中式管理系統(tǒng)結構圖</p><p>　　分布式電池管理系統(tǒng)是將電池組進行分組，每組的電池由一個采集模塊來

37、進行對電池信息的采集和處理，充放電管理、絕緣監(jiān)測管理、熱管理、SOC/SOH的估算、安全管理等功能由一個主控模塊實現(xiàn)。采集模塊之間是通過內部 CAN總線進行數(shù)據(jù)信息傳遞，采集模塊與主控模塊是通過外部 CAN總線進行數(shù)據(jù)信息傳遞。</p><p>　　圖2-9 分布式電池管理系統(tǒng)結構圖</p><p>　　電池管理系統(tǒng)工作原理</p><p>　　集中式電池管理系統(tǒng)

38、由于不能監(jiān)測每個單體電壓和溫度，不易布線，精度要求高，不適合電池組分箱布置。純電動賽車必須按照中國大學生純電動汽車大賽規(guī)則對電池組每個單體電池和30%以上電池溫度進行監(jiān)測，并且考慮我們的賽車的總布置，電池組需布置在3個電池箱內，便于管理系統(tǒng)布線，采集精度高。綜合考慮，如圖2-10。</p><p>　　本文設計一款純電動賽車BMS基于芯片C8051F340的鋰電池狀態(tài)采集模塊，采用C8051F120對信息分析整理

39、的主控模塊，并通過CAN總線進行信息傳遞。</p><p>　　圖2-10 分布式電池管理系統(tǒng)示意圖</p><p>　　2.4.1 C8051FX系列芯片介紹</p><p>　　(一) C8051F340芯片的主要特性[18]：</p><p>　　1. 片內有全速、非侵入式的系統(tǒng)調試接口；</p><p>　

40、　2. 電源穩(wěn)壓器； </p><p>　　3. 帶模擬多路器，有10 位 ADC； </p><p>　　4. 片內自帶溫度傳感和電壓基準器；</p><p>　　5. 片內兩個電壓比較器； </p><p>　　6. 12MHz 內部振蕩器和 4倍時鐘乘法器；</p><p>　　7. 多達 64KB的片內 FLA

41、SH 存儲器； </p><p>　　8. 多達 4352 字節(jié)片的RAM； </p><p>　　9. 硬件實現(xiàn)的SM Bus/ I2C、增強型UART和SPI串行接口； </p><p>　　10. 4個通用的16 位定時器； </p><p>　　11. 片內VDD監(jiān)視器、上電復位和時鐘丟失檢測器；</p><p&g

42、t;　　12. 多達 40個端口 I/O（容許 5V輸入）。</p><p>　　(二) C8051F120芯片主要特性[19]：</p><p>　　1. 與8051單片機兼容的CIP-51 內核；</p><p>　　2. 片內有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口；</p><p>　　3. 12位ADC，PGA和8通道模擬多路復用器；&l

43、t;/p><p>　　4. 有兩個12 位 DAC； </p><p>　　5. 2 周期16 x 16 乘法和累加引擎；</p><p>　　6. 128KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器；</p><p>　　7. 8448字節(jié)的片內RAM；</p><p>　　8. 有可尋址64KB 地址空間的外部數(shù)

44、據(jù)存儲器接口；</p><p>　　9. 5個通用的16位定時器；</p><p>　　10. 片內溫度傳感器和看門狗定時器。</p><p>　　2.4.3 設計方案</p><p>　　本設計電池管理系統(tǒng)可監(jiān)控電池組的運行狀態(tài):電池的電流值、電壓值和溫度值，并從采集到的信息來進行估算電池組的SOC值，對電池的過充、過放、過熱、絕緣等

45、故障采取相應保護措施，保證電池在運用過程中安全可靠，以延長電池的循環(huán)使用壽命。</p><p>　　分布式的電池管理系統(tǒng)要由主控模塊、采集模塊和顯示模塊三部分組成。電池管理系統(tǒng)的采集模塊主要采集單體電池的電壓、溫度，并控制熱管理模塊，過溫啟動風扇讓電池箱內的電池散熱；主控模塊主要負責接收來自采集模塊的數(shù)據(jù)并對其統(tǒng)一管理, 制定控制策略對電池過放電、過充電、過熱、絕緣故障保護，并對電池的數(shù)據(jù)進行管理控制，估算電池的

