毕业设计（论文）-纯电动汽车电池管理系统设计（全套图纸）.pdf

1 毕业设计说明书毕业设计说明书 纯电动汽车电池管理系统的设计 院 、 部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 2 摘 要 随着经济的发展，电力电子设备的更新速度更是突飞猛进，然而传统的能源 煤，石油，天然气的储量却在日渐减少，这样带来的能源问题就引起了广大用户 的关注，作为生活中的重要组成部分，汽车越来越被称为了生活得必需品,能源 的减少引发了汽车动力的改革， 而以电能代替传统的汽油的汽车便走进了人们的 视野中， 它污染小， 对周围的影响也小。 电动汽车的主要特色就是它的电池工程， 而对电池的管理系统也就成了试下研究的热点。 电池管理系统作为电动汽车上不 可缺少的一部分，在对电动车的电池管理，充放电控制，电池监控等方面有着很 重要的作用。 本课题拟以我国长安纯电动汽车的设计要求和主体设计规划为蓝本， 设计一 款以单片机作为主要控制器的电池管理系统，实现对电池的综合检测管理的设 计。主要包括电压检测、电流检测、充电检测、放点检测，并针对性的设计外围 CAN 总线接口电路，以方便上级控制系统和我们设计的电池管理系统有机结合。 关键字：电动汽车，充电管理，锂电池 3 ABSTRACT With the development of economy, the updating speed of power electronic equipment is advancing by leaps and bounds. However, the traditional energy of coal, oil, natural gas reserves but in dwindling, energy problem has caused attention of the majority of users, as an important part of life, more and more vehicles is known to life necessities, energy reduction caused by the reform of the electric vehicle, and the electrical energy takes the place of the traditional gasoline car went into peoples field of vision, it little pollution, influence on the surrounding is small. The main feature of electric car is its battery engineering, and the battery management system has become a hot spot for the study. As an indispensable part of electric vehicle, battery management system plays an important role in battery management, charge discharge control, battery monitoring and so on. This paper intends to China Changan pure electric vehicle design requirements and the main planning and design is modeled, design a microcontroller as the main controller of the battery management system, the design and implementation of the overall detection of battery management. Mainly includes voltage detection, current detection, charging test and detection, and according to the design of peripheral interface circuit of CAN bus to superior control system and the design of battery management system, the organic combination of convenience. Keywords ：electric vehicles, charge management, lithium battery 4 目 录 1 绪论. 1 1.1 选题背景及意义 . 