[工学]电动汽车剩余电量检测软件设计.doc

目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 项目背景11.1.1 国外电动汽车发展现状11.1.2 国内电动汽车发展现状21.2 电池作为汽车动力源的局限性31.3 电动汽车对动力蓄电池的基本要求41.4 电池管理系统51.5 汽车电池剩余电量检测的研究52 汽车电池剩余电量检测系统硬件结构组成62.1 汽车电池剩余电量测量难点62.2 锂电池62.2.1 锂电池功能原理62.2.2锂电池分类72.2.3锂电池结构72.2.4锂电池充放电特性82.3 电池剩余电量检测硬件结构模型82.3.1 MCU模块92.3.2 检测模块112.3.3硬件接口123 电动汽车电池剩余电量的计算133.1影响汽车电池剩余容量的因素13343.2 SOC的计算方法153.2.1 SOC模型的建立163.2.2 安时积分法163.2.3 开路电压173.2.4 SOC的补偿183.2.4.1 充电率补偿183.2.4.2 放电率补偿183.2.4.3温度补偿183.2.5 SOC的初始化194 电动汽车电池剩余电量检测软件设计与实现204.1 软件整体设计思想204.2 主程序功能205 汽车电池剩余电量检测软件的仿真与调试225.1软件开发环境225.2 程序分析23总结26致谢27参考文献28附录30电动汽车剩余电量检测软件设计摘 要估算电池剩余电量不但可为电动汽车的可持续行驶历程提供精确的判断，还是管理电池科学充电和放电的基本条件，对提高电能利用效率和提高电池寿命均具有重要的意义。本课题通过对汽车剩余电量检测系统的功能分析，提出了其基本的硬件结构框图以及软件系统设计方案。方案中针对电动汽车工作电压高，工作电流大，剩余电量估算精度要求高的特点，采用了基于单片机的分组管理的理念和方法。并以基本时安法为主体，辅助考虑电压、温度等多种环境参量的影响作用，以目前最常用的锂电池为对象，设计了可实现剩余电量检测计算的软件程序，完成了程序的仿真和调试。关键字 电动汽车；电池管理系统；SOC剩余电量；锂电池THE SOFTWARE DESIGN OFELECTRIC CARS SOC DETECTION ABSTRACTEstimating residual battery electric power not only can provide accurate judgment of scientific management for the electric vehicle which can drive sustainable course, but also can be the the basic conditions of battery scientifically charging and discharging for running battery, which can improve the using efficiency of and battery life . This topic put forward the basic structure of hardware and design scheme of software system through the function analysis of vehicle residual electric power detection system. The scheme adopts idea and method based on single chips group management aiming at high working voltage of electric automobile work,high working electricity and high accuracy demand for estimating residual electric power. At the same time,the scheme designs software program of calculation and detection of remaining residual electric power and completes simulation and test of the software program,which relys on the subject of the basic method of time-ampere , auxiliary considering environmental parameters effect of voltage, temperature and so on, and the object of the usual lithium battery. Keyword Electric cars，battery management system，the residual electric power of SOC，lithium batteriy1 绪论1.1 项目背景新能源汽车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢动力汽车、代用燃料汽车等。