46、荷電狀態(tài)(SOC)，控制BMS報警裝置，所有數(shù)據(jù)都通過CAN總線進行傳遞，采集到的信息在可顯示屏中顯示，便于駕駛員觀看，便于檢查維護。</p><p>　　“鹿山電動2號”純電動賽車使用的動力電池組由98串組成，而且課題要求需監(jiān)控400串單體電池。如圖2-11所示，每個采集模塊最多可監(jiān)測36個單體電池，采集電池數(shù)量較多，可減少采集模塊的數(shù)量，較容易布線。如要監(jiān)控“鹿山電動2號”純電動賽車的98串車載電池，只需3個

47、采集模塊；如要監(jiān)控400串電池，也只需12個采集模塊便可。</p><p>　　圖2-11 電池管理系統(tǒng)結構圖</p><p>　　2.4.4 控制策略</p><p>　　對于電池管理系統(tǒng)：每箱電池正負極都有一個繼電器，全部串聯(lián)在電路里使用，過充過放保護切斷時同時動作切斷；箱體上對應繼電器有手動指示燈開關，可以強制斷開繼電器。B箱和C箱的管理系統(tǒng)中采集模塊用芯

48、片I/O口控制箱內的繼電器；A箱的一個繼電器也由模塊芯片I/O口控制，另外一個繼電器由主控模塊控制，閉合時比其它繼電器要延時閉合，需要閉合主繼電器時要先閉合和它并在一起的預充繼電器，預充電完成后再閉合該繼電器，預充電完成后會自動斷開該繼電器，系統(tǒng)每次上電都需要先預充電。</p><p>　　對于整車：有顯示屏顯示采集數(shù)據(jù)，如有故障則報警或切斷相應繼電器。有故障時顯示屏報警。當達到一級故障時，BMS通過CAN總線向

49、整車發(fā)送一級故障信息，整車接到一級故障報警后要減功率運行或者按照協(xié)議內容做其它處理；當達到二級故障值后，BMS控制放電繼電器延時3秒斷開或者按照協(xié)議內容做其它處理。</p><p>　　對于充電機：BMS與充電機通信，當達到一級故障時，BMS通過CAN總線向充電機發(fā)送一級故障信息，充電機接到一級故障報警后要減小充電電流；當達到二級故障值后，BMS控制繼電器延時3秒斷開。</p><p>　

50、　電池管理系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　3.1 電池信息采集模塊</p><p><b>　　電壓采集</b></p><p>　　電池電壓的采集數(shù)據(jù)的采集精度，對SOC的精度非常重要。采用C8051F340芯片作為信息采集處理器，其芯片有10位ADC，片內有64KB FLASH 存儲器，轉換速率可以達到200ksps。本設計方案使用開關

51、矩陣方法，一個C8051F340芯片最多可采集36串單體電池（若并聯(lián)電池組只需監(jiān)測1個單體電池即可），當采集單體電池超過36個單體電池電壓采樣時，可以串聯(lián)多個采集模塊使用，而C8051F340芯片相互獨立工作。“鹿山電動2號”純電動賽車使用的動力電池組由98串2并組成，電池組分別布置在三個電池箱內（A箱36串2并，B箱36串2并，C箱26串2并），電池組這樣的布置方案，3個電池箱只需分別布置1個采集模塊（即1個采集芯片C8051F340

52、）。即使課題任務需要采集400串電池，也只需12個采集模塊。本文設計的方案中使用開關矩陣的方法來測量電路的電壓，由于需要采集單體電池的數(shù)目較多，可減少設計成本，測量的精度增高，但是需要結合繼電器的方法。利用開關矩陣方法把每塊電池的正負兩極的數(shù)據(jù)采集線引出，即可測量每塊電池的電壓值。</p><p>　　該設計方案結構如圖3-1所示，當S1、S2、S11、S12開關均閉合時，而其它開關均斷開時，即可將電池B1的兩端

53、電位分別接入C8051F340芯片中，片內自有10位的ADC，可直接測出電池端電壓。采集芯片C8051F340有48個引腳，40個I/O口，20個可正負電壓輸入口，內部有兩個可編程電壓比較；當S2、S3、S11、S12開關均閉合時，而其它開關均斷開時，可測電池B2的端電壓。按此方法類推可測出其他9個單體電池的端電壓。</p><p>　　圖3-1 開關矩陣結構圖</p><p>　　利用

54、開關矩陣的方法測電池電壓，還需結合繼電器控制開關。選用松下AQW214EH光耦繼電器，該器件采用緊湊的（寬）6.4mm×（長）9.86mm×（高）3.2mm尺寸，它具有高靈敏度，高速度響應導通電阻極小，速度快的優(yōu)點。AQW214EH光耦繼電器是由低電平模擬信號控制，由兩個光電隔離開關集成在芯片內，通過芯片的I/O電平控制開和關，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 AQW214EH

