电动公交车充电管理系统设计

摘 要 摘 要随着汽车工业的发展和石油能源的紧缺，电动汽车越来越受到世界各国的欢迎，它节能环保，电能来源广泛，有火力发电、水力发电、太阳能发电、地热发电、潮汐发电等，可以缓解对石油资源紧张供应局面，各个国家相继投入大量资金用于电动汽车研究开发，电动汽车迎来了大好发展形势，我国很早就将电动汽车列为国家重点研究项目，已经取得很多重要成果，其中电源管理系统是电动汽车的关键，它是电动汽车的动力来源，电源的电量管理直接影响着电动汽车的续驶里程。本课题就电动汽车的充电管理系统做了重点研究，采用镍氢电池作为充电的对象，本课题首先介绍了镍氢电池的性能，电池剩余量SOC的计算方法，还有各种充电方式，包括常规充电方式恒压充电、恒流充电、恒压恒流充电、涓流充电、分阶段充电法，快速充电法有脉冲充电、变电流充电、变电压充电、智能系统充电，经过分析电池管理系统的中央控制单元采用数据分散采集和集中处理的设计方案，电池管理系统对所有电池的电压、温度参数进行分析处理计算出电池的SOC，判断电池的健康状态，对系统做出故障分析，利用CAN总线与充电机进行通信，进行及时的数据通信，将用户选择的充电模式、充电电压和充电电流送给充电机。关键词：电动车；电池充电管理系统；控制芯片TMS320LF2407；SOC- 43 -ABSTRACTABSTRACTWith the development of the automobile industry and the shortage of petroleum energy, electric vehicles, more and more by the welcome of the world, it is energy saving and environmental protection, a wide array of sources of electrical energy, thermal power, hydropower, solar power, geothermal power, tidal power can ease the tense supply situation of petroleum resources, all countries have invested heavily in research and development for electric vehicles, electric vehicles, ushered in a great development of the situation, our country as a national key research projects early will be electric vehicles, has achieved many important results , including power management system is the key of electric vehicles, electric vehicle power sources, the power of the power management .The subject of electric vehicle charging management system focus on nickel-metal hydride battery as the charging object, the subject first introduced the performance of the nickel-metal hydride battery, the battery remaining amount SOC calculation method, as well as a variety of charging method, including conventional charging method constant voltage charging and constant current charging, constant voltage constant current charging, trickle charge, phased charging method, fast charging method for pulse charging, variable charge current, variable voltage charging, intelligent systems charge, through the analysis of the battery management system the central control unit uses data distributed collection and centralized processing design, and battery management systems