（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车智能充电站研究与开发.pdf

浙江大学博士后研究报告 摘要 随着电动汽车技术的日趋成熟，电动汽车商业运营已经在国内多 个城市开展，智能充电站系统成为电动汽车领域的重要课题。本文主 要通过电池管理系统与智能充电站的开发，对杭州市电动汽车示范运 行进行行驶工况测试、经济性能指标分析，达到推广电动汽车商业使 用的目的。研究内容主要包括： 电动汽车电池管理系统 分析了万向电动汽车有限公司所用锂离子动力电池的特性，在此 基础上根据电动汽车的使用要求提出了电池管理系统的控制策略，包 括放电控制策略、充电控制策略与停车控制策略。介绍了上位机与监 控模块的软、硬件设计，并对系统的性能测试结果进行分析。 电动汽车用智能充电机及智能充电站建设 根据电动汽车智能充电机的使用要求，介绍了智能充电机了软、 硬件设计，在充电机的控制策略与充电模式研究方面，提出了多段充 电模式来模拟快速充电的方法；构建了基于快换式电池组及电池管理 系统的智能充电站结构形式；对充电站电池配组设备进行了初步的介 绍，在分析了多种电池配组方法的基础上提出了一种在工程上可行电 池配组方案。 电动汽车示范运营试验研究 以国家8 6 3 项目“杭州市工况下电动汽车运行考核试验研究”为 背景，对智能充电站进行试验测试，同时，分析了电动汽车示范运营 的经济性能指标、运营模式，进行了电动汽车运行工况统计，为电动 l 浙江大学博士后研究报告 汽车的推广使用进行了初步的探索。 关键词：电动汽车，电池管理系统，充电站，示范运营 浙江大学博士后研究报告 a b s t r a c t w i t ht h ed e 、，e l o p m e mo ft e c h n i q u e so fe v s ，t h e i rc o m m e r c i a l o p e r a t i o nh a sb e e nr u ni ns e v e r a lc i t i e s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fi n t e l l i g e n t c h a r g i n gs t a t i o nf o re v sb e c o m e sav i t a lc o n t e n ta n di m p o r t a n to b j e c ti n t h i sr e s e a r c hf i e l d t h ep a p e rt e s t sa n da n a l y s i z e st h eo p e r a t i o ns t a t ea n d t h ep e r f o r m a n c eg u i d e l i n eo ft h ee v si nh a n g z h o u ，a i m st od e v e l o pt h e i r c o m m e r c i a lo p e r a t i o nt h r o u g hd e s i g n i n gt h ec h a r g em a n a g e m e n ts y s t e m a n di n t e l l i g e n tc h a r g i n gs t a t i o n t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mo fe v s t h ep a p e ra n a l y s e st h ef e a t u r e so fl i t h i u m - i o nb a t t e r yw h i c hu s e si n t h ew a n x i a n ge vc o ，l t d b a s e do nt h i ss t u d y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fe v sh a s b e e np o i n t e do u t ，w h i c hi n c l u d e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fd i s c h a r g e ，t h e c o n t r o ls t r a t e g yo fc h a r g ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fs h u td o w n t h e p a p e ri n t r o d u c e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h eu p p e rc o m p u t e ra n d m o n i t o r i n gm o d u l e s ，a n a l y s i z e st h es y s t e mp e r f o r m a n c et e s tr e s u l t s b u i l d i n go ft h ei n t e l l i g e n tc h a r g e ra n di n t e l l i g e n tc h a r g i n g s t a t i o nf o re v s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h e i n t e l l i g e n tc h a r g e ra c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n