（动力机械及工程专业论文）电池管理系统试验平台的开发.pdf

摘要 摘要 电动汽车具有节能与环保的双重优势，近年来受到世界各国的重视，发 展迅速。但动力电池管理系统却是制约电动汽车发展的瓶颈。准确预测电池 剩余电量( s o c ) 以及实现电池组的均衡充放电，延长电池的使用寿命是电 动汽车电池管理系统需要解决的问题。对动力电池组实施有效监测和管理， 对于解决上述问题具有重要的意义，可有效推动电动汽车的实用化、产业化 发展。 课题针对磷酸铁锂动力电池的特点，开发了一套电池管理系统试验台。 该试验台由控制模块、采集模块和工控机组成，可实现对电池组各单体电池 电压、测点温度以及电池组总电压、总电流的监测、采集和数据处理。此外， 该电池管理试验台还可通过功率输出放大电路、开关量输入调理电路，实现 充电机、温控设备的控制以及接收外部状态信号等功能，使电池管理试验台 的功能更为完善。 课题对电池管理试验台的功能及工作可靠性进行了实验验证。使用充电 机和放电仪分别以不同电流对动力电池组进行了充放电实验，对电池组的总 电压和各单体电池电压进行了实时监测，分析了在相同的剩余电量( s o c ) 下，充放电电流大小对电池电压的影响。使用电流积分法对s o c 的变化量 进行估算，针对实验采集的一段电流曲线，在不同采样频率和采样精度下对 其计算准确性进行研究，为电池管理系统s o c 估算的实际应用提供依据。 课题还分析了由于单体电池的不一致性对电池组可放出电量的影响。 在使用电池管理试验台对电池运行数据进行监测的过程中，电池组的各 单体电池在充放电时的电压存在不一致性，说明电池组串联使用时存在不均 衡现象。动力电池组不均衡性的危害很大，它不仅降低了电池组的使用效率， 而且会缩短循环使用寿命。为解决电池组的不均衡性，人们对均衡充放电的 各种方法开展了研究，但目前大多都处于理论分析阶段。本课题采用 m a t l a b s i m u l i n k 搭建动力电池模型和部分均衡充放电电路模型，利用此 模型对均衡充放电进行仿真，将各种均衡方法的仿真结果进行对比，分析各 自的优缺点，为均衡充放电电路的实际应用提供理论依据。 山东大学硕十学位论文 关键词：电动汽车；电池管理系统；s o c ；均衡充放电；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed u a l a d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， e l e c t r i cv e h i c l e sa r ed e v e l o p i n gr a p i d l yw o r l d w i d ei nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi s ab o t t l e n e c kr e s t r i c t i o nt oe l e c t r i cv e h i c l e s d e v e l o p m e n t e l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mn e c e s s a r i l ys o l v e s p r o b l e m so ns t a t eo fc h a r g e ( s o c ) e s t i m a t i o n ，b a l a n c e dc h a r g ea n dd i s c h a r g e a c h i e v e m e n ta n dp r o l o n g i n gb a t t e r yl i f e s p a n t h ee f f e c t i v em o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n to fb a t t e r yp a c kf o rs o l v i n gp r o b l e m sf o r e n a m e dh a v ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp r o m o t et h e p r a c t i c a l i t ya n dc o m m e r c i a l i z a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e s a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h el i t h i u mi r o np h o s p h a t eb a t t e r y ，ab a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mt e s t i n gp l a t f o r m i s d e s i g n e dt o d e t e c ta n dp r o c e s st h e b a t t e r yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h em o d u l ev o l t a g e ，t e m p e r a t u r e ，t h e p a c kv o l t a g ea n dc u r r e n t i na d d i t i o n ，t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mt e s t i n g p l a t f o r m h a sm o r ep e r f e c tf u n c t i o n s ，r e a l i z a t i o no fb a t t e r y c h a r g e ra n d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n ga n ds t a t u ss i g n a l sr e c e i v i n gb yr e l a yc o n t r o l l i n ga n d d i g i t a li n p u ts i g n a lc o n d i t i o n i n g t h ef u n c t i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h et e s t i n gp l a t f o r ma r ev a l i d a t e d c h a r g ea n d d i s c h a r g ee x p e r i m e n t s a r ec o n d u c t e da td i f f e r e n tc u r r e n t u s i n gc h a r g e ra n d d i s c h a r g ei n s t r u m e n t ，t h er e a l - t i m em o n i t o r i n go fm o d u l ev o l t a g ea n dt h ep a c k v o l t a g ei sc a r r i e do na n dt h ee f f e c to fc u r r e n tt ot h eb a t t e r yv o l t a g ei nt h es a m e s o ci s a n a l y z e d t h ec u r r e n ti n t e g r a t i o nm e t h o di s t oe s t i m a t et h es o c v a r i a b l e ，f o rc a l c u l a t i o na c c u r a c yo fs o cw i t hd i f f e r e n ts a m p l i n gf r e q u e n c ya n d a c c u r a c yt ot h ec u r r e n te x p e r i m e n t a lc u r v e sc o l l e c t e di ss t u d i e dt op r o v i d et h e b a s i sf o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o ft h e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ms o c e s t i m a t i o n p r o j e c ta l s oa n a l y z e dt h ei n c o n s i s t e n c i e si nt h es i n g l ec e l lb a t t e r y p a c kc o u l db er e l e a s e do nt h ei m p a c to fe l e c t r i c i t y t h ei m b a l a n c eo fb a t t e r yp a c k si ns e r i e su s i n ge x i s t s ，w h i c hi sv a l i d a t e d w i t ht h ei n c o n s i s t e n c i e so fm o d u l ev o l t a g em o n i t o r e db yt h et e s t i n gp l a t f o r m i i i 山东大学硕十学佗论文 d u r i n gt h eb a t t e r yc h a r g eo rd i s c h a r g ep r o c e s s b a t t e r yi m b a l a n c ei sh a r m f u lt o t h eb a t t e r yp a c k ，w h i c hn o to n l yr e d u c e st h eb a t t e r yp a c ke f f i c i e n c y ，b u ta l s o w i l ls h o r t e ni t sl i f ec y c l e t os o l v et h ei m b a l a n c eo ft h eb a t t e r yp a c k ，v a r i o u s m e t h o d so fb a l a n c e dc h a r g ea n dd i s c h a r g ea r ec a r r i e do u t ，b u tm o s t l yi nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sp h a s e b ym o d e lb u i l d i n go fb a t t e r ya n db a l a n c e dm o d e l u s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，t h ec h a r g ea n dd i s c h a r g ei ss i m u l a t e d v a r i e t i e so f c h a r g ea n dd i s c h a r g es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e da n dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e dt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ；s o c ；b a t t e r y c h a r g e d i s c h a r g eb a l a n c i n g ；s i m u l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 我国是一个能源短缺的国家，特别是石油资源非常匮乏，有关资料显示， 2 0 1 0 年中国的石油对外依存度已经超过了5 0 。这不仅制约了我国的经济 发展，还严重威胁到我国的能源安全。在我国的石油消耗中，机动车燃油消 耗量大约占到三分之一，并且随着汽车保有量的不断增长，这一比例还将进 一步上升。此外，传统燃料汽车在使用中会产生多种有害气体，造成环境污 染，影响人们的健康，特别是在我国的大中城市，汽车排放的污染物已成为 城市大气污染的首要因素，汽车节能减排已经刻不容缓。基于此，我国加大 了对新能源汽车研发的支持力度，相继启动了一系列新能源汽车的研发计 划。通过汽车产业调整振兴规划，实施新能源汽车发展战略，以新能源汽车 为突破口，加大投入，加强关键技术的自主创新，全面提升我国在新能源汽 车领域的核心竞争力1 1 】。 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，或使用常规的车 用燃料而采用新型车载动力装置，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技 术，形成技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车主要包括 电动汽车、气体燃料汽车、两用燃料汽车以及利用太阳能、原子能等能量形 式驱动的汽车。 电动汽车以电池为储能单元，以电动机为驱动系统，其整车结构如图1 1 所示。电动汽车因其结构相对简单，生产工艺相对成熟，没有排放污染，热 辐射低，噪声低等诸多优点 1 】【2 1 ，近年来得到了快速发展。 j j 东大学硕十学位论文 图1 1 电动汽车整车结构图 动力电池是电动汽车的动力来源，是与电机、电控系统并列的电动汽车 关键技术之一。电动汽车所使用的动力电池要求比能量高、比功率大、使用 寿命长且价格适中。目前，制约动力电池应用的因素是电池能量密度低、电 池重量大、续驶里程短、价格高、循环寿命短等。 动力电池在使用过程中如果存在过充、过放、高低温状态下应用等情况， 会使电池寿命缩短以致损坏。如果车辆发生碰撞，出现过度挤压，还有可能 会导致着火、爆炸等事件，因此安全性、可靠性等成为动力电池大规模应用 的主要障碍。电池管理系统作为电池保护和管理的核心部件，应确保电池工 作在合理的状态下，从而保证电池安全可靠使用、充分发挥电池性能和延长 使用寿命1 3 】。 1 2 电动汽车电池管理系统简介 在使用电动汽车动力电池时，为保证电池的使用安全以及提高电池能量 的使用效率，就要确保动力电池工作在合理的电压、电流、温度范围内，因 此必须准确监测其在运行时的状态参数并实施有效的管理和保护。 电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，b m s ) 的构成如图1 2 所 示，其功能主要包括电池运行状态监测、数据显示与存储、状态估计、热管 2 第一章绪论 理、通讯、安全保护、均衡充放电和故障诊断。其中电池运行状态监测是电 池管理系统的最基本功能，需要采集单体电池电压、电池组环境温度，电池 组的总电压和工作电流等数据。