for all battery voltage, temperature parameters were analyzed to calculate the battery SOC, and to determine the health status of the battery, to make the system fault analysis using CAN bus and charger communicate timely data communication sent to the user to select the charging mode, the charging voltage and charging current to the charger.Key words:electric car; battery charge management system;control chip TMS320LF2407A; SOC.目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论 11.1 研究背景 11.2 国内外研究 21.3 本论文的主要内容 3 第二章 电池管理系统介绍 5 2.1 镍氢电池 5 2.2 电池管理系统简介 6 2.3 电池管理系统充电方法 7 2.3.1 恒压充电 8 2.3.2 恒流充电 8 2.3.3 涓流充电 9 2.3.4 恒压恒流充电 9 2.4 电池管理系统设计方法 10 2.4.1 BMS整体设计方案 10 2.4.2 SOC预测 11 2.4.3 电池状态监测 13 2.5 本章小结 13 第三章 BMS硬件设计 14 3.1 总体方案设计 14 3.2 主控制板TMS320LF2407芯片介绍 14 3.3 DSP系统 15 3.3.1 电源 15 3.3.2 晶体振荡器 16 3.3.3 复位电路 16 3.3.4 EEPRAM接口 17 3.3.5 DSP仿真器和JTAG接口 18 3.4 信号采集 19 3.4.1 电压检测信号采集 19 3.4.2 温度检测信号采集 21 3.5 AD保护电路 22 3. 6 CAN通信 23 3.7 滤波电路 24 3.8 过压和过温保护 24 3.9 充电机介绍 24 3.10本章小结 25 第四章 充电控制和软件编程 26 4.1 充电系统基本参数的确定 26 4.1.1 充电电压范围 26 4.1.2 充电电流范围 26 4.2 快速充电控制技术 26 4.2.1 时间控制 27 4.2.2 温度控制 27 4.2.3 电压控制 27 4.3 充电终止判断方法 28 4.4 软件设计 29 4.5本章小结 31 总 结 32 参考文献 33 致 谢 34 附录一 35 附录二 36 .第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景自进入新世纪以来，节能环保成了当前当前能源环保问题的一大焦点，各个国家对节能和环保问题都很重视，不信投入大量资金和精力用于科研开发上，其中电动汽车就是很多国家重点研究开发的对象，因为当前越来越多的家庭都有了自己的电动汽车，而且私家车的数目还在不断增加，虽然给人们很多交通上的便利，但是却消耗掉了全世界每年石油产量的一半以上，这么多是由燃烧后排放出去的气体对环境来说也是一个巨大的负担，空气污染，酸雨都与这有着直接的联系，而且加剧了能源的紧张，导致油价上涨等等一系列问题，尤其是最近几年在我国有些地方出现了柴油、汽油紧缺的现象。电动汽车是解决这一系列难题的一个好的出路，它有这么三大突出的优点，第一，电动汽车利用的电能，电能来源广泛，有火力发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电、地热发电等发电方式；第二，电动汽车对环境的污染非常小，噪音小，非常的环保；第三电动汽车的能源利用率高，正符合国家节能环保的政策。当前电动汽车的研究已经得到了越来越多的国家的欢迎和重视，从长远来看，电动汽车必将成为未来发展的重点，具有广阔的研究和应用前景，我国对电动汽车的研究表较早，很多大学和汽车公司已经研制出了很多类型的电动汽车，成果颇丰，我们学校为淄博市就研制出了一辆电动公交车，这也是我们学老师研究出来的成果，作为学校的一员同感荣幸。目前电动汽车主要有三种类型：纯电动汽车，它是以蓄电池的电能作为汽车的动力；混合动力电动汽车，它是发动机和电力传动并存的电动汽车，两者可以互相补充，是发动机汽车到电动汽车的过度型；燃料电池汽车，它是以燃料电池作为动力来源的。当然电动汽车的发展还存在许多问题，主要是动力电池和高效率的充电问题，电池管理系统是很重要的一个研究方向。1.2 国内外研究目前世界各国都在大力研制电动汽车。下面介绍几种典型的电池管理系统。图1-1法国研制的电池管理系统(1)德国柏林大学研究的电池能源充电管理系统该电池管理系统系统包括：屏幕的显示模块、电压测量模块、温度测量模块、CPU诊断模块，为实现电池均衡充电的平衡器。