通常人们所说的电动汽车主要是指混合动力汽车和纯电动汽车。目前，在众多的新能源汽车当中，电动汽车以其优越的使用性能和相对低廉的销售价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。汽车工业是国民经济的支柱产业，它与人们的生活息息相关，已成为现代社会必不可少的组成部分。但是，以石油为燃料的传统的汽车工业，在为人们提供快捷、舒适的交通工具的同时，增加了国民经济对化石能源的依赖，加深了能源生产与消费之间的矛盾。随着资源与环境双重压力的持续增大，为缓解石油资源短缺局面，降低汽车燃油对环境的污染，发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方向。1.1.1 国外电动汽车发展现状从世界范围来看，具有高效节能、低排放或零排放优势的电动汽车受到世界各国的广泛重视，成为国际节能环保汽车发展的主攻方向，经过近四十年的发展，全球电动汽车产业已由产品开发期逐渐向市场导入期过度，各国政府纷纷投入巨额资金促进电动汽车的商业化1。其中，混合动力汽车已形成了成熟商品，燃料电池电动汽车与纯电动汽车由于受到电池技术困扰，目前还没有一款非常完善可实现产业化的产品。但从发展趋势来看，混合动力只是电动汽车的过渡产品，以燃料电池为基础的电动汽车是目前全球各汽车公司公认的发展方向。通常人们所说的电动汽车主要是指混合动力汽车和纯电动汽车。目前，在众多的新能源汽车当中，电动汽车以其优越的使用性能和相对低廉的销售价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。在电动汽车产业全球大发展的环境下，各主要汽车生产国及生产企业都在加大电动汽车的研制与开发力度，美国的通用、福特公司，日本的丰田、日产及本田公司，欧洲的奔驰、雪铁龙公司都积极开展电动汽车的研制与开发工作，并取得了实质进展，电动汽车从研制试验阶段走向商品生产及应用阶段的步伐不断加快。尤其是美国、日本、德国等发达国家对电动汽车技术高度重视，从汽车技术变革和产业升级的战略出发，颁布制定了优惠的政策措施，积极促进本国电动汽车产业发展，以期提升本国汽车工业国际竞争力。据不完全统计，到目前为止，发达国家累计用于电动汽车的科研开发和产业化发展的资金已达数十亿美元。凭借雄厚的实力和巨额的资金投入，发达国家的汽车制造商已经在全球汽车工业新一轮竞争中占据了有利地位。特别是以丰田为代表的日本汽车企业，已经在混合动力技术方面掌握了绝对优势，并在北美等国际市场上形成了相当的规模。从全球主要汽车生产厂家的发展计划看，电动汽车的产业化时代正在到来。目前，“低排放”汽车(主要指混合动力汽车)已进入大规模产业化阶段，在全球的累计销量已超过100万辆，“零排放”汽车(主要指纯电动汽车)的批量生产时间已提前到2015年，比原来预计的时间提前了10年至15年。特别是去年爆发国际金融危机以来，面对严峻形势，发达国家的政府纷纷出台相关政策，加快了电动汽车的发展步伐。据权威部门预测，未来10年，将是电动汽车产业格局形成的关键时期，电动汽车将成为拉动经济发展新的增长点2。1.1.2 国内电动汽车发展现状我国电动汽车发展现状我国电动汽车发展始于上世纪九十年代。中科院电工所、上海811所、清华大学、上海同济大学、北京理工大学等单位，在“863”计划和“十五”国家科技专项等国家项目的支持下，取得了阶段性的研究成果，培养了一支能力较强的研发队伍，人才储备体系正在日趋完善。目前，我国许多科研机构、高等院校都增设了与电动汽车研发有关的机构和人员，并把电动汽车及相关零部件的研发列为重点课题，这为我国电动汽车产业的发展打下了良好的基础。随着能源危机的不断加剧和大气污染的日益严峻，我国对具有显著节能环保特征的电动汽车的需求不断升温，我国政府对电动汽车相关技术的开发力度不断加大，各类电动汽车相继上市，电动汽车市场正在逐渐形成并不断扩大，电动汽车产业作为一个新兴产业日益受到中国的高度重视3。电动汽车技术作为新兴领域，我国与发达国家水平却基本相近，加快发展电动汽车产业对于振兴我国汽车工业和掌握新一轮汽车革命竞争主动权具有十分重要的意义。近年来，随着全球汽车工业重心开始向中国市场转移，电动汽车的产业化进程明显加快。据不完全统计，目前，我国包括比亚迪、上汽、一汽、东风、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在内的整车企业超过150家，包括一汽、上汽、宇通等在内的从事混合动力客车研制和生产的厂家就有30多家4。