tc h a r g e rf o r e v sa n dp o i n t so u tt h em e t h o do fm u l t i s e c tc h a r g i n gm o d et os i m u l a t e t h ef a s tc h a r g eo nt h es t u d yo fi t sc o n t r o ls t r a t e g ya n dc h a r g i n gm o d e s ； i n 浙江大学博士后研究报告 c o n s t r u c t st h es n u c n l r f o r mo ft h ei n t e l l i g e n tc h a r g i n gs t a t i o nw h i c hi s b a s e do nf a s t - r e p l a c i n gb a t t e r yg r o u p sa n dt h eb a t t e r ym a n a g e rs y s t e m s ； a n da l s oi n t r o d u c e st h eb a t t e r yc o n t r i b u t i o ne q u i p m e n to ft h ec h a r g i n g s t a t i o nw h i c hi sar e a s o n a b l ec o n t r i b u t i o np r o j e c to nt h eb a s i so fs e v e r a l m a t c h i n ga n dg r o u p i n gm e t h o d so f b a t t e r y t h em o d e lo p e r a t i o no fe v s w i t ht h eb a c k g r o u n do f 8 6 3 p r o j e c tn a m e d “r e s e a r c ho fm o d e l o p e r a t i o na n dt e s to fe l e c t r i c a lv e h i c l ei nh a n g z h o u r t h ep a p e rt e s t s t h ei n t e l l i g e n tc h a r g i n gs t a t i o n ，a n a l y s i z e st h ep e r f o r m a n c eg u i d e l i n ea n d o p e r a t i o nm o d eo ft h em o d e lo p e r a t i o no ft h ee l e c t r o m o t i v ea u t o m o b i l e s ， r e c o r d st h e i ro p e r a t i o ns t a t e sa n de x p l o r e st h ed e v e l o p m e n to ft h ee v s k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lv e h i c l e ，b a t t e r ym a n a g e rs y s t e m ，c h a r g i n g s t a t i o n ，m o d e lo p e r a t i o n i v 浙江大学博士后研究报告 1 1 前言 第一章概述 我国石油资源十分短缺，人均占有的探明可采储量仅相当于世 界平均水平的7 7 ；同时，我国资源消耗过多，2 0 0 4 年，我国g d p 产出消耗的能源量是世界平均水平的3 3 6 倍，是美国的4 倍多，是 日、英、德、法等国的近8 倍，2 0 0 5 年，我国石油净进口1 3 6 亿吨， 占石油全部消费量的4 2 9 。在国际石油价格持续高涨的今天，传统 的交通工具汽车面临越来越大的使用压力，而以电动汽车为代表 的代用燃料汽车是人类解决这一危机的主要途径。在此形势下，世界 各国的汽车制造商都投入了大量资金开发电动汽车。进入二十世纪九 十年代以来，国际电动汽车的开发已逐步进入产业化初期阶段。 近年来，世界汽车界加快了纯电动、混合动力、燃料电池等清 洁能源车型开发的步伐，多种车型、多种能源方式的电动汽车已经投 入批量生产。其中法国有7 0 0 0 辆，日本有1 0 万辆电动汽车产品投放 市场，其它欧美国家生产数量平均在1 0 0 0 辆左右。据美国能源部预 测，从1 9 9 9 年到2 0 0 7 年世界电动汽车的销量将平均每年增长6 0 ， 到2 0 0 7 年的销量将达到1 0 1 万辆。 我国在“八五”、“九五”期间，都连续将电动汽车列为国家重大 科技攻关项目，“十五”期间，更是以产业化为目标，将电动汽车列 为“8 6 3 计划”重大专项，积极推广与探索电动汽车的示范运营。经 过近几年的技术攻关，在电动汽车一些关键技术上取得了阶段性的成 浙江大学博士后研究报告 果，以武汉、株洲、杭州等地为代表的电动汽车示范运营也已全面展 开。目前，我国与发达国家在电动汽车的研制水平相比虽有差距，但 较传统内燃汽车而言，差距相对较小。因此，以发展电动汽车为主攻 方向，是我国汽车工业实现跨越式发展，赶超发达国家汽车工业的机 遇。 万向集团自1 9 9 9 年开始启动电动汽车及其关键技术研发项目， 通过多年的技术攻关，集团在电动汽车动力电池、一体化电机、电控 系统等关键技术领域为进一步推进电动汽车产业化研制打下了较好 的基础。