采用CAN总线作为系统总体控制传输控制线，微控制器模块采用的是TMS320LF芯片，如图1-1。这个电池管理系统的功能有实时监测电池的各单体电池的电压、电流、温度等重要参数，检测是否过充电，温度是否超过最高限制温度，具备电池的热量管理系统，几时开冷风机进行降温保护措施对剩余的电量进行及时而又准确的估计，即时显示在屏幕上，该智能电池管理系统功能齐全、控制准确合理又安全性高，在世界上是一个技术很高的系统。(2)韩国某家汽车研制公司研制的电池管理系统这个电池能量管理系统可以优化电池的充电方案、实时的进行电压、电流、温度等数据的采集，管理安全可靠、及时估算电池的剩余电量，对出现的充电故障及时采取保护措施。在这个电池管理系统中有管理电池充电的单元、充电器、故障警告系统、电池热量管理、传感器设备，CPU控制单元是系统的关键，一切功能都有它来决策和发送正常的指令给每个控制和检测模块，保证电池正常安全地工作。(3)北京交通大学研制的电池管理系统图1-2北京交通大学电池管理系统这个电池和管理系统是在国家“863”计划支持下由北京交通大学完成的用于动力镍氢蓄电池监测及管理的系统装置，在2002年12月科技部验收了这个电池管理系统项目。系统装置可以监控电池的运行状态、估量电池的剩余电量、对使用过程中出现的故障进行早期的诊断和充电，如图1-2所示。1.3 本论文的主要内容本课题是电动公交车充电管理系统的一部分，主要负责对充电进行管理和控制。系统监测所有电池的电压，温度等工作状态，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，系统通过CAN总线与充电桩通信，具有过压、过温的保护功能，要求设计相应的充电管理硬件及软件完成相应的功能。主演内容是针对电动汽车用镍氢蓄电池组，完成系统整体方案的设计，底层电压、温度的采集方案完成了硬件的设计和调试。电动汽车动力电池一般有多个单体电池串联组成一个电池模块，加上微控制器为核心的电池管理系统组成一个车用电池组。本课题串联384节1.2V DC容量为300Ah镍氢电池，本课题实现了BMS控制器对电池电压、温度参数进行采集，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，为进一步实现完整的电池管理系统提供原始数据和软硬件平台。本课题的主要内容是BMS整体方案的设计与电路设计，核心为集中数据处理和分散数据采集的方案，采集电路将采集到的数据送给主控制器，然后经过主控制器的计算和出理做出应对决策，采用软件控制各个子电路。第二章电池管理系统介绍第二章 电池管理系统介绍与动力电池相关的管理控制设备称为电池管理系统（BMS），作为一个整体在电动汽车中发挥作用。BMS的作用主要可分为两个方面：保证电池安全；合理高效的给电池充电。电池管理系统是一个监控系统，所以在研制它之前首先要对监控的对象非常熟悉。所有的电池管理系统都是针对一种电池甚至是一个品牌一个型号的电池而言的。2.1 镍氢电池镍氢电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉型电池相似，但它不存在重金属污染问题，被称作“绿色电池”。镍氢电池正极活性物质是NiOOH（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极的活性物质是H2（放电时）和H2O(充电时)，电解质一般采用KOH碱性水溶液，镍氢电池的充放电时的正极、负极化学反应和总反应方程如下：正极反应 Ni（OH）2+OHNiOOH+H2O+e-负极反应 M+H2O+e-MHx+OH-总反应 M+Ni（OH）2MHx+NiOOH目前镍氢电池所能达到的指标性能是：单体电池的电压为1.2V；功率密度是160500W/kg;能量密度为5570Wh/kg;工作温度是-3050；快速充电从满容量的4080需要15分钟；它的循环使用寿命超过1000次。镍氢电池优点有：功率密度和能量密度均高于铅酸电池和镍镉型电池，在电动车用电池中循环使用寿命是最高的，深度放电性能和快速充电性能好，没有重金属污染，充放电效率很高。镍氢电池的缺点有：成本很高是相同容量电池价格的5至8倍，自放电损害较大，而且它的单体电池的电压低对环境温度敏感，此外电池组热量管理任务重。随着燃料电池汽车的研制开发和混合动力汽车的产业化，近几年来镍氢电池得到了很普遍的关注，伴随着镍氢电池技术的发展，它的功率密度、能量密度、快速充电能力和循环寿命都会得到很大幅度的提高，进而价格也会降低。今后会有越来越多的公司把镍氢电池作为燃料电池汽车和混合动力电池汽车使用的动力电池。2.2 电池管理系统简介电池能量管理系统是保持动力电源系统正常应用、保证电动车安全和提高电池寿命的一种关键技术，它能保护电池的性能，预防个别电池早期损坏，利于电动车的运行，具有保护和警告功能。电动汽车的充电、运行等功能与电池相关参数协调工作是通过对电池箱内电池模块的监控工作来实现的，它的功能有计算并发出指令，执行指令，提出警告。