特别是随着我国电动汽车的制造体系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已开始涉足与电动汽车相关的电池、发动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。当前，国际金融危机不断蔓延，各国汽车企业的发展都受到很大影响，企业生存面临着极大挑战。针对这一形势，按照国务院指示，国家发展改革委组织制定了汽车工业调整和振兴规划，对我国汽车工业发展进行了全面规划部署，财政部、科技部等部门也制定了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法4，推出了“十城千辆”计划等一系列国家行动方案，加大了对电动汽车的政策支持力度。在此激励政策的鼓舞下，国内汽车企业纷纷增加对电动汽车及相关零部件的研发投入，我国电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段。我国在电动汽车技术领域科研实力雄厚，具有良好的产业基础，抓住机遇，顺势而上，加大电动汽车技术的研究、开发与产业化力度，实现我国汽车产业突破性发展，对于巩固和扩大我国汽车产业优势、推动全国经济结构调整、培育全国新的经济增长点具有十分重要的现实意义。1.2 电池作为汽车动力源的局限性（1）电池由于技术上的限制，单体电压小，放电持续时间短，这表现在电动汽车上就是行驶距离的限制。而且电池有一定的寿命，电池的老化程度对电池对外表现的特性也有巨大的影响，其次电池的工作模式分为充电模式和放电模式，这就要防止电池的过充电和过放电对电池造成的不可逆转的破坏5。（2）另一方面电池稳定性差，电动汽车采用多节电池串联获得高电压，这就带来了另一个问题，电池与电池之间有许多差异，因为容量的不同在使用中可能对电池造成破坏，这就需要我们对电池进行分组管理以尽可能减少各节电池之间的差异，防止因为这种差异带来的损害，除此之外，动力电池还要适应快速放电的要求，并且尽可能不受环境温度的影响。基于以上难点，要采用电池作为动力源，并达到要求，这就需要我们对电池做一定的管理。1.3 电动汽车对动力蓄电池的基本要求（1）比能量高比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，它是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，2h放电率时电池的比能量至少不低于44Wh/kg6。（2）充电技术成熟、时间短电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够实现感应充电。在充电时间上能够实现快速充电，电池的正常充电时间应小于6h，电池快速充电达到额定容量50的时间应为20min以下7。（3）连续放电率高、自放电率低电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率可以达到额定容量的70左右。自放电率要低，电池能够长期存放。（4）适应车辆运行环境电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。（5）安全可靠电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱、外壳。应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。（6）长寿命、免维护电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。1.4 电池管理系统电池管理系统(Battery Management System，BMS)是由微电脑技术，检测技术等构成的装置，是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余电量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态，达到延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性。一般而言电汽车电池管理系统要实现以下几个功能：(1)准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量8，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。(2)动态监测动力电池组的工作状态：在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。1.5 汽车电池剩余电量检测的研究剩余电量检测作为汽车电池管理系统一部分，在整个系统中起着举足轻重的作用。