55、光耦繼電器</p><p>　　如果監(jiān)測的電池組有m個電池時，則需要m+1個控制開關，每個控制開關需要用芯片中的1個I/O口來控制，則整個電路需要使用m+1個I/O口。本設計要求監(jiān)控的電池數(shù)目比較多，顯然C8051F340芯片的I/O口不夠用，所以需要使用更少的I/O口來實現(xiàn)這一要求，現(xiàn)以“鹿山電動2號”純電動賽車98串2并電池組為例說明，電池組分別布置在三個電池箱內（A箱36串2并，B箱36串2并，C箱26串2

56、并），電池組這樣的布置方案，3個電池箱只需分別布置1個采集模塊，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 電壓采集電路圖</p><p>　　測量36串單體電池時需要37個I/O口，C8051F340芯片只有40個，并且只有20個電壓正負輸入I/O口，則芯片的I/O明顯不夠用。為提高精度，使用開關矩陣方法并且I/O口復用時，只需要占用19個I/O口。將36串電池分成4組，設計出I/

57、O口復用的開關矩陣，如圖3-4所示，第一組為1—9號電池，第二組為9—18號電池，第三組為19—27號電池，第四組為28—36號電池。給每個電池兩端都設置一個開關（第一組S1—S10，第二組S11—S20， 第三組S21—S30，第四組S31—S40），控制對每塊電池的測量選擇是否閉合相對應的開關，四組的每一組電池組都需要設置一個總控制開關（第一組S41—S42，第二組S43—S44，第三組S45—S46，第四組S47—S48），哪一組

58、總開關閉合來來選哪一組電池測量。I/O口復用的開關矩陣方法，從37個I/O口可減少至18個，大大減少了I/O口的使用量。如當測量B1號電池時，I/O1和I/O2為低電平，同時閉合S1、S2、S41、S42，其他開關均斷開，則B1號電池端電壓進入電壓測量總線V+、V-，便可測出該電池的端電壓，S41、S42繼續(xù)閉合，按</p><p>　　按照上面的方法，每一組有n塊電池串聯(lián)，總共有m組，就需要n +1+

59、 2m個芯片的I/O口 。節(jié)約芯片I/O口的使用，單個芯片采集到的電池更多。</p><p><b>　　電流采集</b></p><p>　　電流采集時只需要對多個鋰電池串聯(lián)的總電流進行采樣即可，電流采樣準確與否對于SOC評估有著非常重要的影響，電流采集值需要較高的采樣精度。</p><p>　　電池組的總電流使用的是閉環(huán)

60、霍爾電流傳感器（如圖3-4所示）采集 [21]。用霍爾元器件測量信號，可以直接反映當前被測導線通過的電流大小 [22]?！奥股紼2號”純電動賽車的車載動力電池最大放電電流可達240A，選用型號為LHB-300A的閉環(huán)霍爾電流傳感器。</p><p>　　霍爾電流傳感器通過電磁感應得到的電壓信號較小,通常只有幾個mV左右,而芯片的A/D轉換器對于輸入端的要求是0-5V。LHB-300A閉環(huán)霍爾電流傳感器將放大電路集

61、成在傳感器內部,就能夠直接與芯片的A/D采樣端口相匹配?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲭妷簽?#177;5V，所采用差分方式采集，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-5 傳感器接線示意圖</p><p>　　圖3-6 電流采集電路圖</p><p>　　若測量出的電流為正時，說明電池組處于放電狀態(tài)；若測量出的電流為負時，說明電池組處于充電狀態(tài)。</p>&

62、lt;p><b>　　溫度采集</b></p><p>　　溫度對電池容量有著重要的影響，必須合理控制電池箱內電池的溫度，防止電池因為溫度的問題而影響整車的性能。中國大學生純電動汽車大賽規(guī)則要求，比賽車若使用鋰電池，則電池管理系統(tǒng)要監(jiān)測至少30%的電池溫度，并且被監(jiān)測的電池要在電池箱內均勻分布。如果一個溫度傳感器與多個單體電池直接接觸，就可用該溫度傳感器監(jiān)測多個電池。本設計對“鹿山E2

63、號”純電動賽車每個電池箱內36串2并電池組的溫度進行測量，選用的是體積較小的數(shù)字化DS1820溫度傳感器。DS1820測量精度為±0.5°C，溫度測量的范圍為－55℃～＋125℃。DS1820內部自有集成的A/D轉換，無需外圍增加A/D轉換模塊。</p><p>　　在對“鹿山電動2號”純電動賽車電池溫度采樣時，以A箱36串2并電池組為例，均勻地選擇電池組中的12節(jié)，接線如圖3-7所示，在這1