电池能量管理系统主要包括：电池状态估计、数据采集、热管理、安全管理、能量管理和通信功能。图2-1电池管理系统(1)数据采集，电池管理系统的所有算法、电动车的能量控制策略等都是以采集的数据作为输入，影响电池能量管理系统性能的重要指标是采样速率、精度和前置滤波特性。(2)电池状态估计，电池状态估算包括SOC和SOH，是电动汽车进行控制和功率匹配的重要依据。在行车过程中系统可以随时计算车辆能耗给出SOC值，供能源管理系统进行功率配置和确定控制策略，使驾驶员知道车辆的续驶里程，及时做出决定到充电地点充电防止半路抛锚，SOH告诉驾驶员电池的寿命。(3)能量管理，在能量管理中，电压、温度、电流、SOC、SOH等作为输入完成这些功能，控制充电过程，用SOC，SOH和温度限制电源系统输入、输出功率。(4)安全管理，具体功能是监视电池电压、电流、温度是不是越过正常范围；防止单体电池过度充电。(5)通信功能，电池管理系统与车载设备的通信是BMS的重要功能之一，根据实际的应用需要，可以采用不同的通信接口进行数据交换，如：PWM信号、模拟信号、CAN总线是一种可考虑高、通信速率高的现场线。(6)人机接口，设置显示和控制按键、旋钮等来输入指令给BMS。(7)保证充电功能，电池能量管理系统实时检测电池的工作状态，特别是对所有电池的工作状态进行监测分析，将采集来的信息传送给充电机，让电动机知道电池的工作状态。系统计算此时充电机应该采取何种充电方式给电池充电才能达到给电池充足，性能好的电池不能过充，而性能差的电池又能充足。(8)故障诊断功能，能够与车辆检测仪器进行通信等，诊断系统故障，方便车辆的维修。2.3 电池管理系统充电方法图2-2充电管理充电管理就要利用合适的方法充电，适时监测电池的状态以确保电池安全充电和良好的效率，以下是几种比较安全有效的充电方式。图2-3恒压充电2.3.1 恒压充电加恒定电压于电池两端，充电的电流是，是指外部电源供给电池的充电电压，是指电池的电动势，是指它的内部电阻。在刚开始给电池充电的时候电动势是很低的，而电池的电流会很大，电动势随着充电的继续进行会升高，于是充电电流会减小，最后充电就停止了。因为在充电的后期充电的电流变小，控制电池的过充电会变得很简单。如图2-3所示，该充电法把电流与电动势联系起来，但是电池的电动势是电池里面的物理和化学变化的反映，所以该方法用来充电是非常好的，对电池恒流充电来说会有更多的优点。由于恒压充电也存在一些缺点，首先在最开始充电的时候电流会很大，但是到了充电的末期会随着电池电动势升高电池的电流变得很小，不容易完全将充电设备利用起来，充电电压的很小一个变化会导致电流非常大的变动。2.3.2 恒流充电如图2-4所示该充电法调整外部充电机的电压，调节串联电池的电压，为的是使充电过程中的电流不在出现变化。恒流充电法控制起来很简单，因为电池的接受能力会因为充电过程的继续会慢慢减小的，等到了充电快要结束的时候，充电电流的主要用处变成了电解水，会出现很多气泡，影响电池使用状态和寿命，所以一般选择阶段充电的方法。图2-4恒流充电2.3.3 涓流充电为给蓄电池组在放电过程结束后给它内部的化学物质一个恢复过程，这个时候需要以某种中程度上相对来说较小的电流来给电池充电，在它的端电压增达到某一数值后，然后用恒压恒流充电方法采用大电流来给电池充电，即为涓流充电。涓流充电的时候能使电流恒定而且数值比较小，随着电池状态恢复，整流器的电压会随着电池状态而升高，因此涓流充电实际上是跟恒流充电非常相似的充电方法。2.3.4 恒压恒流充电为防止恒压充电开始时的电流太大，导致温度增加的太大会给电池带来严重的伤害，充电过程中一般将电流控制在在一定范围内，这就是恒压恒流的充电方式。横流阶段是把电流值为恒值的充电方式，因此把它也称作恒压限流充电，如图2-5所示。越来越多的厂家推荐该充电方式，它是一种非常有效的充电方式，因为对电池来说低压限流充电更有利于保护电池，因为蓄电池的充电的电压低，末期电池的电流变得特别小，所以电解液基本上不产生气泡，即使产生也会很少，既节省末期电池的电流变得特别小，所以电解液基本上不产生气泡，即使产生也会很少，既节省了电能又降减小了电池的温度上，保护电池的极板。图2-5恒压恒流充电2.4 电池管理系统设计方法2.4.1 BMS整体设计方案电池管理系统有三种不同的结构，集中式结构、集成式结构和分散式结构。集中式结构中，数据采集单元和中央控制单元等形成整个电源系统的管理单元，对电源系统的基本信息如电流、电压、温度进行采样，再在BMS中心处理器内进行数据的处理、计算、判断和相应的控制。优点是材料的成本低，电池管理系统之间可以无限制的通信，不仅安全管理便利而且简化了对不同电池参数的调整与改写，参数的测量速度较快可靠性高也可以灵活计算，按照不同情况在中心处理器内修改软件，满足各种各样的要求，它的缺点是要把串联蓄电池电压测量中隔离、共地、测量精度等问题解决，但是技术难度很大。对电池组进行信号采集但不能检测到每个电池单体，不仅测量精度差，而且对信号处理的要求也很高。