1 1.2 纯电动汽车概况 . 2 1.3 论文研究内容的章节安排 . 2 2 整体研究方案. 4 2.1 系统设计方案 . 4 2.2 系统总体设计方案的确定 . 4 3 硬件电路设计. 7 3.1 单片机的选择 . 7 3.2 电池管理芯片介绍 . 10 3.3 电源模块的选择 . 10 3.4 采样电路设计设计 . 12 3.4.1 传感器的选择. 12 3.4.2 电压采集电路的设计. 13 3.4.3 电流检测电路的设计. 14 3.4.4 温度检测电路的设计. 14 3.4.5 绝缘电阻检测电路的设计. 15 3.4.6 故障报警模块电路的设计. 17 3.4.7 CAN 通信模块 . 17 4 软件系统设计. 19 4.1 软件系统整体设计思想 . 19 4.2 主控程序软件设计 . 20 4.3 主程序设计流程 . 21 4.4 初始化程序的设计 . 22 4.5 温度检测子程序的设计 . 24 4.6 电流检测子程序的设计 . 25 4.7 绝缘电阻检测子程序的设计 . 28 5 4.8 CAN 总线通信子程序的设计. 30 4.8.1 CAN 的初始化 . 30 4.8.2 CAN 的发送 . 30 4.8.3 CAN 中断的接收 . 31 结束语. 35 致谢. 36 参考文献. 37 附录 . 39 6 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 人们现在的生活越来越离不开汽车的存在。有当前调查的结果指出，当今， 汽车以每一年三千万辆的速度持续增长着。相当于全世界汽车现在已超过十亿 辆，每一千人中间，就有着一百二十个人买了汽车的群体。 在一定数量内的汽车，它的尾气排放到大气中，由于大自然的平衡体系，能 够吸收一定量的有害气体，防止对人类自身的健康造成危害，但随着人们生活步 调的加快，汽车的需求量也在不断地增加，此时汽车排放的尾气就会有可能超出 大自然的承受力，然而,随着人口增长和经济水平的提升，人们对于汽车的也越 来越大，因此人迫切需求寻找一种可以代替石油的新能源车，电动车就因此进入 了人们的眼中。 自十八世纪七十年代初戴维逊成功地研制了第一辆电动汽车(Electric Vehicle,简称EV)后,然而电动车在十九世纪就有了一定的发展,但由于蓄电池性能 差,汽车续航能力差,越来越不能达到人们的需求，这样的汽车会逐渐的被新理念 的车所代替。从汽车的发展看来，无污染的车已经成了汽车行业的关注焦点，现 代的电动汽车技术是结合了多项工程技术成就的前两项技术， 拥有电气化的高性 能车就应运而生了。它将成为人们交通工具的首要选择,为人们的生活提供更多 的便利，它不仅在利用率上优于传统的汽车，它不存在尾气排放问题，所以开发 前景十分广阔。就目前看来，发展电动汽车将是解决未来能源与环境问题的最有 希望的措施之一,也是人们关注的焦点，它不仅会带动汽车产业的发展，也会得 到科研机构的高度重视，对于改善环境问题起着不可估量的作用。 我国纯电动汽车最早开始于六十年代， 然后再随后的几十年来也有不小的发 展，但是真正的大发展的契机是开始于九十年代。进入新世纪后，在我国的“十 五”中长期发展计划中第一次电动汽车被理想，获得了国家战略层面的认可。提 出“三横三纵”研发布局。同时大气污染也越来越严重，PM2.5 指数收到人们对严 重关注，汽油燃烧后产生的尾气是大气污染，PM2.5 的主要指标，因此发展电动 汽车对于大气污染的治理也是非常重要的。 在中国汽车群体里。人均汽车拥有量达到每 1000 人有 110 辆汽车，石油 进口就成为了突出性问题。因此从国家安全战略角度来讲，摆脱对汽油的依赖也 变得十分重要。最新的权威机构发布的统计数据显示截止到 2015 年，纯电动汽 车和油电混合动力汽车在世界汽车总产量上有望继续高速的持续增长， 预计可以 达到近 70%增长率。而中国将是这个大幅度增长中的主力军。从另一方面来说， 为了环境环保问题，中国也必须大力发展电动汽车。 在经过了国家战略层级的 2 两个五年规划大发展以及北京奥运会和上海世博会的初步推广，在电动汽车方 面，中国的技术已经获得了很大的发展，初步建立起了中国自己的产业体系。据 最新统计， 目前已有有超过 75%的城市已经开始推广电动汽车， 有将近 200 家汽 车型号进入了推荐名录，电动汽车的发展已经进入了一个新的时代，在中国的发 展也更是走上了更加辉煌的道路。