其外在表现能让驾驶员清楚地知道汽车的电量还能够使汽车跑多远，以便于安排行驶路线并选择及时充电，为电池充放电的管理与控制操作提供实时的参数，防止因为不清楚剩余电量而出现过充电或过放电的现象，而使电池造成破坏。2 汽车电池剩余电量检测系统硬件结构组成2.1 汽车电池剩余电量测量难点 由于目前单节锂电池的电压在2.5V-4.2V，汽车电池系统需要由多节电池串联组成，而电池的一致性，目前还没有做到很好，要保证电池剩余电量估算的准确就必须估算每节电池的工作状态，也就是如下的难点：(1)如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即储能电池的SOC状态计量技术。(2)汽车电池的剩余电量不是线性的，也不是由单一因素决定的，它是由许多外在因素决定，如：温度，放电率等，这就给电池剩余电量计算带来问题。要解决这些问题，就需要我们加入很多补偿。 要解决以上问题我们先来了解一下作为本文研究对象的锂电池。2.2 锂电池2.2.1 锂电池功能原理锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应： Li+MnO2=LiMnO2 （2-1）该反应为氧化还原反应，放电9。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。表2-1为各种电池性能比较，为电动汽车选择锂电池做技术依据。表2-1 各种电池性能比较虽然锂电池作为电动车电源，虽尚有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以锂电池在动力电源中仍占有一席之地。基于以上原因本设计以锂电池为研究对象，指出了影响蓄电池剩余容量的各种因素，预测剩余容量的测试方法以及通过软硬件设计达到测试剩余电量的目的，以便于更好的实现电动汽车的控制。2.2.2锂电池分类锂电池分成两大类：不可充电的和可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能。如锂二氧化锰一次电池、锂亚硫酰氯一次电池。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如市面上常见的锂离子电池。 2.2.3锂电池结构1、具有更高的重量能量比、体积能量比；2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.51倍容量的电流充电，使充电时间缩短至12小时10；7、可以随意并联使用；8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。2.2.4锂电池充放电特性一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线为电池的放电特性曲线，如图2-1的曲线OEFG所示。从图中可以看出，放电曲线基本上由3部分组成：放电开始时，电池端电压沿着OE快速下降；然后端电压变成沿着EF缓慢下降；最后在曲线的G点以后，端电压急剧降低，一般认为，此时电压已经没有能量了，继续使用将会损坏电池。图2-1中OABCD曲线未充电特性曲线，可见，充电过程也可分为充电初期电压急剧上升（OA段）、缓慢上升（ABC段）、快速上升（CD段）和端电压平衡段（D点后），到D点后，可认为电池已经充满了11。以上电池的这些特性都与电池剩余电量的检测息息相关，这些参数也为剩余电量的检测提供依据。图2-1 锂电池充放电特性曲线2.3 电池剩余电量检测硬件结构模型由前面关于电池管理系统的基本功能和电池剩余电量检测的出不介绍，设计该系统的硬件结构包括MCU模块、检测模块、通信模块。其硬件电路连接图如2-2所示图2-2 硬件电路连接图2.3.1 MCU模块MCU是系统控制的核心。本文采用AT89S51型号的单片机。下面是对AT89S51的一些基本功能介绍以及本设计要用到哪些基本功能。AT89S51提供以下标准功能：4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64K外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如EA接至VCC（电源+），程序首先执行地址从0000H-FFFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H-FFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：AT89S51具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。看门狗定时器（WDT）：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H），当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。