电池组出现故障时解决的唯一办法把整个电池组替换，集中式结构适用于只有一个电池组组成的车用动力电源系统。集成式是采用大量电池管理芯片进行集成设计，现在有很多电池管理芯片，DS2438芯片检测电池实时所有状态，例如充电状态中的电压、温度、时间、剩余电量等，它可以自动地采集这些数据然后在储存起来，利用数据线与控制器通信，利用芯片设计电路会变得更简单，避免了算法的设计，但是它也有弊端算法固定从而导致灵活性差。分散式结构中，数据采集是分散的，就是说每个电池包对应一个采集单元，这些单元与中心的BMS通过一根母线进行数据通信，其中的充电控制单元可能和中央处理单元分开，有的没有总的BMS控制板，直接通过总线传输到汽车中心控制器，有点是这种结构减少了布线利于扩展电源系统，而且能分散安装，利用总线进行连接与信息通信，可就近处理采集的数据而且精度很高这样就更有可能很好的计算电池的状态，方便电源管理系统的标准化建立，它的缺点是成本比较高而且灵活性也差一些，修改起来也麻烦，串行总线来传输数据，使得系统巡回监测的速度受限制，导致数据的实时性比较低。此外BMS是车载系统采用分布式监测系统时，因为采样的下位板数目很多，会导致电池包内的走线很多，从系统维护的角度来讲不方便。分散式系统比较适合于大电池。2.4.2 SOC预测本电池管理系统硬件设计灵活，可以通过软件实现多种算法，例如，开路电压法。负载电压法、Ah法、直流内阻法，如果有大量数据还可以建立电池模型，用自适应当然控制方法。本设计以Ah法为重点，配合负载电压法和内阻法对SOC进行估测，下面首先对Ah法进行认真具体的分析，然后简述负载电压法和直流内阻法怎样应用到里边去，再然后就介绍自适应理论在在SOC估测中的应用。首先，按照前面已经介绍的安培小时定律，电池充放电容量与充放电电流的关系式为 （2-1）实时监测电池的充电电流，进而在它的时域上进行积分，这样就能得到时间段t上的积分即电池的容量变化，仅需知道电池的初始容量，那么它的剩余容量表示式是 (2-2)这种方法不仅简单而且实现起来也很容易，仅电流采样点路就可以了，最重要的问题是初始值的确定，一般情况下电池充满电量后以满充容量当做初始值来计算，剩余容量会受到别的其他因素的影响，因此应该改正这些情况。放电电流对于SOC估测的影响最大，其次是温度，再然后就是自放电，在一样的条件下放电电流大放出的电量就会很小，因此要修正不同放电电流的剩余量，把标准温度下一定电流的剩余容量定义为剩余容量，其实就是利用一个电流参考标准来计算剩余容量。 (2-3) 其中C0S是标准的电流在标准的温度下释放出来的总电量，；CS实际上是把利用的电量折合成在标准温下电流放电后的电量 (2-4)其中，K是指电流的修正系数，K=W*，W表示标准温下标准电流放电放出的电量跟其他形式放电量之比，是指温度的修正系数。 (2-5)因为电池老化产生的对剩余电量的影响，实际上跟蓄电池的标准容量不一样，它们之间的关系是将式（3）和式（4）带入式（5）的SOC，根据方程，电池放电的剩余电量跟放电电流的关系式是： (2-6)因为它们的初始条件一样所以K和n是一样的，因此有 (2-7)所以仅需测量几组CI，就可以得到K和n,从而也就把确定了下来，的确定，无论是理论还是实验都表明电池很容易受到温度的影响，它的容量会随着温度的上升而增加，同样又随着温度的下降而减小，放电电流同样如此，跟温度呈现正相关的关系，进过修正以后的所谓的标准电压I=i*i。2.4.3 电池状态监测电池管理系统的一大主要功能是检测各单体电池的电压、温度信号，DSP根据各检测模块送来的数据进行分析，然后做出相应的处理，把出现问题的电池即是换新，以免耽误电池充电，严重者会引发事故问题。电池的单体电压正常使用范围在1V,1.4V左右，若果检测电路送来的数据表明电压超出这一范围，为安全起见，就要根据程序的设定值停止给电池充电；如果单体电池的电压之间相差大于0.2V就要及时检测出电池的位置，更换新电池。每种电池都有自己的温度的工作范围，镍氢电池的范围是-30,50，但温度降到太低的时候这个时候电池就不能工作了，太高的时候表明它已经出故障了，不能再用了，应该及时更更换新电池。充电电流的大小是由外部的充电机来控制的，要在安全的充电范围内充电，过电流的时候DSP主控芯片会程序控制断开连接。2.5 本章小结本章从电池管理系统设计角度，确立了设计方案，介绍了电池管理系统设计方案，镍氢电池的相关特性，SOC和SOH的重要意义及其如何计算SOC和SOH，根据任务书的要求对电池状态进行检测各个单体电池的电压、温度，设计了电压、温度信号采集电路，对均衡充电做了简要介绍，本章对后面章节具体电路设计来说具有很好的参考指导意义。第三章 BMS硬件设计第三章BMS硬件设计3.1 总体方案设计 图3-1总体方案3.2 主控制板TMS320LF2407芯片介绍本电池管理系统功能比较复杂，有很多接口方式和数据类型，这样就对系统的运算能力和实时性功能提出的要求很高，所以在选取核心控制器芯片的时候要优先考虑运算快速、高集成度和大的存储量的芯片，选用的芯片是TMS320LF2407 DSP，此芯片采用的优点有：(1)此芯片有1.5字节的数据程序RAM和32K字节的FLASH程序控制器，还有455字节的双口RAM，2K字节的单口RAM，有着非常大的存储空间。