到 2011 年的第三季度，汽车新品发布会上， 有超过二百款新能源汽车进军了领域，包括纯电动汽 126 款 ，以及混合动力汽 车 73 款，还有燃料电池汽车 9 款，就现在来看，大家都认为混合动力和纯电动 汽车以及燃料 电动汽车是未来的汽车主要发展转型的空间。随着“十二五”规划 纲提出，我国的新能源汽车将会有巨大的突破性发展，也标志着能源汽车会是战 略的新型产业。 会加强发展纯电动汽车的发展， 以及， 我们可以预见到， 在中国， 新能源汽车必将获得长足的进步和发展。 1.2 纯电动汽车概况 纯电动汽车（BEV）：通过电能由电动机驱动的汽车。电动车的电能来自于 内部的蓄电池而并不是车外的电缆。 纯电动汽车基本上是采用车内的电动电机来 进行牵引，当然也有例外的就是把电动机安装在轮子中的特殊的电动汽车。对于 燃油汽车和纯电动汽车相比较而言，区别还是比较明显的，其中纯电动汽车最大 的差异在于其中的四个主要结构：电池、车载充电器、调速控制器、动力电机。 纯电动汽车性能的差异主要取决于这主要的四个部件， 四个部件的品质也起到决 定了价值的意义。首先是驱动电机的功率，决定了车能提供多大的驱动能力决定 了车的速度和负重能力；其次电池的容量决定了车的续航能力，容量越大续航能 力越强；同时充电器的好坏决定了充电速度的快慢，而调速控制器的性能也决定 了车的基础能力。 目前纯电动汽车驱动电机有直流有刷电机和永磁电机，另外还有交流同步 电动机，一个车的性能好坏，速度如何主要决定于电动机的选择，同时也影响着 车的用途，性价比高的车子在电机的控制方式上也有着自己独特的特点，现阶段 的电机控制主要分为两类，分别为调速控制器和不调速控制器。电动汽车也成为 时下的一个研究的主题。 1.3 论文研究内容的章节安排 本文主要的研究内容如下所示： 第 1 章 绪论 首先介绍本毕业设计的课题研究的背景及其意义，纯电动汽 车的概念，并设计出对论文研究的章节安排。 第 2 章 分析了需求，并根据需求提出了各种方案，对方案做了对比选择了 最终的方案。 3 第 3 章 硬件系统设计。主要是设计了电池管理系统的各种的电路，包括单 片机最小系统以及电压电流检测电路，温度检测电路。 第 4 章 软件系统设计，主要包括了 ADC 程序的编写，液晶程序的编写以 及 CAN 总线的通信等部分。 4 2 整体研究方案 现代电动汽车相较于传统的燃油汽车的最大区别就是电动汽车的电气化水 平极高，需要很多传感器采集很多的信息。电池管理需要收集数据来达到控制和 管理的作用，主要需要监控的数据有电压，电流以及温度等，在系统设计初期， 我们针对了电动汽车的需求，提出了我们的系统设计方案，并根据需求确定了详 细的各模块的设计方案，查阅了相关的资料进行了汇总。 2.1 系统设计方案 本文设计主要是设计一款电动汽车电池管理系统， 电池使用了的普通的高能 锂电池单体 12 节组成了一个电池包， 以管理此电池包为我们的需求来进行设计， 并有如下具体的细致要求： （1）可以检测单体的电压，也可以检测总体的电压，并且也可以检测通过 的总电流； （2）具有在充电和放电时都有可以测量电流的能力，正负电流都要表明测 量 （3）可以进行实施的温度检测，检测电池的当前温度值； （4）可以检测绝缘性能，检测电池当前的绝缘性能的好坏； （5）具有报警功能和故障处理功能，可以液晶屏显示 （6）可以进行 CAN 总线的通信，通过 CAN 总线进行信息的交互； 2.2 系统总体设计方案的确定 对于电动汽车来说，它所使用的大量单体锂电串联一起组成的动力源，涉及 到电池的体积以及重量的方面， 若干个串联的模块被分散安装在车体中组成了电 动汽车的电池组。对于电池系统来说，如果使用分布式的系统方案的话所耗费的 成本就会过高，并且系统本身也会过于庞大 ；如果使用集中式的系统方案的话， BMS 的中心处理单元就会负担过重，所以，现在如果使用电动汽车的话，在电 池管理系统中通常会使用一个折中的方案。一个庞大的电池包被 12 个单体的电 池组成在一起的， BMU 是由为每个电池包配备一个电池模块的监控单元， 在这 里，BMS 是由一个主控单元（CMU）与多个 BMU 组成的，整个电池管理系统 可以分成结构上层的主控模块以及下层中的监控模块。其中，监控模块与主控模 块之间可以通过 SCI 的总线来进行系统内部的联系，其余， CAN 总线和系统 的外部间实现通讯组成的主控模块。 5 图 1 系统总流程图 电池管理系统主要由以下几部分组成：数据采集模块、MCU 主控单片机模 块、均衡模块，包括传递温度信息的温度传感器、监控电流的电流传感器和电压 传感器，也包括连接这些器件的辅助器件，比如说漏电检测模块、显示单元一级 需要实现控制功能的控制器件。 