64、2節(jié)電池中每一節(jié)表面貼裝1個DS1820溫度傳感器，以此監(jiān)測得超過30%的電池溫度。</p><p>　　圖3-7 溫度采集電路圖</p><p>　　3.2 充放電模塊</p><p>　　3.2.1 預充電回路</p><p>　　系統(tǒng)中必須安裝一個預充電電路，該電路要能在第二個絕緣繼電器閉合之前為中間回路預充電至電壓達到當前電池電

65、壓的 90%以上。BMS 對動力電池進行信號采集，當檢測表明動力蓄電池溫度等參數(shù)處于正常時，BMS 控制絕緣繼電器閉合，預充電回路給高壓負載進行預充電，驅動系統(tǒng)電路電壓達到當前動力電池電壓的 90%以上從而防止動力蓄電池接通瞬間產(chǎn)生浪涌電壓，預充電動作是每次高壓上電都必須進行的。 </p><p>　　在A#電池箱中布置預充電繼電器，閉合時比其它繼電器要延時閉合，需要閉合主繼電器時要先閉合和它并在一起的預充繼電器

66、，預充電結束后再閉合該繼電器，使回路中電壓值達到動力電池組的 90%以上時，預充電結束后該繼電器自動斷開。電池系統(tǒng)每次上電都需要先預充，我們選用型號 TYCO 預充電繼電器EV100，預充電電路如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 預充電電路圖</p><p>　　3.2.2 放電回路</p><p>　　賽車在行駛過程發(fā)生緊急狀況時，車手通過按下主艙

67、的急停開關，可切斷安全回路，由于負載兩端仍有高壓，此時放電回路會通過電阻和繼電器，使驅動系統(tǒng)電壓達到5秒內電壓降到 40VDC 以下。放電回路其要能承受最大放電電流至少15s，放電回路如圖3-9所示。5秒內有放電的高壓總線從312V至40V，這是87.2％。</p><p>　　圖3-9 放電回路</p><p>　　3.2.3 充電控制</p><p>　　根

68、據(jù)中國大學生純電動賽車比賽要求和為減少比賽賽車整車質量，方便、快速充電等要求，我們選用直流非車載充電機[23]。使用CAN總線與 BMS 進行通信的功能，從而獲得電池狀態(tài)參數(shù)。在電池充電過程中，可根據(jù)BMS 實時采集到的電池信息，通過管理單元動態(tài)調整充電電流。</p><p>　　充電機是通過外掛CAN 通信模塊來連接 CAN 總線，通過CAN總線發(fā)送命令給充電機進行充電控制。BMS

69、 依據(jù)電池當前狀態(tài)，利用合理算法，將計算結果通過 CAN 傳送給充電機，實現(xiàn)充電過程實時控制，提高充電過程的安全性和高效性，并延長了電池的循環(huán)使用壽命[24] ，如圖3-10所示。充電機連接后自動按以下策略充電，帶 CAN 的充電機充電的過程分為 3個階段： </p><p><b>　　1）預充電 </b></p><p>　　在預充電階段，電池管理系統(tǒng)控制充電

70、機以較小的電流值進行充電。當單體電池的最低電壓高于預先設置的報警值時，即轉入到恒流充電階段；如果低于預先設置的報警值時，則繼續(xù)以該電流值進行充電，直到單體最低電壓高于預先設置報警值時，即轉入到恒流充電階段，否則停止對電池的充電。 </p><p><b>　　2）恒流充電 </b></p><p>　　在恒流充電階段，電池管理系統(tǒng)控制充電器進行充電時的電流值設定

71、充電，充電電壓達到預定值，即轉入到恒壓充電階段。</p><p><b>　　3）恒壓充電 </b></p><p>　　在恒壓充電階段，電池管理系統(tǒng)控制充電機減小輸出電流直至單體最高電壓低于</p><p>　　預先設置的過壓報警值時停止對電池充電，電池管理系統(tǒng)控制充電機以調整后的電流繼續(xù)恒流充電。當恒壓充電階段里電壓不再上升，并且當充電電

72、流值減小到設置值后，結束對電池充電。</p><p>　　圖3-10 充電工作示意圖</p><p><b>　　CAN模塊</b></p><p>　　3.3.1 CAN總線簡介</p><p>　　CAN（Controller Area Network）是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在國際上應用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一