(2)集成度高，芯片上自身带有很多模块，例如SCI通讯模块、CAN收发模块、SPI通讯模块、AD采样模块，同时还有事件管理器模块和很多IO口。(3)采用的CMOS技术性能很高，它需要的供电压是3.3伏，使控制器的电能损耗大大降低，符合本系统小功耗的标准。(4)此芯片内有16为定点的DSP和30mips的执行速度的内核，运算起来的速度很快发送的指令周期很短，既达到了快速性和准确性的运算，又符合了系统的监控实时性特别是多参数变量的SOC的估算方法，这也证明DSP实现的算法的特点和优异功能。(5)此芯片采用两极中断结构，中断管理功能不仅多而且灵敏，符合电池管理系统的复杂的管理要求。 3.3 DSP系统3.3.1 电源由开关电源给本电池管理系统提供电压，DSP主控制芯片需要的供电电压为3.3V，开关电源提供的电压有+5V,+15V和-15V，所以要想给DSP提供电源就需要把5V电源转换成3.3V，元器件芯片TPS7333可以实现这个转换功能，图中的RES是指欠电压的低电平输出端，因为是漏极开路输出端，因此设计由上拉电阻确保逻辑高电平信号，因为负载的瞬间突变等情况会导致OUT的输出产生欠电压的现象，那么这种情况下输出的是低电平，它的保持时间在200ms内，这段时间内假如OUT输出值达到标准值，那么在这段时间后它的输出就会变成高电平，如果芯片与电源相距比较大时（大约在几英寸以上）为了改变负载的瞬态响应，这个时候可以接上一个旁路电容，该芯片跟很多稳压器类似可以在输出端接一个电容器来提高电源的稳定性，在图中我们可以看到一个电容器，它的作用是保障所有的负载能够正常动作，如图3-2所示。图3-2电源电路3.3.2 晶体振荡器图3-3晶振硬件电路本电池管理系统选用频率为10MHz的有源晶振，它利用主控制芯片里面的锁相环倍频然后获得需要的时钟频率，需要的频率为40MHz，设置在往外面的滤波电路是为了阻止出现异常波形和受到各种波的影响。它的电路图如图3-3所示。3.3.3 复位电路复位电路有上电复位和下电复位，掉电的时候二极管给电容提供了一个放电通道，在此情况下电容很快就会放完电，目的是为了确保在反复上电的时候准确的复位。图3-4复位电路复位电路RS脚跟主控制芯片的相应引脚接通，在这个引脚是低电平的时候，主控制芯片复位，为了让芯片正常初始化起码在三个连续CLKOUT周期内保持RS是低电平，为了避免振荡器在起震时产生的非线性特性对整个系统的影响，那么就要保证复位电路在低电平时间要大于系统在晶体振荡器的起震时间，通常100到200ms后，晶振才会稳定，因此商店的复位时间要比这个时间长才行，复位电路的低电平时间应该要很长，使主控制芯片一定复位，还要尽量使电路稳定，避免主控制芯片内部会出现误复位情况。3.3.4 EEPRAM接口EEPROM是一种只读存储器，它同时具有在线可电擦除和再编程的功能，同时它还具有RAM的可读可写的性质和ROM的不变动性的性质，它的里面有专门供它用的电路，它的它的擦出和写入的次数可以达到上万次，一般情况下写进去的数据能够储留九年左右，而且即使再断电的时候也能储存在它里边的信息。EEPROM有两种，一种是并行它的储量相当大，读写方法容易而且迅速，它读写所需要的时间跟RAM差不多，然而其消耗很大，成本也不低，重要的是一个是它的速度很不快，但是串行ROM它的特征是占用空间小，既省钱又小功率损耗，然而它的缺点是读写的时候很麻烦，运行起来很慢慢，一般在字节数跟写入的次数少的这样的情形下使用。图3-5 DSP与24LC16接口因为电池管理系统的工作时间长，要对很多数据进行保存例如充电电压、充电电流、充电时间、充电的电量等，当断电的时候要保存好这些数据，因为电压、电流。该芯片与主控制芯片硬件接口如图3-5，电量等数据比较少，所以从后实际出发可以选用24LC16芯片，这样既节省了钱又能很好的完成工作，这种芯片功率损耗比较低，他不仅结构紧密而且接口也很容易，时钟周期频率可以达到很高，写的周期时间最小可为5毫秒，芯片的电可擦出ROM位数是16Kbit位，它可以在低于2.5V的情况可以维持运行，它的等待电流是4uA，该芯片里面的数据能够擦写100万次，而且数据的储存时间很长在四十年以上，该芯片具有8脚DIP封装还有多引线的SOIC封装。该芯片需要提供3.3伏的电压供电，因此不用顾及它与主控制芯片的电平之间的装换，芯片里面的WP是硬件的写保护管教，当这一端是高电平的时候，关闭写操作，这一端是低电平的时候允许读写操作，芯片内的SCL表示串行时钟输入端，它的功能是控制数据的传输，SDA表示串行数据的输入和输出的复用段，本毕业设计中把A0A1A2设置为片选引脚，将它们接地，24LC02的工作方式是经字节去选择器件内部地址还有选择进行何种操作。