6 采集模块主要是 ADC 采集，可以采集电池的电压、电池的放电电流，单体 电池的电压等部分组成，用来测量电压信号。 温度检测电路：对电池组的温度进行采集，温度采集非常重要，因为电池高 温可能发生自燃，造成危险，因此我们在充电和放电过程中必须要对温度进行严 格监控，才能把危险情况降到最低。 绝缘电阻的检测电路： 绝缘数据的检测是为了保证电动车系统的安全工作的 另一个关键点。单片机通过 ADC 采集可以获得正负电源以及外壳等部分的电阻 值大小，如果一旦发现有电阻值不正常，小于我们标定的电阻安全值，测出触发 报警， 从引脚输出电平从而控制输出相应电平，此时我们设计的报警电路就会工 作，发出强烈的声音指示，同时还会发出 LEd 闪烁报警。 故障报警电路：具有声音、光信号的报警功能，是单片机系统控制输出相对 应的电平信号来控制输出。当系统采集的数据信息超过规定范围时，立刻发出声 光报警。本系统采集的数据有电压数据、温度数据、电流数据以及绝缘电阻等。 通过报警，可以体现对出现异常情况时的处理和改善。 电压检测电路：可以对检测电池组的单体电阻电压数据，为了保证给纯电动 车提供合适的电压。 CAN 总线通信：该模块是用于进行数据的通信。 7 3 硬件电路设计 3.1 单片机的选择 结合此处的需求可知，我们需要的是一款带有 AD 功能、具有 CAN 通讯功 能的单片机，因此我们选择了基于增强型 51 内核的 C8051 系列的单片机 C8051F040，C8051F040 是 Cygnal 生产的一个集成性高效的信号处理性的单片 机，依靠其丰富的片内资源，完全可以达到我们想要的几乎全部的要求，包括内 存以及丰富的 IO 口等部分，他几乎是达到了目前 8 位单片机的最高水平。 如下图 2 所示为 8051 单片机的全部的内部资源的结构。 8 图 2 C8051F040 内部结构 这种单片机具有以下特点和功能： （1）采用高速流水线结构的新型增强型 51 内核。 （2）具有我们需要的 CAN 总线，CAN2.0B 结构。 （3）具有防止破解的内部保护，以及片上调试端口。 （4）内部有 12 位的高精度 ADC，速度可以达到 100kbps。 （5）同时也具有 8 位的低精度 ADC，速度可以达到 500kbps。 （6）内部具有 12 位精度的 DAC 两通道，满足特殊需求。 （7）内部具有 64K 的可在线编程的 Flash 空间。 （8）SRAM 的大小有 4KB。 （9）和普通的 51 单片机一样，可以外部扩展内存大小。 9 （10）丰富的接口包括 UART，SPI，I2C。 （11）片内 16 位定时器 5 个。 （12）片内有电源电压监控器，温度传感器，以及看门狗。 保证单片机在 严酷的工业环境下可以稳定的运行是很重要的，因此看门狗，电源电压监控器， 温度传感器这三者是很重要的， 可以有效的避免程序跑飞， 程序死机之类的问题， 维持稳定性。 C8051F040 的时钟电路 C8051F040 的时钟可以是以内部方式产生或着 外部的方式产生，本系统所用的时钟由外部方式发生。定时元件通常采用石英晶 体和电容组成的并联谐振回路。本系统选用 24MHz 的晶振。时钟电路如下图： C8051F040 的复位电路 复位是使单片机的 CPU 以及其他功能部件都恢复到一 个确定的初始状态的初始化操作。 复位后单片机从这个状态开始工作。 除此之外， 当单片机运行出错或系统处于死循环状态等情况时， 需要对单片机进行复位以重 新启动机器。 复位电路如下图： 10 3.2 电池管理芯片介绍 对 12 节电池进行管理，我们必须要使用专门的电池管理芯片，因为单片机 是串行执行，不适合处理高响应要求的并行时间，电池 12 节需要实时的一直进 行监控，因此需要使用电池管理芯片来进行管理，我们选择的是电池管理芯片 OZ890，该芯片是由大名鼎鼎的集成电路公司 O2Micro 研发的。 电池管理芯片 OZ890 是由凹凸科技采用结构重组的形式研究的， 具有很多 别的芯片没有的有的功能，它可以支持最高 13 节的电池，我们只需要 12 节，显 然满足要求，同时它还具有普通的锂电池保护 ic 的全部功能，包括过流保护， 过压保护，欠压保护等，是一个十分好的选择。 OZ890 芯片采用 TQFP- 64 的封装，具有如下性能特点： （1）和普通的锂电池一样，需要一定的保护措施来实现它的安全和可靠性， 包括充电时的过压过流，以及温度检测保护，短路检测保护等。 （2）可以通过 i2c 总线和单片机进行连接，包括使用 i2c 读取各项数据等情 况。 （3）如果电池发生短路断路，则会第一时间进行切断，保护电池或者用电 器的安全。 （4）实施显示电压情况，内置温度传感器，显示温度。 （5）最重要的功能是具有均衡功能，对于多节锂电池的串联系统来讲，由 于电池有差异性， 因此使用均衡技术进行充电是非常有必要的， OZ890 恰好支持 使用均衡技术监管充电，保证每一个系统都可以运行。 3.3 电源模块的选择 电源部分是极为重要的，因此我们需要认真进行设计，使电源部分尽可能的 稳定。电动车的整车供电采用的是 12V 输出，单片机部分需要一个 5V 的可靠电 源， OZ890 芯片需要进行电池检测， 因此需要一个尽可能宽的电压， 需要15V， 风扇和蜂鸣器电压+5V。各个芯片通过 DC- DC 转换获得供电电压，并能起到隔 离抗干扰的作用。+5V 电压通过 LM2956 转换，如图 3 所示。 11 图 3 电源模块电路 因此我们需要先把电源降压到 5V，此处使用 Ti 的 LM2956 作为降压芯片。 Ti 的 LM2956 是一款非常经典的开关电源的芯片， 内部集成开关， 提供最高峰值 电流 3A 的电流输出能力，电路简单易用，并且资料成熟，便于使用。 12 图 4 MAX743 升压电路 通过查阅相关的资料，了解到 MAX743 升压电路的知识，MAX743 电源的 相关电路只能输出两个等级的电压正负 15V 及正负 12V 的电压。无法满足电路 的设计，提出两个改进方法，一个是采用不一样的电阻来分压网络，第二个是从 它反馈的电路入手，调整输出电压，研究表明，通过改进的方法可以得到输出电 压可调的电源。通过改进电压的调节来向 OZ890 这个元器件提供高电压 。 3.4 采样电路设计设计 3.4.1 传感器的选择 传感器的选择要求和作用:传感器是借助于检测元件接收一种信息,并且按照 一定的规律把它转换成另一种信息的装置,其获取的信息,可以是各种物理量,化 学量和生物量,而且其转换后的信号也有多种形式。传感器是我们控制系统中最 基础的部分，只有传感器精准的提出了相应的采集,才可以做出精准的结果。所 以,对传感器有以下要求: 13 （1） 必须要有足够量程。 传感器的量程应该足够大;应该有一定的负载能力。 （2）响应速度快,工作的可靠性高。 （3）与测量或控制系统匹配性好,并且转换灵敏度高,线性程度好。 （4）传感器其精度适当且稳定性良好,静态响应和动态响应的准确度能达到 要求还可以长期稳定。 （5）适应性强，不因恶劣环境损坏，干扰小，噪声低，可适应我们的使用。 （6）传感器性价比高。在尽可能低的成本下保持尽可能长的寿命，并且易 于维修更换。现在能达到上述要求传感器是非常少的,所需的传感器应该参考其 目的、使用环境、被测的对象状况、精度的要求和信号的处理等，具体条件来选 择进行处理。 3.4.2 电压采集电路的设计 OZ890 芯片含有电池电压巡查电路，这些电路集成了多路单体才构成，根 据图 5 的设计，主要是把转换好的数据借助 IC 总线传送到 C8051F040。鉴于 OZ890 芯片巨头能够自动平衡的功能。电路由两部分组成，单体电压的采集电 路，还有另一种电路叫做均衡电路。 图 5 电压采集电路 如图 5 所示 BATn+1 和 BATn 为 OZ890 芯片的入口端，反馈电阻起到的 作用是检测电流，以防止过流。同时 OZ890 具有均衡功能，当电池充电完成或 者单节电池电压过高后，MOS 管闭合来分走电流，避免过充。 14 3.4.3 电流检测电路的设计 电流作为估计电池相关的容量以及参数， 所以系统对电流的采集有很高的要 求，不仅要保证采样中电流由高精度，同时要求必须具有较强的抗干扰能力，也 就注定了电流传感器的选择是相当重要，目前的电流传感器大体有以下几种，互 感器，分流器，以及光纤和霍尔电流传感器，光纤的性能是最好的，但是它的价 格非常昂贵，一半只用于一些不可避免的，无法替代的通信领域中，很少用到控 制中，霍尔电流互感器由于具有很好的抗震性，但是它的机械性能却很差，一般 不容易检修和更换，分流器的测量范围很广，耐机械性能良好，相对来说造价便 宜经分析比较后,选择分流器比较适合本系统的电流检测。本文采用超光仪表公 司生产的 FL 一 2 型分流器(75mA 一 100A)作为电流检测传感器 OZ8920 芯片自 身带有温度传感器，如图 6 所示。 图 6 FL2 型分流器 3.4.4 温度检测电路的设计 本文温度信号采集是采用 DS18B20 来完成的,18B20 是最常用的一种数字型 的温度传感器，价格低，体积小，操作易，被广泛使用在各个领域。区别于传统 的模拟温度传感器，他可以不用 ad 采集，直接输出温度值。