73、[25]。在汽車產(chǎn)業(yè)中電子控制系統(tǒng)被開發(fā)，線束的數(shù)量也隨之增加，為減少線束的數(shù)量廣泛的使用CAN總線。CAN 具有以下幾種屬性： </p><p>　　1. 報文的優(yōu)先權；</p><p>　　2. 保證延遲時間；</p><p>　　3. 設置的靈活性；</p><p>　　4. 時間同步的多點接收； </p><p&g

74、t;　　5. 系統(tǒng)寬數(shù)據(jù)的連貫性；</p><p><b>　　6. 多主機； </b></p><p>　　7. 錯誤檢測和標定 [24]。</p><p>　　從成本，可靠性等方面綜合考慮，選用CAN 現(xiàn)場總線對信息的傳遞 [27]。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)將采集到的電池信息和故障信息實時地通過CAN總線

75、傳輸，然后在顯示屏上顯示電池信息。電池管理系統(tǒng)的采集模塊之間內部CAN進行通信，主控模塊與采集模塊，主控模塊與整車控制器之間外部CAN進行通信。</p><p>　　3.3.2 CAN模塊設計</p><p>　　采用CAN現(xiàn)場總線的一個重要目的是為了減少線束數(shù)目，以提高整個系統(tǒng)的可靠性，可維護性?！奥股诫妱?號”純電動賽車CAN總線連接示意圖如圖3-11所示。電池管理系統(tǒng)將采集到的電池

76、信息和故障信息實時地通過CAN總線進行信息傳輸，然后在電池管理系統(tǒng)液晶顯示屏上顯示；電池管理系統(tǒng)依據(jù)電池當前狀態(tài)，利用合理算法，將計算結果通過 CAN 傳送給充電機，實現(xiàn)充電過程控制；整車控制器通過CAN對整個系統(tǒng)信息進行整理分析，制定相應整車控制策略；PC機可通CAN實時查閱與維護故障。</p><p>　　圖3-11 CAN總線連接示意圖</p><p>　　本文設計選用的CAN控制

77、器為MCP2515：</p><p>　　作為獨立CAN控制器的MCP2515芯片，支持CAN總線技術要求規(guī)范，其通訊速率達到1Mb/s。MCP2515控制器與采集模塊芯片、主控模塊芯片的通信是通過串行接口SPI（Serial Peripheral Interface）來傳遞的。CAN協(xié)議引擎是MCP2515的核心，能夠在CAN上進行發(fā)送和接收報文。當發(fā)送報文時，將報文加載到相應的信息控制寄存器和緩沖器中。通過串

78、行接口設置控制寄存器位對應于開始發(fā)送命令，檢查通訊狀態(tài)由相應的控制寄存器讀取。</p><p>　　本文設計的CAN通信模塊CAN收發(fā)器采用ISO1050芯片。ISO1050提供差動發(fā)送和差動接收能力。由于ISO1050內部已自帶有電氣隔離器，在電路中控制器MCP2515與收發(fā)器ISO1050之前連接無需再設計電氣隔離電路。MCP2515的可以直接與ISO1050相連。在實際電路中，CANH與CANL兩端并聯(lián)1個

79、120Ω的電阻，可以起到抑制反射回波的作用，如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 CAN模塊電路圖</p><p><b>　　絕緣監(jiān)測模塊</b></p><p>　　在“鹿山E2號”純電動賽車中，動力電池組額定電壓為312V。在如此高的電壓下運行，對于車載的高電壓系統(tǒng)與電動賽車底盤之間的絕緣性能必須要提出較高的絕緣要求。中國

80、大學生純電動汽車大賽規(guī)則中要求絕緣電阻必須至少為500 Ω/V，低于250 Ω/V時需在30s內切斷驅動系統(tǒng)[6]。因此，實時檢測電池組相對電動汽車底盤的絕緣性具有重要的意義。</p><p>　　如圖3-13所示，絕緣檢測電路主要有開關S1、S2（開關選用光繼電器AQW214EH），和已知電阻數(shù)值的電阻R1、R2組成。和為待求的絕緣電阻，正負母線與底盤的電壓分別為和[28]。</p&g

81、t;<p>　　圖3-13 絕緣檢測原理圖</p><p>　　檢測原理為：當開關S1、S2 均斷開時，采用分壓的方法進入芯片AD通道分別測出和的電壓，從而得出此時電池組正負母線間電壓為和，列公式3-1;</p><p>　　然后閉合S1，斷開S2，此時檢測到正母線對地的電壓和，列公式3-2。</p><p><b>　?。?-1）<

82、/b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　由式(3-1)和(3-2)聯(lián)合求解，可以得到：</p><p>　　=(-1) （3-3）</p><p>　　= （3-4）<