3.3.5 DSP仿真器和JTAG接口图3-6 JTAG电路连接与单片机的仿真器不一样，在DSP内没有，但是可以由IE标准的JTAG接口与DSP开展仿真，因此它一定要有去仿真的对象和目标系统，与DSP接口然后由它来针对系统进行运行试验。本电池管理系统硬件电路由14引脚的连接口，运行主控制芯片的软硬件,它的接线如图3-6所示。TMS是表示模拟的输入信号，当TCK达到上升沿的时候，TMS状态就可以决定TAP将执行什么工作状态；TCK表示的是测试时钟，它是用来提供适中的为寄存器与控制器，它们会随着TCK同步信号串行移入数据和指令；TDI是数据寄存器和指令的串行输入端，当TCK达到上升沿的时刻，系统就会对TDI引脚数据进行采样并将结果传送到寄存器中；TDO跟TDI的操作模式一样，区别是TDO是在TCK下降沿而不是上升沿发生改变。TAP指的是用于测试的访问端口。3.4 信号采集表征电池性能的参数有很多，例如电流、温度、电压、内阻等，应用过程中对一个或几个参数进行控制可保障系统的寿命和应用安全，一般检测电压、温度、电流来判断和控制电源系统工作状况。数据采集系统结构图和功能图。监控系统测量电池的关键参数电压、电流、温度，估计电池模块的SOC和SOH。BMS中采集的数据可以有效管理和控制电池，所以数据的采样频率、数据过滤和精度很重要。3.4.1 电压检测信号采集电压是所有参数中最能表征出电池的状况，依据即时电池的端电压判断电池是否过充电，此外通过电压的测量也可以初步估计电池的SOC。图3-7 多路开关控制本毕业设计的管理对象是镍氢电池，电动汽车的电池组有384节1.2V镍氢电池组成，BMS采集所有镍氢电池的单体电压，电池组的电压为460V，采集点所在的共模电压较高，而且两个采集点之间的压差不大，所以这些采集点需要经过隔离才能实现良好的检测，在采集点的电路前段和在处理的后端进行隔离，隔离也体现在各单体电池检测通道间的距离，如果后段得电压采集电路出现了故障，不会造成前面的电池发生损坏，被测系统和测量系统公地是电压采集电路一定要做到的，对电池电压进行动态实时检测的重要环节时BMS不仅做好共地而且要避免短路的发生。系统要隔离和数据采集系统之间的通信，可取用线性光耦，就会把前面的电池采集到的电压信号分开，后面的处理当中要把大电压依照有关规定变小，这样就可以把电池的电压该变量及时准确地传给主控芯片，然后再经过多路开关后送到微处理器中处理，图3-7所示。光耦合隔离的优点是速度快，实时性特别好，光耦合隔离两端的信号连接上完全隔离，不存在任何关系，所以即使在光耦合的输出端出现短路也不会给电池的使用造成任何影响，而且光偶的尺寸要小，光耦合将电压信号转换为电流信号进行采集，解决了共地的问题，它与传感器相比它的性价比更高。单体电池的电压采集电路如下图3-7。图3-8电压采集电路我们可以采取如图所示单体电压的采集结构，通过光耦合隔离开关的切换，可以把1号到32号的电池单体电压接到采样总线V1和Vh上，把总线接到查分采样电路的输入端，工作的时候一次只有两个开关在同一时刻导通，它们工作的过程是S1和S2接通，别的开关都不接通，电池单体B1的电压接入采样总线上；然后开关S2和S3接通，剩下的开关都关闭，电池B2的电压接到采样总线的电路中，按照顺序依次采样各个电池的电压信号，从而对整个电池组内的所有电压采样。用可编程逻辑器件CPLD来实现光耦合隔离的开通和关断控制的信号。电压采集电路采集出来的信号经过模拟开关传输到DSP里边的AD装换器，使系统变得很简单。但是模拟多路转换开关也会出现差错，有下面两个原因;第一，在多路开关中，没有接通的通道有漏电流，这些漏电流会通过未连接的通道还有已经连接的通道和信号源的内阻形成回路，从而在信号源上出现压降导致衰减了信号；第二，多路转换开关中，接通的通道自身的导通电阻使输入模拟信号在电阻上出现压降，导致信号减弱。 图3-9CPLD连接电路3.4.2 温度检测信号采集测量温度的方法是选取数字温度传感器DS18B20，它可以编程9至12位的AD转换精度，信号变换速度很快，精度很高，适合用来测量电池的温度和其他方面的要求。它只需要采用一根总线就可与主控制芯片DSP传达信息，所有DSB18B20并连在一起，DSP利用它内部的芯片识别温度信号，可以选用多种方式为芯片提供电源，因为需要的DSB18B20较多，所以选用远端供电，因为使用的元器件种类并不多所以电路比较简单，仅须将采集到的温度信号通过信号传输线、电源线和地线就可以了。信号线通过IO口和DSP主控制芯片连接起来，通过可以编写程序的IO口来模拟总线时序，对DS18B20内的芯片去执行读和写的操作，为了阻止发生高阻态,需要在信号线处接上一个上拉电阻连接到远程供电电压3.3v处，选取该方法测量温度，温度采集电路如图3-11所示。图3-11温度采集3.5 AD保护电路图3-12 A/D保护电路BMS采集镍氢电池的电压、温度等参数，每次充放电都会使电池的寿命发生变化，电池出现故障时，这些参数都会发生变化，主控制芯片内模数转换模块的输入通道是单极性的，因此在电压变化的情况下，要把外界电路输入端改变一下，从DSP的安全角度出发同时也是为了BMS系统的安全运行，所有模拟信号在送达DSP时先经过AD保护电路。