它能够在很短的时 间内完成数字量的交换，交换 12 位的时间可以达到几百毫秒，而交换 9 位的几 乎只需要几十毫秒。DS18B20 芯片有两种供电方式，分别为外部电源和寄生电 源。当其采用寄生供电方式时,温度变换功率来源于数据总线,内部结构框如图 7 所示,温度测量电路如图 8 所示。当采用寄生电源供电时,需要把其中的两个输入 端接地。当处于写存储器操作和温度变换操作时,这是总线上必须有一个向上拉 15 的电压，启动时间大约几微秒。 图 7 DS18B20 芯片内部结构 图 8 温度检测电路 硬件处理需要其他相对软件的配合使用,对于该 DS18B20 和单片机之间是使 用的 1- wire 总线通信,因此对读写时序要求极其严格，必须要遵循时序,否则读取 到数据会失败。 3.4.5 绝缘电阻检测电路的设计 绝缘电阻检测是非常重要的一环，关系着驾驶员的生命安全，如果一旦出现 16 漏电现象， 会产生严重后果， 乃至威胁性命。 因此我们设计的绝缘电阻检测装置， 可以有效的检测车辆的绝缘电阻的大小， 如果一旦电阻大小不对， 马上停车报警。 其高压部件（如高压直流电池组，驱动部分，功率部分，电机部分等等）绝缘性 变差后，电阻变低，因此可能会产生漏电（可能漏电流很小），使车身带点电， 严重情况下产生漏电，非常有可能产生事故，危害乘客的安全，损坏电动车的设 备， 因此我们要防患于未然将漏点问题提早检测出来，才可以满足我们电动车漏 电检测的要求。 当今， 全世界很多学者对电动汽车直流系统的绝缘电阻检测方法做了大量研 究工作，其中检测方法多部分采用外接测量电阻的方法。此方法只有母线端接地 的条件下才准确检测出绝缘故障， 但在正负母线双端对称接地时无法精确计算出 绝缘电阻。电动汽车运行中，由于电机控制器等高压零部件电磁辐射较强，可能 绝缘检测单元在车辆运行中的严格电磁干扰状态下， 所以我们考虑到可能会出现 因为干扰问题出现了错误的检测，因此我们需要加入一些错误状态判别的方案。 故选择有源绝缘电阻检测方法。有源绝缘检测方法原理如图 9 所示，我们通过高 频的磁隔离变压器给车身之间诸如短暂的高压电， 然后我们使用单片机对这个压 降进行测量， 根据电压值即可测量出导通的电阻率， 进而获得我们想要的电阻值。 车体通过开关 S1 ,S2 将电阻 R1 ，R2 ,R3 ,R4 R5 ,R6 ,R7 ,R8 与正负直流母线相 连，S3 ,S4 为 MOS 管，MOS 管 S3 ,S4 的通断由单片机发出 PWM 信号控制， 当 MOS 管导通后会在变压器副边形成 700V 的高压。 图 9 绝缘电阻检查电路 17 3.4.6 故障报警模块电路的设计 在本文的系统设计中，当锂电池组单体电压、总电压被检测到为方便人们了 解电池组运行情况,主控单元中电路板上设置了 7 个指示灯及 1 个蜂鸣器来显示 不同的电池故障。如图 10 电路图所示，发光二极管可以作为指示灯选用。选用 7 个灯来代表过充、过放、过流、过温、容量高、容量低和节点通讯的故障显示。 故障分为的两级是临界故障及严重故障。如果发生临界故障的情况下,对应的故 障指示灯将会闪烁。如果发生严重故障时,对应的故障指示灯将常亮。如果无故 障发生时额情况下,所有的指示灯都熄灭。 图 10 报警电路图 3.4.7 CAN 通信模块 （1） CAN 总线基本原理 德国 Bosch 公司最早提出关于 CAN 总线的概念， 之后经过一段时期的研究， 18 开始出现了它的成品，严格的说作为这种工业性的串行总线，它在电子领域有着 广泛的应用。CAN 总线具有如下的特点： 1) 在 CAN 总线中， 短帧结构是 CAN 总线中基本的结构， 然后每一帧的数 据都进行了 CRC 校验，一旦错误即可补发，因此可以大大的保证在任何情况下 的传输的正确率， 并且就算是干扰大， 因此补发的机制也可以降速来做的准确率。 2) 只需要两个线就可以实现总线结构，总线上可以挂很多的子节点。 3) 有优先级的概念，因此如果出现了不同的节点的总裁问题，可以优先解 决高优先级的。 4) 数据通信速率非常快。 5) 可靠灵活多样是他的特点，可以进行点对点的通信，也可以将进行点对 面的通信，是一个非常好的总线。 6）系统的柔软性。在多数情况下，在与总线相连的单元不存在能够识别的 信息来确保其他单元能够找到信息的位置。当总线增加单元时，它因为没有地址 信息， 对其他单元不构成影响， 与他连接的其他单元只需要保持原有的配置即可。 7）通信速度，每个系统都有适合它的通信速度，但是在同一网络中，必须 保证所有的通信速度是一样的，不然数据传输会存在问题，CAN 是以双绞线为 传输介质的，它的传输性能非常好，传输距离相对来说很远。 8）CAN 总线连接单元数量。