使用看门狗（WDT）：打开WDT需按次序写01EH和0E1H到WDTRST寄存器（SFR的地址为0A6H），当WDT打开后，需在一定得时候写01EH和0E1H到WDTRST寄存器以避免WDT计数溢出。14位WDT计数器计数达到16383（3FFFH），WDT将溢出并使器件复位。WDT打开时，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，这意味着用户必须在小于每个16383机器周期内复位WDT，也即写01EH和0E1H到WDTRST寄存器，WDTRST为只写寄存器。WDT计数器既不可读也不可写，当WDT溢出时，通常将RST引脚输出高电平的复位脉冲。复位脉冲持续时间为98xTOSC，而TOSC=1/FOSC（晶体振荡频率）。为使WDT工作最优化，必须在合适的程序代码时间段周期地复位WDT防止WDT溢出。AT89S51引脚图如2-3所示：图2-3 AT89C51引脚图AT89S51中没有内部AD 转化，所以需要外加的AD转化芯片，在此我们根据数据采集的具体要求选用AD1674。AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。AD1674可实时地采集各传感器的模拟参量，以进行快速、精确的数据转换并传给CPU进行处理，从而有效地控制整个系统的精度。AD1674引脚图如图2-4所示：图2-4 AD1674引脚图AD1674为单5V工作电源，拥有12位分辨率；符合本设计数据采集AD转化要求，8个模拟输入通道分配给8个电池组，10s转换时间，100ksps采样速率；可采用内部或外部采集控制模式； 两种电源关断模式； 内部或外部时钟。 AD1674的核心部分是一个采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路。2.3.2 检测模块检测模块中将对电压检测、电流检测和温度检测模块分别进行介绍。（1）电压检测模块锂电池每节电池的正常电压为3.6v，最大终止电压为4.2v，最小终止电压为2.5v。而电动汽车的总电压一般在200v到300v，本文将锂电池分为8组（故需要8通道AD转化器），那么每组电池的电压变化范围为20v-33.6v，那么我们可以根据这算出需要多大精度的AD转换，因为剩余电量精确度为0.01，（33.6-20.0）/0.01=1360， 为了防止显示数据的抖动，最终确定AD转化需要12精度12。（2）电流采样电路 电流采样时，电池管理系统中的参数是电池过流保护的重要依据。（3）温度检测电池组在充、放电过程中，一部分能量以热量形式被释放出来， 这部分热量不及时排除会引起电池组过热。如果电池温度超过一定得温度，电池特性就会变质，电池组充、放电平衡就会被打破，继而导致电池组永久性损坏或爆炸。为防止以上情况发生，需要对电池组温度进行实时监测并进行散热处理。另一方面剩余电量与温度有着密切的关系。2.3.3硬件接口硬件连接示意图如图2-5所示：图2-5 硬件接口图示意图 AT89S51的P0口负责处理AD1674采集的电流，电压，温度信号，P3口的前4个引脚用来作为8个电池组的选通开关P2口的前四位用来做显示的选通开关，P1口作为七段数码管的显示信号。3 电动汽车电池剩余电量的计算3.1影响汽车电池剩余容量的因素早期锂电池主要用电压作为限制条件来防止过充或过放，目前已经不能满足电动汽车的要求。一方面，电动汽车要求准确估计电池SOC，从而充分发挥电池能力和提高安全性两个角度对电池进行高效管理，以进一步提高整车性能；另一方面，电池在使用过程中表现的高度非线性，使准确估计SOC具有很大难度。两方面的结合，促使电动汽车电池SOC估计的研究工作不断开展，新方法不断出现13。在前几章，我们已经详细的介绍了电池数据是如何采集、传输、存储与显示。本章我们建立在已有数据的基础上，结合时安法、开路电压法计算电池剩余电量SOC，为电动车安全运行提供决策依据。目前，国内外较为普遍采用电池的荷电状态SOC作为电池容量状态描述参数，反映电池的剩余容量，其数值定义为电池的剩余容量占电池容量的比值：SOC=Q/C （3-1） 式中，Q是电池的剩余能量，C为电池标称容量，即在规定电流和温度下处于理想状态时的所能放出的容量。通常把一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为荷电状态100，而将电池再不能放出能量的状态定义为荷电状0。上述SOC定义是以电池单体为研究对象得出的，电动汽车使用电池组，如何定义电量不够均匀电池组的SOC，仍是一个课题。实际使用过程中，较简单的方法是将电池组等效为一个电池单体14。为确保电池的安全性，常使用性能最差电池单体的SOC来定义电池组的SOC。图3-1，3-2是总体电压与单体电压实例比较。除此以外，锂电池的放电过程是个复杂的电化学变化过程，锂电池的剩余容量受到电池温度、放电率、自放电、充放电循环次数等多种因素的影响，使得对于剩余容量的估算十分困难。