数据显示与存储是将采集到的电池数据进行 显示并将s o c 等数据进行存储，作为相关人员对电池更换、充放电的决策 依据。状态估计包括剩余电量s o c 估计( s o c 的详细介绍见4 3 节) 和电 池健康状态s o h 估计，目前的电池管理系统都实现了s o c 估计功能，但准 确性有待进一步提高。热管理的作用是对电池使用时的温度状态进行监测， 对温度进行调节，保证电池组处于合理的工作温度范围。电池管理系统通过 c a n 通讯、l i n 通讯、r s 4 8 5 或r s 2 3 2 串口通讯向整车控制器或电机控制 器传递电池状态信息。安全保护指电池管理系统在电池组运行时的监测数据 超出设定的安全范围时，给予即时报警并采取有效防护措施。均衡充放电可 以提高电池组的整体容量，延长电池的使用寿命。故障诊断是使用相关技术 及时发现电池组内出现故障的单体或模块1 4 母】。 厂一一一。一一。一一。1 ； e c u il a d 中 - _ 信号 接 央 词i 执 。赫盘 i 。一-调理 口 )处蝓i i - ， 行 一电i 1 茧1 电 一充e ：一 电路 电 理 - j 路 路 器 可 通信接口 r 钢刍 企 二n 冶 u 图1 2 电池管理系统构成 1 3 电池管理系统研究现状 理 均衡 器 车用动力电池是制约电动汽车发展的主要因素。目前，在电动汽车上普 遍使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等，虽然电池种类较多， 性能也在不断提高，但距离电动车的使用要求仍存在一定差距，主要原因包 括能量密度低；快速充电接受能力差，充电时间长；电池组价格过高；使用 寿命短等问题。图1 3 所示为目前不同种类动力电池的性能比较10 1 。 山东大学硕十学位论文 4 0 3 5 0 0 旦3 0 0 0 乞2 5 警2 0 0 0 糌1 5 0 0 督 。1 0 0 0 o 弼一酾 鍪曩霞 5 0 o o1 5 02 0 0 能量密度( w t l ，k g ) 图卜3 动力电池性能比较 当前电池管理系统存在的主要问题是对剩余电量( s o c ) 预测的准确性 不高；不能很好的判断电池组中各单体电池的性能差异，并以此做出均衡充 放电和电池是否损坏的判断。 1 3 1 国外电池管理系统研究现状 国外电动汽车电池管理系统的研究起步早，已经形成了较为完备的技术 体系。其中美国、德国、日本等汽车工业发达的国家在电动汽车电池管理方 面的技术已经走在世界前列。 美国通用汽车公司研制出了智能电池模块电池管理系统( s b m ) ，其原 理是在每个电池模块中装入一个微控制器，和电池模块组成智能电池模块， 多个智能电池模块再与一个主控制器相连，构成基于智能电池模块的电池管 理系统。该系统可实现对单体电池的实时监测并实现模块内的电池均衡等功 能【1 1 】。通用汽车公司推出的e v l 电动汽车由2 6 块电池供电，其电池管理系 统由电池模块、软件b p m ( b a t t e r yp a c km o d u l e ) 、电池组热管理系统、断 电保护装置四个组成部分。当电池放电深度为8 0 时，寿命可达4 5 0 个放电 周期1 1 2 。 德国西门子公司研制的新型电池管理系统在电动汽车充电时能根据不 同电池充电特性，控制充电器对电池进行优化充电，同时对电池的运行状态 进行跟踪监测1 1 3 。 韩国先进工业研究所研制的用于d e v 5 5 电动汽车的电池管理系统是一 4 第一章绪论 种比较典型的电池管理系统，其主要功能有：数据采集、优化充电、s o c 估 计与显示、热管理、安全管理、能量管理、电池管理和故障诊断功能。另外 还增加了与电机控制器的数据通讯，实现能量制动反馈和功率控制【1 4 】。日本 本田公司的电池管理系统包括管理模块、车载充电器、惯性控制开关、高压 系统安全监测装置等。该系统可根据电池状态控制车载充电器的充电过程， 当电池组高压端与车体有接触或汽车发生碰撞时，管理系统发出报警信号并 切断电源，保证人员安全【15 1 。 1 3 2 国内电池管理系统研究现状【1 0 1 z 6 】 我国电动汽车行业的发展经历了三个阶段：2 0 世纪6 0 年代到2 0 0 0 年的 萌芽阶段，“八五”期间国家将电动汽车列入国家科技攻关计划，“九五 期 间，列入国家重大科技产业工程项目；2 0 0 1 2 0 0 7 年的研发培育阶段，国家 8 6 3 计划电动汽车重大专项启动实施，电动汽车技术取得重要进展；2 0 0 7 年 以后的电动汽车产业培育阶段，一批自主创新电动汽车相继上市，形成了具 有我国自主知识产权的电动汽车产业。 在国家8 6 3 计划的第一批电动汽车科研课题中，列入了北京理工大学承 担的e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公 司承担的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理 模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池汽车用高功率型锂离子动力电 池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂 离子电池及其管理模块等课题。 