83、/p><p>　　圖3-14 絕緣監(jiān)測模塊電路圖</p><p>　　計算出正負對底盤的絕緣電阻和，當絕緣電阻若低于500 Ω/V，則報警；若低于250 Ω/V，則斷開驅動系統(tǒng)。</p><p>　　3.5 熱管理模塊</p><p>　　溫度是控制車載電池的主要參數(shù)之一，對電池性能影響比較大。如圖3-15所示，在-20℃

84、時，放電時容量是較低的，在60℃時，放電時的容量是最大的。在45℃以上放電容量增加不大，說明在溫度升高，電池內部的各類化學反應速率加快，電池內阻將降低，放電速率將加快。但是溫度過高，會破壞電池內部的化學平衡，從而導致?lián)p失部分電量，減少了電池的循環(huán)使用壽命。也增加了安全隱患，控制溫度在一定范圍內，是消除安全隱患的最好措施。本文考慮實際運用和成本方面，采用強制風冷的方式，選用風扇對電池進行散熱。 “鹿山E2號”純電動賽車使用的是強制風冷的措

85、施,以保證電池溫度控制在電池最佳使用范圍內。當電池的溫度達到最高允許值時,風冷不能足以降低電池箱內的溫度時,則根據(jù)控制策略需要斷開相應的繼電器來切斷整車的驅動系統(tǒng),以保證整車的安全。</p><p>　　圖3-15 磷酸鐵鋰電池不同溫度放電曲線</p><p>　　磷酸鐵鋰電池最佳使用溫度范圍應在 10-45℃，因此，通過一定的保護措施，確保電池組的充電和放電過程中，在最佳的溫度范圍。防

86、止電池工作狀態(tài)時溫度過高,本文設計使用強制風冷的方式進行散熱。通過電池管理系統(tǒng)的實時采集到的數(shù)據(jù)進行分析,得到電池箱內電池組中各單體電池的溫度信息，當電池溫度達到風扇啟動閥值時,啟動風扇對電池箱內的電池進行降溫,直到溫度降到風扇關閉閥值時而關閉。為保證電池的安全可靠，當電池溫度達到一級故障值（設置值為55℃）時,電池管理系統(tǒng)發(fā)出報警信息；當電池溫度達到二級故障值時（設置值為60℃）,電池管理系統(tǒng)發(fā)出信息斷開箱內繼電器來切斷驅動系統(tǒng)。由于

87、溫度低于10℃時,磷酸鐵鋰電池的內阻隨著溫度的下降會增加，進行一定時間的充放電即可，這一過程不需要主動地去控制管理，因為電池充放電過程電池內部化學反應屬于放熱反應, 部分能量轉化為熱量,電池的溫度就會逐漸升高，電池的工作溫度會很快上升到正常溫度。</p><p>　　“鹿山E2號”純電動賽車有3個電池箱，每個電池箱內有三個風扇，風扇的開啟與關閉直接有電池管理系統(tǒng)中采集模塊直接控制。比賽規(guī)則要求電池管理系統(tǒng)需要對電

88、池組的30%以上的電池進行溫度的檢測，所檢測到的電池需要在電池箱內并是均勻分布的。我們使用的是對流的傳熱方式，對流傳熱的情況與流體通過的通道尺寸形狀有關，將單體電池布置在散熱片上，如圖3-16所示，散熱片上留有空隙，更好提高散熱效率。當監(jiān)測到電池出現(xiàn)過熱時，電池管理系統(tǒng)啟動電池箱內安裝的冷卻風扇，實施強制風冷動作來保證電池工作在更加良好的溫度環(huán)境。本文設計的每個采集模塊可采集到36串電池電壓，而對12個單體電池溫度的采集監(jiān)控。如果采集模

89、塊采集到12個單體電池中任何一個單體電池超過36℃時，即啟動風扇；當溫度低于34℃時，即關閉風扇。采集模塊可根據(jù)實際檢測到的單體電池溫度來控制風扇啟動，電池溫度達到36℃時開啟風扇，34℃時關閉風扇。電池箱內的熱管理模塊電路圖如圖3-17所示。</p><p>　　圖3-16 散熱片和電池連接圖</p><p>　　圖3-17 熱管理模塊電路圖</p><p>

90、<b>　　3.6 顯示模塊</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)要能夠能提供各種異常的報警信息，及時提醒駕駛員和維護人員，來采取相應的應急措施，顯示模塊（Battery Display Unit，BDU）有友好的人機交互界面，能夠方便地設置初值和修改參數(shù)，可以使駕駛員和維護人員能夠直觀的查看電池系統(tǒng)的運行狀態(tài)[29]。</p><p>　　電池管理系統(tǒng)所有計算