CAN 总线连接的单元在理论上是没有限制的， 它能够同时接连多个单元，能够提高处理的速度，但是由于所有的总线都是依靠 电力电子设备实现的，他就必然存在一些问题，如果连接的单元在总线上存在时 间推移以及延迟，带有电气负载限制，比如可调控范围。所以可以通过提高电力 电子控制通信的速度来使连接的单元数量减少提高通信速度，同时，通过降低 通信速度来达到单元数量的增加，使其具有更好的功能。 9）遥控发送。CAN 总线可以通过“遥控帧”来进行所有的遥控指令。 10）CAN 还具有错误检测功能，可以检测错误，分析错误的类型，并且每 个错误都是有不同的编码，他会通知其他单元有关于这个错误信息的功能，当有 一个单元正在发送信息时， 恰好被检测出错误， 那么这条信息指令会被禁止发送， 如果错误的信息没有恢复功能，那么单元一定会再次强行结束发送指令，这样无 限次的循环，知道错误恢复功能才停止，这样检测出来的错误更具有可信度。 （2）CAN 通信系统设计 下图所示为我们使用的 CAN 总线控制器。CAN 最先是由德国 Bosch 公司 在上世纪设计的， 专门应用于汽车电子的一种新型总线。 经过了三十多年的验证， 可以知道 CAN 总线是一个非常好的总线标准，硬件的电路如图 11 所示。主要 应用了控制器、 光耦隔离电路和 收发器 ic 等部分构成了 CAN 总线的接收电路。 19 我们使用的 C8051F040 单片机是支持 CAN 总线的，s 输出后的信号经过 了我们外部的驱动器连接了 CANH 和 CANL。同时因为汽车电子的干扰是很大 的，因此我们使用了光耦进行了信号的隔离。 对于芯片的选择，我们使用的是最经典的方案，CAN 收发器采用 82C250 芯片，工作电压为 5V。能够对 CAN 控制器提供接收功能，同时对总线也有差 动发送数据的能力， 作为控制器上的物理总线之间的接口， 限流电阻为电阻 R5、 R6、R7、R8，终端匹配电阻为 R10 。去耦电容为 C7、C8、C9 ，82C250 复位 端通过 R9 接地。 图 11 CAN 通信电路 （3） C8051 的 SM Bus 接口原理 C8051F040 是一个双向总线，它集成了 SM Bus 的 接口，并且兼容 12c 总 线，能够达到与系统总线管理的特点。目前的 系统控制器为通过字节实现的读 写操作， 总共是五个寄存器来管理 SMbus 接口的： 控制寄存器表示为 SMB0CN、 时钟速率寄存器表示为 SMBOCR、地址寄存器表示为 SMB0ADR、数据寄存器 表示为 SMB0DAT 和 状态寄存器表示为 SMB0STA。 4 软件系统设计 4.1 软件系统整体设计思想 随着新能源的出现，电力电子子技术也伴随着变化，任何一个控制系统想实 现他的功能，都必须是有硬件系统建立的电路设计，同时兼有软件系统的设计， 20 来达到控制的完整性，软件系统是在硬件系统的基础上，相当于对硬件的一个扩 充，它的设计也是关系着整个控制系统是否能够有很好的控制作用。 在软件系统设计过程中， 由于每个模块都有不同的功能， 加上使用分类居多， 在设计中一般采用分块设计，这样能够使设计有逻辑，能够逻辑清楚的设计和验 证每一步设计，以免大而多的任务设计混乱不清，有所遗漏，方便查漏补缺，给 调试过程节省了大量的时间，但是每个设计板块并不是完全独立的，设计程序一 般包括主程序和子程序 ，在通过主程序调用子程序的时候，各模块的作用又是 协同的，他们之间相互影响来作用于整个硬件系统这样如果有问题出现，可以很 明朗的确定哪个设计环节出了问题， 这种模块化的设计对于软件设计起着不可估 量的作用，它将成为软件设计部分的一个重要理论基础。 在本次设计中，采用上述的设计理念，根据设计要求，电池管理系统的软件 系统设计可以分五部分进行设计，首先是对主控制程序的设计，它是调控系统的 一个主体程序，CAN 总线通信模块充当了它的连接脉络，其他的就相当于子程 序的设计，主要有电压测量模块、电流测量模块、绝缘电阻测量模块。硬件工作 模式下，因 OZ890 的工作模式必须选择为硬件工作模式，可以通过 OZ890 独立 完成对锂电池的工作状态数据的实验性采样， 值得注意的一点是在软件编程初始 化时进行设置。 4.2 主控程序软件设计 作为系统设计的重要组成成分之一，发挥着重要的作用，在本次设计中，是 设计单片机系统中的一个软件，依据软件的分类，它应该属于固件程序软件单片 机固件程序设计通常分为三个步骤：系统定义、软件结构的设计、程序设计。根 据系统软件和硬件的功能，首先应该是给出系统的定义，要实现什么样的功能， 在此次设计中要实现 OZ890 通信的功能、串行通信功能、SOC 估算、风扇控 制和蜂鸣器控制功能。