电池管理系统作为电动汽车的关键技术之一，受到世界各国的重视，近 年来发展很快，在很多领域都已经进入实际应用阶段，但在某些技术方面还 不是很成熟，比如：电池状态的非线性变化导致剩余电量( s o c ) 预测精度 低，成组使用的大量单体电池的不均衡性加剧了预测精度的不准确性；电池 及其管理系统的安全性问题，例如避免高电压和高电流的泄漏对人体造成的 伤害，以及在冲撞、高温情况下发生的电池爆炸的预防等，还需要进一步的 实验研究。 1 4 论文研究内容 课题以动力电池组管理试验台为研究对象，在国家高技术发展计划( 8 6 3 l l j 东大学硕士学位论文 计划) 济南市车辆运行工况下新能源汽车适配技术考核与数据采集研究的支 持下，进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 在参考国内外电池管理系统理论研究的最新成果，以及近年来国 内一些厂家生产的电池管理系统的功能和结构的基础上，开发了电池管理系 统试验台。该试验台由工控机、采集模块、控制模块和动力电池组等部分组 成，各部分之间通过r s 2 3 2 及r s 4 8 5 进行通讯。可对一百块单体电池电压、 十个测点的温度以及电池组总电压、总电流进行监测采集；对采集到的电池 数据进行显示、存储和分析。 ( 2 ) 课题针对磷酸铁锂动力电池组进行了一系列充放电实验，对自行 开发的电池管理试验台的基本功能和工作可靠性进行了验证，研究了电池组 及其单体电池在以不同电流进行充放电时，电压与剩余电量的对应关系。针 对电流积分法，用v c 编写了上位机计算程序，分析了采样频率和采样精度 对电流积分法计算准确性的影响关系。 ( 3 ) 对电池组的不均衡性及部分充放电均衡电路进行了仿真研究，应 用m a t l a b s i m u l i n k 建模软件，针对耗散式均衡法、集中式有源均衡法、 电容能量均衡法搭建了模拟电路，对上述方法的充电效率及均衡效果进行了 仿真模拟和对比分析，为均衡充放电电路的实际应用提供理论依据。 6 第二章电池箭理试验台硬件设计 第二章电池管理试验台硬件介绍 本章介绍了电池管理试验台的硬件部分，分析了试验台控制模块和采集 模块硬件部分的原理和功能。 2 1 电池管理试验台的结构和功能 电池管理试验台由上位机和下位机组成。 上位机是一工控机，它通过串口接收下位机传送的电池状态信息，对下 位机采集到的电压、电流、温度等电池参数进行分析并进行显示，利用其强 大的运算功能，可对电池组剩余电量s o c 的算法进行研究。 下位机由控制模块和采集模块组成，其结构如图2 1 所示。 输出 c p l d 模拟量 单体 功率 模块 = = = = = 输入 电池 放大调理芒=电压 模块 = = = = = = it辱 模块 单片机 m c 9 s 0 8雨i 丽 - _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ 一 开关量 ： d z 6 0 c 司 输入 调理模块 飞。 下载调试 u 模块 串口通讯 电脑 显示器 继电器 i 充电器 m a x 4 8 5 l 鬻巳 l 模块i 一 翮 功率l 放大l 模块l 单片机 m c 9 s 0 8 d z 6 0 开关量 输入 调理模块 时钟日历 模块 妻拟j 输入 调理 模块 【采集 7 模块 j l 控制 ，模块 j 图2 ，1 电池管理系统总体结构图 采集模块可通过巡检方式采集十六块单体电池电压。留有四路开关量输 入通道用于对外界状态的识别。留有四路继电器控制通道用于控制充电器以 圜圆 山东大学硕七学位论文 及充放电回路，并对电池系统进行保护。留有四路温度传感器通道，每路可 根据需要并联接入多个温度传感器d s18 8 2 0 监测电池组各测点温度。 控制模块通过串口与各采集模块相连，接收采集模块上传的单体电池电 压、测点温度值，同时采集电池组的总电压和总电流，通过m a x 4 8 5 通讯 将电池状态信息传至上位机。控制模块也留有四路丌关最输入通道用于对外 界状态的识别。留有四路继电器控制通道用于控制充电器以及充放电回路， 并对电池系统进行保护。 电池管理试验台的工作流程为：采集模块对电池参数进行巡检并暂存， 当控制模块发出采集命令时，各采集模块依次将所存储的电池数据上传至控 制模块。控制模块完成对各采集模块数据接收后，一并上传至工控机，工控 机接受数据并进行处理、显示和存储。 2 2 采集模块硬件设计 图2 2 为采集模块的电路原理图及制版图。其包括微处理器模块、电源 模块、电压采集模块、温度采集模块、模拟量输入调理模块、丌关量输入调 理模块、功率驱动模块、通讯模块等部分。 图2 2 采集板原理图及制板图 2 2 1 微处理器模块 系统采用f r e e s c a l e 公司生产的m c 9 s 0 8 d z 6 0 系列单片机作为微处理器， 该芯片具有下列特点1 17 1 。 第二章电池管理试验台硬件设计 ( 1 ) 8 位h c s 0 8 中央处理器( c p u ) 。最高总线频率2 0 m h z ，单指令 周期，支持最多3 2 个中断复位源。 ( 2 ) 整个工作电压和温度范围内可读取、编程、擦除的f l a s h 存储器为 6 0 k 大小写，最大2 k 的e e p r o m 在线可编程内存，最大4 k 的随机存取内 存( r a m ) 。 ( 3 ) 省电模式。降低功耗的等待模式；超低功耗实时时钟中断，在运 行、等待和停止模式下均可操作。 ( 4 ) 系统保护。监视微控制器正常操作的看门狗( c o p ) 复位，带复 位和中断的低压检测电路，可选择的电压阀值；支持非法指令代码复位；支 持非法操作地址复位；支持f l a s h 块保护；支持时钟信号丢失保护。 ( 5 ) 外围设备。2 4 路a d 通道，1 2 位分辨率，2 5 u s 转换时间的a d ； 支持c a n 、s c i s p i 通讯；i i c 总线支持最高1 0 0 k b p s 的总线波特率；实时 时钟功能，内带低功耗振荡器( 1 k h z ) 。5 3 个通用输入输出( i o ) 管脚和1 个专用输入管脚。 微处理器模块电路如图2 3 所示。其中i ni o1 到i ni o4 为开关量输 入引脚；o u tc o n t r o l1 到o u tc o n t r o l4 为继电器控制输出引脚； t 1 到t 4 通过4 7 k 限流电阻可外接d s l 8 8 2 0 温度传感器；g l 、9 2 a 、9 2 b 接 c p l d 的使能端，a 0 到a 3 四路引脚可控制c p l d 的十六路输出；a d o 到 a d 7 为8 路数模转化通道。 9 山东人学硕士学位论文 微处理器模块 t 叫蕉蓦 tt 。| 。捌 l 上 叮“呵 上_ _ 上 图2 3 微处理器模块电路图 2 2 2 电源模块 电动车上的用电设备大多采用12 v 或2 4 v 电源供电，电源模块的作用 是将12 v 或2 4 v 转化为5 v 给电路板上各芯片供电，其原理如图2 4 所示。 为了防止外接电源极性接反，损坏d c d c 电源，利用二极管单向导通性， 在d c d c 电源输入端串接一个二极管d ，这样当电源极性反接，也不会损 坏电源模块。为防止电路板中元件短路，导致电流过大对其他元件产生破坏， 在二极管d 后面串联了白恢复保险丝，保护电路f 1 8 】。电容和极性电容并联 接入电源输入、输出端，对电源进行滤波，降低输入、输出电压纹波。指示 灯r 指示电源工作情况。 + 1 2 v ， g g n + 2 4 v 斟至至 v c ( c 岳”一 d c d c r0 r 甲乙审 ng n i 图2 4 电源模块原理图 2 。2 3 电压采集模块 电一k 采集模块由c p l d 电路、a q w 2 14 继电器、差分输入电路、模拟量 1 0 第二章电池管理试验台硬件设计 输入调理电路等部分组成。 c p l d ，即复杂可编程逻辑器件，属于数字电路的范畴，可以实现数字 电路的功能，如：编码器、译码器、选择器、触发器、锁存器、门电路、比 较器等，为数字系统的设计带来很大的灵活性。它具有高集成度、高速、高 可靠性等特点。同时c p l d 与各种微处理器相结合，利用其控制的灵活性对 电路进行实时修改，可实现各种复杂的数字逻辑控制f 1 9 】【2 们。 试验台使用x i l i n x 公司生产的c p l d 芯片x c 9 5 7 2 来实现译码器的功能。 x c 9 5 7 2 具有1 0 0 个引脚，由于有些引脚被电源、下载等功能所占用，剩余 的引脚最多可配置6 路输入通道来控制6 4 路输出，完成对6 4 块单体电池电 压的监测。考虑到电路板的尺寸、成本以及实验的方便性等因素，目前使用 4 个输入引脚来控制1 6 块单体电池电压的监测。 差分输入电路和模拟量输入调理电路如图2 5 所示，将所测单体电池的 正负极分别接入l m 3 5 8 芯片的i n + 和i n 端。r 1 、r 2 为输入限流电阻，r 4 、 r 5 为反馈电阻，其中可调电阻r 4 用于电压调零。电路中考虑模拟量过压保 护及输入滤波，设计了由电阻r 6 、电容c 和稳压二极管d 组成的有源一阶 低通滤波器，构成模拟量输入调理电路，根据输出信号频率要求，选择合适 的滤波参数。稳压二极管将输入电压限制在4 7 v 以内，防止输入电压过大 对单片机造成损坏。 i i n + 通道 图2 5 差分输入和模拟量输入调理电路原理图 电池管理试验台使用a q w 2 1 4 继电器控制单体电池正负端接入l m 3 5 8 芯片的正负端。a q w 2 1 4 继电器是高性能和经济性兼备的半导体继电器，其 原理和接线图如图2 - 6 所示。将引脚1 接5 v 电源，2 脚和3 脚相连，4 脚经 限流电阻r 与x c 9 5 7 2 的输出引脚相接，5 8 引脚分别接l m 3 5 8 的i n 、电 池极、l m 3 5 8 的i n + 、电池+ 极，当x c 9 5 7 2 的输出引脚为高电平时，电池 【l j 尔大学硕十学位论文 正负极与l m 3 5 8 正负端断开；当x c 9 5 7 2 输出引脚为低电平时，继电器输 出端导通，电池两端接入l m 3 5 8 的i n + 和i n 端。 