91、結果都是通過CAN進行信息傳輸，在顯示屏上進行顯示各種信息。顯示屏中顯示單體電池電壓、電池組總電壓、放電和充電電流、30%以上單體電池溫度、故障信息、SOC估算值等信息。</p><p>　　“鹿山E2號”純電動賽車顯示屏，為了設計上的美觀，使用高清背景圖片做儀表顯示的背景圖，設計選用thin film transistor (TFT)晶體管觸摸液晶屏 ( TFT LCD屏)，如圖3-18所示。為使車手能更直觀、

92、清晰地了解賽車的實時動態(tài)，利用取字模軟件建立了賽車顯示所需要的文字、數(shù)字，并生成了獨立的字庫，在選取顯示文字、數(shù)字時直接從程序里面提取我們自主建立的字庫里面的資料。</p><p>　　圖3-18 TFT LCD屏外形圖</p><p>　　SSD1963顯示控制器內含1200K字節(jié)的幀緩沖器，它還配備并行MCU接口在不同的總線寬度來接收圖形數(shù)據(jù)和從MCU發(fā)出的命令。</p>

93、<p>　　SSD1963顯示控制器功能：</p><p>　　1、支持高達864×480的24bpp的顯示；</p><p>　　2、支持TFT的接口面板；</p><p>　　3、支持8位RGB接口；</p><p>　　4、硬件為0，90，180，270度旋轉；</p><p><b

94、>　　5、硬件顯示鏡像；</b></p><p><b>　　6、硬件窗口；</b></p><p>　　7、動態(tài)背光控制（DBC），通過PWM信號；</p><p>　　8、8/9/16/18/24-bit MCU接口；</p><p><b>　　9、撕裂效果信號；</b>&l

95、t;/p><p>　　10、內置時鐘發(fā)生器。</p><p><b>　　SOC估算</b></p><p>　　3.7.1 SOC定義</p><p>　　電池管理系統(tǒng)采集到的電池信息，通過計算從而估算電池組的SOC(State of Charge) [30]。準確的SOC值，可以直觀清晰了解電動汽車的剩余電量和可續(xù)駛里

96、程的的信息。電池組的剩余容量，電池總容量的數(shù)值與電池剩余容量的比值[31]：</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　式3-5中，是電池中剩余的電荷余量， 是電池的標稱的電荷容量。</p><p>　　3.7.2 常用估算SOC的方法</p><p>　　電池SOC估計方法主要有：安時法，開

97、路電壓法，電阻法，卡爾曼濾波方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[32]。</p><p><b>　?。?）安時法</b></p><p>　　安時法是通過某段時間內對負載電流的積分來估算電池組的SOC。原理公式如下，</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式3-6中， 是— 時刻電

98、池組的剩余電量，t為時間，i為電流值。</p><p>　　安時法是電池工作時間對電流值積分而計算得出SOC值，由于電池的初始SOC難以確定問題而影響SOC準確度。</p><p><b>　?。?）開路電壓法</b></p><p>　　開路電壓法是電池在未工作狀態(tài)下，測量電池的開路電壓來確定電池組的 SOC值。該方法比較簡單，但是在電池工作

99、狀態(tài)下開路電壓法是不能實際測出的，因此開路電壓法在電動汽車的實際運行中是不能動態(tài)檢測出的。</p><p><b>　?。?）內阻法</b></p><p>　　內阻法是依據(jù)電池的內阻與 SOC 確定的函數(shù)關系，電池SOC值是通過電池內阻的實時估計。但是電池組的單體電池化學特性有差異，每個電池內阻會不同，導致電池不一致性，難以通過電池的內阻來確定與SOC 相對應的函數(shù)

100、關系。</p><p><b>　　（4）卡爾曼濾波法</b></p><p>　　卡爾曼濾波法是將電池組作為一個非線性的動態(tài)系統(tǒng)，建立電池數(shù)學模型，根據(jù)數(shù)學模型列出狀態(tài)方程和觀測方程，求出需要估算系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)。準確的建立電池數(shù)學模型，卡爾曼濾波算法就可以準確的估算電池的 SOC。但是該方法估算電池 SOC 的準確性關鍵依賴于電池數(shù)學模型的準確性，卡爾曼濾波算法中應