当电池放电时，以下的一些因素将会给电池的实际剩余容量带来主要的影响：图3-1总电压比较图3-2 单体电池电压变化比较除此以外，锂电池的放电过程是个复杂的电化学变化过程，锂电池的剩余容量受到电池温度、放电率、自放电、充放电循环次数等多种因素的影响，使得对于剩余容量的估算十分困难。当电池放电时，以下的一些因素将会给电池的实际剩余容量带来主要的影响：（1）放电率。放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，电池所能放出的电量越小。（2）电池温度对容量的影响。电池温度对其容量影响较大15。这是因为随着电池温度升高，极板活性物质的化学反应逐步改善，因此放电时较高的电池温度会使电池放出更多的电量。但充电时过高的温度会使更多的氧气析出，电极电压更容易达到最大值，反而会降低充电效果。图3-3为充放电时温度变化曲线。 图3-3温度对剩余容量的影响曲线（3）自放电率。电池在贮存期间，由于电池内杂质的作用，如正极活性的金属离子与负极活性物质组成微电池，发生负极金属溶解与氢气析出。又如溶液中从正极板溶解的杂质，若其标准电极电位介于正极与负极标准电极电位之间，则会被正极氧化，又会被负极还原。所以有害杂质的存在，使正极和负极的活性物质被逐渐消耗，从而造成电池容量损失，这种现象称为自放电。（4）寿命。电池经历一次充电和放电称为一次循环或一个周期。在一定放电条件下电池工作至某一规定容量值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。对于锂离子电池，随电池寿命的变化，电池容量也会发生变化。一般电池充电池次数与电池容量成反比。3.2 SOC的计算方法在剩余容量估计中常用的方法一般有开路电压法、电量积分法(安时积法)、测量内阻法、模糊推理和神经网络的方法、建立蓄电池的数学模型方法等等16。经过深入的分析和实验研究，本设计选择了一种综合的电量估计方法，它以开路电压法和安时积分法为基础，并充分考虑各种影响因素进行补偿。开路电压法利用电池的开路电压与电池放电深度的对应关系，通过测量电池的开路电压来估算SOC。对于锂离子电池其开路电压与它的SOC有一定的正比关系，可以用这种方法较为直接的得到电池的SOC。该方法比较简单，但是充放电进行的过程中开路电压是无法检测到的，因此这种方法不能用于动态估算电池的SOC。安时积分法的直观表达式是：蓄电池的剩余电量=(总电量)(己放出的电量)，它是对电流实时进行积分得到充入电池和从电池放出的电量。它对电池的电量情况进行长时间的记录和监测，从而能够给出任意时刻电池的安时电量。该方法实现起来较简单，可以动态的估测电池端电压，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点。电池不是一个简单的模型，它的电量会受到很多因素的影响，忽略这些因素会给电量估计带来较大的偏差。因此SOC估计不是单单依靠某种方法或某些方法的结合，而是在此基础上加入各种补偿。本文中SOC的补偿主要为充电率补偿、放电率补偿和温度补偿。将这些需要补偿的因素考虑进来以后，就可以对SOC进行较精确的估计。3.2.1 SOC模型的建立图3-4为SOC估计框图，系统中SOC估计的核心在于精确的安时积分法测量，采用此种方法实时的检测出电流，并与时间做乘积，然后对时间进行积分，并考虑进跟中补偿因数。图3-4SOC实现框图3.2.2 安时积分法电流I对时间t积分即为流进流出电池安时数，记为Q(当放电时Q为正，充电时Q为负)，在用当前电池的剩余电量Q减去Q，即得出电池经过充放电后电池所剩的电量，然后除以电池的总电量Q得出SOC值17：SOC=( QQ)Q (3-2)在实际计算中，我们直接利用电流对时间的积分计算C值，最终计算SOC值。公式如下： C(t)= (3-3)式中：t：充放电时间；：不同充放电的系数；i：充放电电流。SOC= (3-4)式中：C是电池以标定的电流恒流放电所具有的容量。3.2.3 开路电压除了利用安时积分法记录电池的容量变化外，通过试验，在每次系统上电时根据电池断电时间，及其上电时的开路电压对当前SOC做一定的修正。锂离子电池的端电压在其充放电过程中变化较大，所以，我们无法在运行过程中利用端电压估计电池的剩余容量。但是，当电池断电后(BP静止后)，其端电压随着时间的延长会逐渐趋于稳定，这时的端电压与其容量的关系较为明确。电池停放的时间越长，端电压越能表征其内部容量。基于此，可以考虑将电池的停放时间t作为参数，在电池停放前的容量SOC与电池稳定后其端电压所表征的容SOC做一定的加权18，如下式：SOC= （3-5）式中：T：电池端电压稳定所需的时间：t：电池停放时间(即两次使用的间隔时间)；SOC：电池停放前的剩余容量；SOC：电池稳定时其端电压标志的剩余容量。