v c e c p i d 输出引脚 日亘 抄u 亘 h 日巨j l 巨 电池+ 极 运放i n + 电池- 极 运放i n - 图2 - 6a q w 2 1 4 原理及接线图 a q w 2 1 4 的主要技术参数如表2 1 所示。电池组为1 0 0 块单体电压串联， 总电压可达3 4 0 v 左右，为防止使用或电池连接过程中发生故障，提高系统 的可靠性和安全性，选择的继电器要有较高的负载电压。a q w 2 14 的负载电 压可达4 0 0 v ，有较高的安全系数；由于a q w 2 1 4 导通时本身存在电阻，导 致单体电压经过a q w 2 1 4 接入差分运放电路时存在一定的压降，在实际使 用时要测量出实际压降的数值并在软件程序中加以修正。 表2 1a q w 2 1 4 的主要技术参数 参数种类参数值 负载电压 连续负载电流 导通电阻 动作时间 使用环境温度 4 0 0 v o 1 a 3 0 q ( 典型) 5 0 q ( 最大) 3 1 0 u s ( 典型) 5 0 0u s ( 最大) 4 0 到+ 8 0 采集模块对单体电池电压采取巡检的方式，即把每块单体电池的正负端 依次接入到差分输入的i n + 和i n 引脚来采集电压，原理如图2 7 所示。一 个采集模块管理b l 到b 1 6 共1 6 块单体电池，开关s 用的是a q w 2 1 4 继电 器。巡检的过程为：首先检测单体电池b 1 ，继电器开关s 1 导通，其他开关 均断开，b 1 两端导线接通，将电池b 1 正极接入差分电路总线的“+ 端， 负极接入差分电路总线的“”端，经过延时，待开关动作稳定后，起动a d 对b 1 单体电压进行采集。以此类推，直到继电器开关s 1 6 导通，采集b 1 6 的单体电压，完成对电池组的电压巡检。 1 2 第二章电池管理试验台硬件设计 b 1 6 b 4 b 3b 2 b 1 1 。 一。i + 。io l - li 一。+一。j 一。+ - r 1 ，1 s ，6 q 。 、： 、s 4 ：s ! 、s 3 ：s 2 ：燃、s l ：n 。j -j ； l ， jj + 一 - i - 差分输入 图2 - 7 单体电压巡检原理图 图2 7 中的开关s ，利用可编程逻辑控制器x c 9 5 7 2 和a q w 2 1 4 继电器 实现，如图2 8 所示，通过x c 9 5 7 2 控制a q w 2 1 4 继电器的通断。配置4 个 引脚与单片机i o 口相连，作为输入控制信号，译码后的1 6 路输出引脚分 别控制1 6 个a q w 2 1 4 继电器，从而将电池组单体电池的电压依次接入差分 电路输入端。 1 3 山东大学硕+ 学位论文 图2 8c p l d 控制原理图 2 2 4 功率驱动模块 驱动控制电池充电器和电池温控设备的继电器需要较大的工作电流，而 单片机不能提供相应的电流，因此采用了继电器专用驱动芯片m c l 4 13 控制 继电器工作。该芯片是高耐压、大电流达林顿阵列反相驱动器，包含七个硅 n p n 达林顿管，具有集成度高、静态功耗电流低、工作电压范围宽及抗干扰 能力强等优点。m c l4 1 3 的每一对达林顿管都串联一个2 7 k 的基极电阻， 在5 v 的工作电压下能与t t l 和c m o s 电路直接连接，其工作电压高，工 作电流大，每个输出端能够提供5 0 0 m a 的负载电流，在关态时能够承受5 0 v 的电压1 2 。功率驱动模块原理如图2 - 9 所示，电路中r 为限流电阻，d 为续 流二极管，用来吸收继电器吸合、关断时产生的瞬时高压。 1 4 第一：章电池管理试验台硬件设计 图2 - 9 输 i j 功率放人电路原理图 2 2 5 开关量输入调理模块 开关量输入调理电路原理图如图2 10 所示，d 为发光二极管，显示开关 量的输入状态，r 为限流电阻。输入端与外部状态信号相连，输出端与单片 机i o 口相连，通过光隔t l p 5 21 4 将输入与输出分隔，在抗干扰的同时也 防止了输入的开关量信号超出单片机的耐压范围。 图2 1 0 开关量输入调理电路原理图 2 2 6 温度采集模块 采用d s18 8 2 0 单总线数字温度计芯片，从该芯片到单片机只需连接一 条线来完成读、写、温度变换，可提供9 位温度读数。当d s18 8 2 0 单独使 用时，电源可由数据线本身提供，不需要外部电源；当多个d s18 8 2 0 串联 使用时，如图2 1 1 所示，需要在v d d 引脚接5 v 电源。每个芯片内有一个 6 4 位的r o m ，其中存有器件自身的序列号，作为器件独有的i d 码，因此 多个d s18 8 2 0 可以存在于同一条单总线卜。d s18 8 2 0 的测量范围是一5 5 。至 1 2 5 。，测量精度o 5 ，满足测量电池温度的要求 2 2 11 2 3 11 2 4 。 山东人学倾 j 学位论文 图2 1 l 温度传感器d s l8 8 2 0 连接图 电池管理试验台采集模块实物图如图2 12 所示。 幽2 1 2 电池管理实验台采集模块实物图 2 3 控制模块硬件电路设计 图2 13 为控制模块的电路原理图及制版图。控制模块包括微处理器模 块、电源模块、时钟模块、存储器模块、模拟量输入调理模块、，f ：关量输入 调理模块、功：簪驱动模块、通讯模块等部分。 