101、用了大量運算，它對系統(tǒng)處理器的運行速度要求很高。</p><p>　?。?）人工神經(jīng)網(wǎng)絡法</p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡法是效仿人腦神經(jīng)元系統(tǒng)，從簡單的大量連接形成一個復雜的非線性系統(tǒng)。預先建立網(wǎng)絡的數(shù)學模型，并通過大量的實驗樣本對其收集數(shù)據(jù)，從而對電池 SOC進行估算。神經(jīng)網(wǎng)絡法的特性是非線性的，可以較好的模擬電池動態(tài)特征，因此，動態(tài)估算電池SOC有較好的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡法需要大量的樣

102、本數(shù)據(jù)進行采收集，對SOC 估算精度收集的數(shù)據(jù)影響很大。</p><p>　　3.7.3 本文設計估算方法</p><p>　　通過對比以上常用的幾種估算SOC的方法，如果單獨使用其中任何一種方法來估算電池 SOC或多或少會存在著一定的缺陷。本文設計采用將開路電壓法和安時法相結合的使用的方法對電池組的SOC進行估算，通過開路電壓法確定電池SOC的初始值，結合安時法計算電池組動態(tài)過程中SO

103、C [16]。</p><p>　　為了消除利用安時法難以確定電池SOC初始值的問題，當每次啟動電池系統(tǒng)時，或者電池系統(tǒng)暫時不工作時，可利用開路電壓法進行校準電池組SOC值。圖 3-19 為磷酸鐵鋰電池SOC值和電池開路電壓值(OCV) 的曲線圖。根據(jù)磷酸鐵鋰電池OCV-SOC曲線確定SOC初始值。 </p><p>　　圖3-19 OCV-SOC曲線</p><p&

104、gt;　　利用開路電壓—安時法相結合的方法來建立以下磷酸鐵鋰電池SOC估算的數(shù)學模型： </p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式3-7中，為初始的SOC，t為時間，i為電流。 </p><p>　　3.8 告警電路設計</p><p>　　如圖3-20所示，當主控芯片的I/O口輸出低電

105、平時，三極管處于斷開狀態(tài)，蜂鳴器電路不工作；當主控芯片的I/O 口輸出高電平時，三極管處于導通狀態(tài)，則蜂鳴器告警電路工作，并發(fā)出告警聲音。</p><p>　　圖3-20 告警電路圖</p><p>　　主控模塊檢測到故障時控制蜂鳴器發(fā)出告警音告知駕駛員和維護人員，可以在顯示屏上查詢告警的故障原因 (故障顯示信息有總電壓過低，充放電電流過大，單體電壓過低、過高，溫度過高，SOC過低等一級

106、故障)。</p><p><b>　　3.9 保護功能</b></p><p>　　如表3所示，當檢測到故障時電池管理系統(tǒng)做出相應的控制，來保護電池和整車的運行。一級故障，顯示屏報警同時CAN總線也可以上報，負載或充電機功率下降；二級故障，延時3秒切斷相應繼電器而切斷驅動系統(tǒng)；充電和放電是同用一個繼電器。切斷相應繼電器復位條件是BMS重新上電即可復位。</p&

107、gt;<p>　　表3-1 BMS保護方式</p><p><b>　　續(xù)表3-1</b></p><p>　　電池管理系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　4.1.1 采集模塊程序設計</p><p>　　采集模塊主要用于單體電池電壓、溫度采集和箱體風扇控制的信息采集模塊?；贑8051F340的采集模塊

108、程序設計中，設計了相關的保護程序和CAN總線模塊進行信息傳遞。采集模塊程序流程圖如4-1。</p><p>　　圖4-1 采集模塊流程圖</p><p>　　初始化：寄存器的初始化，定時器初始化，A/D初始化，I/0端口初始化、CAN初始化。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集：I/O口控制采集電路，采集電壓與溫度值。</p><p>　　執(zhí)行過

109、程：判斷電壓，溫度是否超過閥值而做相應動作。</p><p>　　CAN通信: 通過CAN上報相關電池信息給電池管理系統(tǒng)的主控模塊。</p><p>　　4.1.2 主控模塊程序設計</p><p>　　主控程序主要功能是實現(xiàn)總電壓、總電流采集、SOC估計、絕緣故障檢測以及CAN通信等功能。主控模塊流程圖如4-2所示：</p><p>　　

110、圖4-2 主控模塊流程圖</p><p>　　1.初始化：寄存器的初始化，定時器初始化，A/D初始化，I/0端口初始化、CAN初始化。</p><p>　　2. 數(shù)據(jù)處理：采集電池組總電流、絕緣電阻值信息，并計算SOC值。</p><p>　　3.電池狀態(tài)判斷：主要是檢測電池的放電狀態(tài)和電池的充電狀態(tài)，實現(xiàn)電池故障檢測和安全管理。</p><p