3.2.4 SOC的补偿电池不是一个简单的模型，它的电量受到温度、放电率、自放电等多种因素影响，其中有些因素对电量估计的影响很大，忽略这些因素将给电量估测带来较大的偏差19。因此剩余电量计量过程应该考虑多种因素影响而不应该单一的累加。本小节研究SOC估计方法中的各种补偿，这些补偿是在本课题组原有SOC算法的基础上添加进来的，目的是使SOC的估计更加准确。3.2.4.1 充电率补偿本设计所用锂电池经过多次试验，实验数据表明，在充电过程中，实际上的充电效率大概在97左右，因此我们在SOC估计中可取充电效率因子(soc)=0.9720。3.2.4.2 放电率补偿电池在不同电流下放电时所放出的电量是不同的，电池容量同放电电流的关系如图3-5所示： 图3-5 电池在25环境下的电池特性（放电）3.2.4.3温度补偿电池在75以下的高温环境充放电，电池会随着充放电电流的大小变化而产生不同的升温。一般来说，外部环境温度越高，电池放电电流越大，电池内部温度也越高，这时会影响电池的输出功率。也就是说，对于电池，温度高时，电池内部化学活性物质活动增强，这样反应充分，有更多的化学能转化为电能，导致电池总容量的增加。这样当电池温度变化时，就会导致SOC计量的不准确21。通过实验可以得出锂电池在几个关键温度测量点的实际有效电量。在软件设计中，利用几个关键测量点构造出电池在不同温度下的容量曲线。再将当前放电温度下电池的有效容量折算到25下的有效容量，这样就完成了电池在放电下的温度补偿。当温度变化时，对照容量曲线就可修正电池的总容量。3.2.5 SOC的初始化电池管理系统首次使用时需要对SOC进行一次初始化，初始化是通过系统上电时精确测量单电池端电压实现的22。在计量剩余电量过程中，不可避免会引进各种各样的误差，当误差积累到一定程度后，我们也要对SOC进行初始化，这次初始化是通过实验得出锂电池在几个关键温度测量点的实际有效电量对系统进行修正实现的。一般讲，在不考虑电池老化时，充满电可认为SOC=1。而在实际操作中，对于锂电池来说，在允许的最大定压充电条件下，电流下降到非常小的数值并基本保持不变，就认为已经充满，这时便可设定SOC=1。图3-6 开路电压法和时安法计算SOC 思想4 电动汽车电池剩余电量检测软件设计与实现本文用AT89S51单片机作为主控制器，依靠一个完整的软件程序将系统各硬件电路功能模块联系在一起，完成数据检测、数据处理、数据通信、功能调用、数据显示等功能，所以软件部分在整个系统中占有很大的比重。本章将对软件部分加以阐述。4.1 软件整体设计思想根据系统采用的分层结构方式，分别对显示程序和AD转换模块编写相关程序。整个应用程序采用模块化和结构化模式：（1）模块化。模块化是大部分程序编制过程经常采用的方法。把一个较长的程序分成较小的程序模块进行设计和调试，程序模块内部可能存在的问题可以及时发现和纠正。然后再把各个模块连接起来实现设计的功能。（2）结构化。结构化程序设计不仅在许多高级语言中应用，而且其基本结构同样适用于汇编语言的程序设计。这种方法可以使程序易读、易查、易调试，并提高编制程序的效率。其中一条基本原则是每个程序模块只能有一个入口、一个出口。这样一来，各个程序模块可分别设计，然后用最小的接口组合起来，控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块，使程序的调试、修改、维护都要容易得多。基于以上的编程思想，软件编程的总体分为两大部分：AD转换模块和中央处理程序模块。AD转换模块主要包括数据采集程序、模数转换程序，数据处理程序；中央处理模块主要包括SOC估算程序，显示程序。4.2 主程序功能主程序流程图如图4-1所示。系统上电后，主程序开始运行，首先进行系统的锂电池管理系统的研究与设计初始化，对整个测量模块功能芯片的端口和寄存器等进行初始化操作。系统初始化完成后进入主循环，主循环中首先进行状态判断，根据不同的状态做出不同的处理；然后进行电流的检测；接着进行剩余电量计算，最后送入显示设备显示，自此就完成了电池剩余电量系统整个工作流程；主循环完成上述操作后，再进入下一次循环，周而复始。电压测量是由单片机控制模拟开关，通过单片机的12位AD模块测量分组电池电压值。电流测量是在计算测试端负载，然后用电压除以负载便得到电流，为了减小误差，提高测量精度，在对每一节电池的模拟量测量时，连续测量多次，然后筛去最高值和最低值，再对剩余的测量值取平均值，获得最佳的测量结果。图4-1软件流程图5 汽车电池剩余电量检测软件的仿真与调试5.1软件开发环境单片机开发中除了必要的硬件外，同样离不开软件，我们的程序语言要变成cpu可以执行的机器代码有两种方法，一是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已经极少使用手工汇编的方法了，机器汇编是通过汇编软件把源程序变成机器代码23。