1 6 第二章电池管理试验台硬件设计 一崮，冉l 曲p 一- - g 一专内曝归；。泸可 ，睁一可耳可 2 3 1 时钟模块 实时时钟日历电路以8 5 6 3 t 作为核心芯片。8 5 6 3 t 是一款内置1 2 c 总线 接口、功耗极低的工业级多功能时针，日历器件，广泛应用于具有计时功能 的控制系统i ”j 。时钟电路原理如图2 1 4 所示，芯片采用3 2 7 6 8 k h z 晶振频 率，其匹配电容值为3 0 p f 。单片机通过1 2 c 总线为8 5 6 3 t 提供时钟信号和 数据信号，s d a 和s c l 分别为1 2 c 总线的数据线和时钟线，均通过4 7 k 上 拉电阻与电源相连，在总线窄闲时均为高电平。所有连接到1 2 c 总线上的器 件都通过这两条线挂接在总线卜，每个器件都有唯一的地址。为保证芯片在 掉电后能正常工作，在v d d 引脚处增加一块3 v 的纽扣电池。二极管d 3 、 d 4 的作用是电源反接保护，c 6 、c 7 为滤波电容。 山东大学硕士学位论文 ! i i 1 1 1 。i i i 鼍曼皇曼曼曼詈曼暑詈毫! 皇皇曼曼曼暑曼曼! 曼曼皇! 曼曼曼曼曼鼍詈皇 图2 1 4 时钟电路原理图 2 3 2 模拟量输入调理模块 控制模块需要采集电池组的总电流。电路连接图如图2 1 5 所示，总电 流测量使用北京森社电子有限公司生产的c h b 5 0 0 s g 型霍尔电流传感器， 该传感器的测量范围为0 到5 0 0 a ，对应的输出电流范围为0 到l0 0 m a ，通 过外接一个电阻将输出电流值转化为电压值，经过模拟量输入调理电路将该 电压值送入单片机a d 通道进行采集。测出串联电阻r m 两端的电压v m ，则 实际电流i 可通过式2 1 计算。电阻r 6 、电容c 和稳压二极管d 组成模拟 量输入调理电路，稳压二极管将输入电压限制在4 7 v 以内，防止输入电压 过大对单片机造成损坏。 v m ， 血：堕 ( 2 1 ) 图2 1 5 霍尔电流传感器连接图 通道 第二章l 乜池管理试验台硬什设计 电池管理试验台控模块实物图如图2 16 所示。 蛩2 一1 6 电池管理系统控制板实物图 2 4 电池管理试验台通讯模块 电池管理试验台控制模块和采集模块之间通过串口进行通讯，控制模块 和工控机之问通过r s 一4 8 5 进行通讯。 2 4 1 串口通讯 由于是多个采集模块和一个控制模块进行通讯，当采集模块和控制模块 的t x d 和r x d 引脚直接相连时，为防止各个模块之间因工作电位不同而损 坏采集模块和控制模块，各模块之l 日j 1 3 采取了隔离措施。串口通讯电路如图 2 17 所示，使用光隔t l p 5 2 1 进行模块问的电气隔离。v c c1 和g n d l 分别 为采集模块的电源和地，v c c 2 和g n d 2 分别为控制模块的电源和地，电阻 r 为限流电阻。这样，将电路板之间的t x d 和r x d 分别隔离开。 1 9 v c c l 职d ( 发) 单片机 山东大学硕士学位论文 t l p 5 2 1 1 号r r 。i - - i v c c 2 0 r g n d 2 r x d ( 收) 单片机 t x d ( 发) 一4 i2 上u i g n 。d 2 采集模块 i 控制模块 一 图2 1 7 串口通讯电路设计原理图 2 4 2r s - 4 8 5 通讯 r s 一4 8 5 通讯的抗外界电气干扰的能力更强，传输距离更远，因此在电 动汽车的电池管理系统与电机控制器或整车控制器的通讯中被广泛应用。 r s 4 8 5 通讯采用m a x4 8 5 芯片，该芯片一种是低功耗收发器，具有一 个驱动器和一个接收器。驱动器摆率不受限制，可以实现最高2 5 m b p s 的传 输速率，可通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，降低功耗；驱动器、 接收器输入具有失效保护特性，当输入为开路时，可以确保逻辑高电平输出。 r s 4 8 5 总线收发器采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力； 此外总线收发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，传输距离可达 千米。接线如图2 1 8 所示。 一一一一一一 一望 一v 2 只 tn丁 v 嘲歼2 再 t芏 v 4 一醚 一2 r j 4 一t u l 卜，峨蝤 一 一 广。，一。 一 _ l j _ 一 一 一 _ _ _ 土f 纠一l l幽器 第二章电池管理试验台硬件设计 君 ￥。： 曩0 謦 v 筑 l 刘 _ 1 o 图2 - 1 8m a x 4 8 5 接线图 为增强数据传送的可靠性，可在m a x 4 8 5 芯片的t x d 和r x d 引脚增加光 隔电路。 2 5 本章小结 本章首先对电池管理试验台的整体结构和功能做了简要说明，试验台中 工控机和控制模块之间采用r s 4 8 4 进行通讯，控制模块和采集模块之间采 用r s 2 3 2 进行通讯，数据监测部分和采集部分分开，防止相互干扰。然后 详细介绍了电池管理试验台采集模块和控制模块的硬件电路，包括微处理器 电