二极管的功能是过载保护，把接口电压控制保持在+0.6和-0.6范围之内，做到保护控制电路，电阻和电容的功能是是滤除所有干扰信号，能较好地抑制见风噪声，电路如图3-12所示。3. 6 CAN通信图3-14CAN通信电路数据通信是BMS的重要组成部分，目前在汽车上的BMS中数据通信方式主要采用CAN总线通信方式，一般要求电源系统与充电机采用CAN总线方式进行通信，CAN总线是一种有效支持实时控制或分布式控制的串行通信网络，在电磁干扰环境下它可以实现远距离实时数据的可靠传输，而且硬件成本还低。CAN总线的标准采用的是多主方式，它在网络上的所有节点都可主动向其它节点发送信息，按系统实时性要求网络节点可以分成不同的优先级，采用短帧结构的数据链路层，每一帧是8b而且容易就错，采用光纤和双绞线的传输介质，节点数达到110个，传输速率传达到1Mb/s，废除了传统的站地址编码是它的最大特点，传输安全性很高，抗干扰能力和容错能力都很强。CAN总线的可靠性非常高，非常适用于测控单元的数据通信，所以得到了很多公司工程师的青睐，LF2407芯片内部有一个自带的有16为外设的CAN控制器，而且它完全支持CAN2.0A/B协议。3.7 滤波电路对采集到的电压信号经过滤波在送到DSP主控芯片。图3-15滤波电路3.8 过压和过温保护当电池的电压超过550V或温度超过50的时候，就要停止对电池充电，电压检测电路和温度检测电路将采集到的数据传送到DSP主控芯片，经过处理分析后作出停止充电的指令，DSP通过CAN总线将停电指令发送到充电机，充电机关闭充电电源，保护电池安全。3.9 充电机介绍充电机是用来负责给电池充电的装置，它根据用户选定的充电模式和电池管理系统通过总线送来的相关数据，输出用户需要的电压和电流给动力镍氢电池充电。其中电压与电流的变换是在充电机内完成的，只需将电池充电系统的接口接通充电机就可以了，充电原理如图3-16所示。图3-16充电机给电池充电3.10本章小结本章介绍了电池管理系统的总体设计方案，对电池管理系统的各个模块电路工作原理都做了分析，DSP的主控制芯片TMS320LF2407监控管理电池系统的各个模块，该芯片供电电压为3.3V，它的A/D转换器有16位通道，直接接受采各个模块电路集来的信号，执行速度达到30MIPS，足以说明控制器的实时的控制能力非常高，然后详细分析了每个模块电路图，电源电路、晶振振荡器电路、复位电路、EEPRAM接口、仿真器及接口电路、A/D保护电路、二阶滤波电路，最后介绍了充电机。第四章充电控制和软件编程第四章 充电控制和软件编程4.1 充电系统基本参数的确定电池充电管理系统需要考虑电池组的性能参数和用户的充电方式。4.1.1 充电电压范围针对某具体项目的要求，动力电池组采用镍氢电池，电池组由384个1.2V的300Ah的蓄电池构成，总动力电压为460.8V。单个蓄电池理想电压为1.2V，其充电饱和电压如果假设为1.4V，那么就有蓄电池组的极限端电压为：460.8*1.41.2=537.6V。充电电路在工作时还需要考虑到一定的域量，也就是说为了保证电路的可靠性和安全性，我们将蓄电池的充电电压最大值取为550V,这样，充电系统的输入端电压应在0550V内可调。4.1.2 充电电流范围充电电流的大小要求在工作时也是可调的，系统采用300Ah的蓄电池，如果采用1C的充电率进行充电，充电电流大小为300A；采用2C的充电率时，系统充电电流大小为150A。在设计充电电路时还要考虑到电路的通用性，即保证充电电路可以对至少同一型号的不同电压值(蓄电池端电压值小于550V)的蓄电池组充电，所以系统充电电流设定在0至300A内可调。4.2 快速充电控制技术通常情况下镍氢电池要经过这么几个充电阶段，首先在电流值比较小的情况下给电池然后再跳到比较大的电流在最短时间内补充能量最后再在恒值电压条件下将电池内剩余容量补充满。如果电池的电压比较小，没有达到默认的预设值的时候，在这种情形下我们就要采取小电流恒值充电一直到两端的电压值超过预设值后再转换到快速充电。如果电池的充好进去的电量接近85左右时，这个时候就要切换一下充电方法，把电池从迅速的充电状态切换到恒值电压补充能量的阶段，需要提醒的是再给电池充电的时候，要控制好充电流程，设计好充电过程中需要的设计数据，特别是在这个分阶段充电电流一定的时候，如果说在这一阶段相关充电数据超过预先设定的数据后，就要设计好程序去做出相应的控制处理好发生的变动，关闭充电仪器的电源，间隔一段时间让电池恢复到正常状态后再继续进行充电的后续阶段。因此，我们利用控制电池充电的相关参数去控制充电过程以达到短时间内迅速充满电。所以在控制充电的时候要准确利用电压、时间、电流和温度等各项数据，根据这些数据做出合适的充电策略，将各个充电阶段有效合理的组合起来，下面是几种常用的控制方法。4.2.1 时间控制设计好以某一恒流电流进行充电到某一阶段所需要的时间，利用定时仪器在达到相应的时间后控制充电设备的开关，执行是否要关闭当前充电的阶段，进入下