OZ890 向单片机提供输入信息，比如说电池电压、电流和 温度； OZ890 初始化设置的信息也要传送到 PC 机上 ；单片机采集的外界温 度。输出信息有发送到 OZ890 的参数设置信息；发送给 PC 机的电池信息；控 制风扇和蜂鸣器的控制信息；发送给整车控制器 HCU 的电池状态参数、故障 标志信息，如图 12 总体设计。 21 图 12 总体设计 4.3 主程序设计流程 对于系统的主程序是顺序执行和无限循环程序和不断的查询各种软件的标 志， 已达到处理日常事务的目的。整个程序执行的控制或协调任务都是由诸多程 序来承担的。而我们所用的电池管理系统因为其是一个实时监控系统，因此要实 时查询电压、电流及温度等电池的信息，以及对各类通信的实时响应，这样系统 就可以对以上响应实施控制操作，所以主程序的协调的控制的要求性就要高。为 了使固件程序达到有较好的可移植性和可维护性，我们采用了采用模块化思路， 所谓的模块化思路就是主体程序由主程序和中断程序这两个部分组成。 初始化子 程序、单片机温度采集子程序和 OZ890 的 SMBus 通信子程序、SOC 估算子 程序是主程序的调用程序。而 CAN 中断程序和串口接收中断程序则是中断程 序。图 13 为主程序执行流程。 22 图 13 主程序设计流程图 4.4 初始化程序的设计 在单片机系统正常运行下，单片机的初始化部分非常重要，初始化是单片机 执行的一段代码，它必须在主程序执行之前，其目的就是为主程序执行创造良好 的运行环境目，是系统能够保证正常运行，初始化主要是使一些特殊寄存器先初 始化。图 14 是本系统的初始化、 23 图 14 单片机初始化程序 本系统采用的是 12MHZ 的时钟， 并且其内部晶振最大震荡频率也为 12MHZ 为。C8051F040 的端口配置着优先权开关译码器动态的方式，所以其各个端口都 可以被当成通用 I/O 或着也可以是模拟输入。并且寄存器和引脚通过程序来实 现一一对应的控制，这种 I/O 端口是系统配置方式变得更加灵活，并且能够是 硬件布线更加方便。 单片机的初始化程序步骤如下： 1 电源管理 24 PCON ; 电源控制 2 系统时钟和振荡器 OSCXCN ; 外部振荡器的控制 OSCICN ; 内部振荡器的控制 3 复位及看门狗管理 RSTSRC ; 重置源 WDTCN ;看门狗定时器控制 4FLASH 存储器编程和安全管理 FLSCL ; 闪存时机预定标器 PSCTL ; 程序存储 R / W 控制 FLACL ; FLASH 访问限制 5 中断控制 IE ; 中断 EIE1 ; 外部中断 1 EIE2 ; 外部中断 2 IP ; 优先中断 EIP1 ; 外部中断优先级寄存器 1 EIP2 ; 外部中断优先级寄存器 2 P3IF ; 港口 3 外部中断标志 4.5 温度检测子程序的设计 C8051F040 的最大的一个特点就是在 MCU 的内部有温度传感器，因此，系 统不需要任何的外部测温点路，就可以进行温度的检测，并且精准度还不错。如 下图所示，我们使用的是 12 位 SAR 的 ADC0，通过配置 AMUX0，ADC0 可工 作在差分方式或单端方式，同时该通道也可以被配置为温度传感器、或者 VDD 或外部 ADC。图 15 为 ADC0 的功能框图，及 ADCO 的初始代码见附录所示。 25 图 15 ADC0 的功能框图 ADC0 的初始化代码： REF0CN = 0 x0E; /电压将参考 Vref AMX0P = 0 x1E; /温度传感器的输入将进入正极 AMX0N = 0 x1F; /信号的使能模式 ADC0CF = 0 xF8; /SAR 周期 0 x1F 4.6 电流检测子程序的设计 进行电流采样检测的程序如下图 16 所示，仍旧是首先进行 ADC 的初始化， 26 初始化后开始进行相关的后续动作，主要包括进入 ADC 检测时序，通过 ADC 检测过后，将结果进行转换，转换为电流值，将电流值存储并进行显示，存在全 局变量汇总，如果需要继续用过 CAN 总线上传的话，则进入相应的上传程序， 开始进行上传工作。 27 图 16 电流检测子程序流程图 28 4.7 绝缘电阻检测子程序的设计 如下图所示，是我们的绝缘电阻检测的，程序流程图如图 17 所示，其程序 见附录所示。单片机工作后，开始我按照我们需要的程序开始检测。，进入 ADC 检测时序，通过 ADC 检测过后，将结果进行转换，转换为阻值，如果此时发现 组织小于我们设定的安全界限，此时需要进行报警指示，告诉使用者此时的情况 很危险，有漏电的可能性，同时伴随着发光二极管和蜂鸣器的声光报警系统。 29 图 17 绝缘电阻检测子程序流程图 3