随着单片机开发技术的不断发展，从普通使用汇编语言到逐渐使用高级语言的开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发C51系列软件，Keil提供了包括c编译器，宏汇编，连接器，库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。其方便易用的集成环境，强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。下面具体就本设计简单介绍一下建立工程文件的步骤。应用keil进行软件仿真开发的抓药步骤为：编写源程序并保存建立工程并添加源文件设置工程编译，汇编，连接，产生目标文件程序调试。Keil使用“工程”（project）的概念，对工程进行编译或汇编，链接等操作。工程的建立，设置，编译或汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握，首先选择菜单filenew，在源程序编辑器输入汇编语言或c语言源程序并保存，这一保存时不许再文件名后加上扩展名.asm或者.c；然后选择菜单projectnew project，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择cpu后点确定返回主界面。这是工程管理窗口的文件页（file）会出现target1，将其前面+号展开，接着选择source group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add file to groupsource group1”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（加入原文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其它文件）。加入后点close返回主界面，展开“source group1”前面的+号，就会看到加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口target1，在选择project option for targettarget1，打开工程属性设置对话框，共有八个选项卡，主要设置工作包括在target选项卡中设置晶振频率，在debug选项卡中设置实验仿真板等，如果要写片，还必须在output选项卡中选中“creat hex file”。这样你就完整的完成了一个工程项目的调试仿真，图5-1为本设计在Keil c中的调试仿真图。图5-1 程序调试仿真图5.2 程序分析 根据前面四章对电池剩余电量检测设计的分析，程序包括了主程序，初始化程序，中断程序和AD转换程序，以及显示程序模块，下面是选取其中的初始化模块和AD转换模块的程序以及注解。void inti() /芯片初始化函数CS=1;CE=0;/AD转化程序模块unsigned int ad1674_convert()unsigned int temp=0; /STS=1;inti(); /初始化CS=0; /片选信号delay(1);A0=0;delay(1);RC=0; /进行转换delay(1);CE=1; /使能操作delay(1);while(STS=1); /直到转换结束CE=0;delay(1);RC=1; /读取数据delay(1);A0=0; /进行12位转换delay(1);CE=1;delay(1);temp=P0; /取数据temp=P04; /转换结果CE=0; CS=1; /转换停止return temp; /返回值在keilc中写入程序并运行，然后建立烧录文件，在proteus中建立硬件仿真图，实现程序和电路的连接调试，调试结果如图5-2所示。图5-2 剩余电量检测仿真图 对照第二章2-5的示意图连接电路图，完成电动汽车电车剩余电量检测仿真。因为条件限制，系统中没有电池模型，所以仿真只测出了瞬时的电流值。总 结半个学期以来，通过自己查阅资料以及与导师和周围同学的沟通交流，终于完成了毕业设计，尽管设计中遇到了很多问题。下面是我关于课题的总结：课题首先阐述了电动汽车发展的背景以及电动汽车电池剩余电量检测的必要性。并根据现状，选择锂电池为课题研究对象。通过对汽车剩余电量检测系统的功能分析，提出了其基本的硬件结构框图以及软件系统设计方案。方案中针对电动汽车工作电压高，工作电流大，剩余电量估算精度要求高的特点，采用了基于单片机的分组管理的理念和方法。并以基本时安法为主体，辅助考虑电压、温度等多种环境参量的影响作用，以目前最常用的锂电池为对象，设计了可实现剩余电量检测计算的软件程序，完成了程序的仿真和调试。在课题中我对汽车电池剩余电量系统做了比较全面的分析，得出了一些有参考价值的结论，为进行该方面的研究提供了一些理论依据。但是由于时间有限，故只对该设计进行了理论上的分析与设计，并未做出实际作品来证实该设计的合理性与可实现性，所以可能存在不足之处尚待改进。致 谢转眼四个月过去了，我的毕业设计也最