为此，万向集团电动汽车项目也被国家科技部列入了“十五” 8 6 3 电动汽车重大专项计划，2 0 0 4 年l o 月，杭州被列为国家电动汽 车示范运营城市，由万向电动汽车有限公司承担的8 6 3 重大专项“杭 州市工况下电动汽车运行考核试验研究”项目正式启动。为此，本文 针对此项目的主要研究内容，在电动汽车充电站的建设、示范运营试 验研究等方面开展研究工作。 1 2 课题来源及国家“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项简介 为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入w t o 后我国汽 车工业的竞争力，2 0 0 1 年9 月，中国科技部在“十五”期间的国家 “8 6 3 ”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。专项将从国家汽车 产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科 技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、 研四位一体的方式，联合进行攻关。计划在“十五”期间，促进我国 符合市场经济发展要求的研发体系、机制和人才队伍的形成，以电动 2 浙江大学博士后研究报告 汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、 系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代 电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。 电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。“三横”是 指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，“三纵”是指 电池、电机和控制系统的关键零部件。强调建立符合整车开发规律的 严密的整车开发程序，提出以整车开发为主导，关键零部件和相关材 料紧密结合、基础设施协调发展，政策法规、技术标准与评估技术同 步展开的基本方针，作为国内汽车科技项目的一个探索，以保证电动 汽车重大专项产品化和产业化目标的实现。该项目的运作强调创新： 要求各项目组成立科技公司，专门负责开发工作。不仅所参加的各法 人单位要入股，其中的主要研发人员也要入股，形成责任捆绑。目前 该项目的科研资金已经大大超过国家投入的近9 个亿，总共达到25 亿元以上。 本课题属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 电动汽车重大 专项的子项目“杭州市工况下电动汽车运行考核试验研究”( 课题编 号：2 0 0 5 a a 5 0 1 9 8 0 ) ，由万向电动汽车有限公司承担，项目主要研究 内容包括： ( 1 ) 研究杭州市工况下电动汽车运行维护体系建设规范( 充电站布 局、充电模式及充电设备的技术参数要求) ； ( 2 ) 完成基于快换式电池组的智能充电站信息系统的建设； ( 3 ) 完成一套车载测试系统的开发； ， 浙江大学博士后研究报告 ( 4 ) 完成车载信息平台的开发，完成车辆运行信息的采集、显示、 报警与传输； ( 5 ) 应用车载测试系统，对杭州市公交车进行行驶工况的统计及分 析研究； ( 6 ) 依托所开发的车载信息平台与车载测试系统，研究电动公交车 和电动出租车在杭州市工况下的运行参数和运行模式，对电动 汽车的设计及产品改进提供依据； ( 7 ) 完成电动汽车运营评价体系的建设，运营经济技术指标、可靠 性统计与分析，为电动汽车商业运营及产业化推广提供评价准 则； 1 3 电动汽车智能充电站的国内外现状和趋势 智能充电站的研究是与电动汽车产业化同步发展的，我国与西 欧、北美等发达国家基本上处于同一起跑线上。但在一些简易充电站 的建设上，北美等发达国家显然已经走在前头，譬如美国，由于政府 的鼓励与法律政策的扶持，电动汽车数量相对较多，通用汽车公司生 产的e v l 、日本丰田公司的r a v 4 e v 等已经在美国进入了家庭，在 其大多数城市内均已建立了多个简易充电站，包括非接触式充电站与 接线式充电站。其充电站一般建在一些大的停车场车位、公园、维修 站、以及汽车旅馆等地方，在城市地图与服务信息台可以很方便地查 到每个城市的充电站位置与充电站类型。这些充电站只是给电动汽车 4 浙江大学博士后研究报告 提供短时、快速的充电服务，具有智能收费系统，但是各充电站之间 是孤立的，没有统一的信息管理系统。 在我国，充电站的研究随着电动汽车示范运行的开展也已经开始 取得了一些突破性的进展。2 0 0 3 年8 月，天津市重大科技攻关项目 之的电动汽车示范充电站通过了有关专家的评审验收，这是天津市 首家电动汽车充电站。至2 0 0 4 年5 月，北京密云电动汽车示范运行 的充电站建设目前基本完毕，采用l l 台深圳强能电气有限公司生产 的3 0 k w 智能充电机组合而成。北京1 2 1 路电动公交车示范运行区 内的1 2 1 路公交总站充电站于2 0 0 4 年1 0 月完成建设，利用原电车的 6 0 0 v 直流电网提供充电站电源，其充电机可以进行联机运行。白天 电动汽车快速充电时可以采用三台充电机并联给一组电池提供大电 流、短时的电量补充，晚场采用一对一的正常充电，对电池组进行维 护保养。2 0 0 6 年6 月，比亚迪电动汽车在上海松江汽车研究院厂区 内部也建成一座与加油站类似的充电站，可以对充电量进行智能收 费，一次充电时间大约需要6 个小时。此外，在株洲、武汉等地区， 由于电动汽车示范运营的开展，都建立了不同规模的充电站。 总的来讲，国内在充电站的研究的已经展开，但目前仍然局限于 多台充电机的简单组合，在电动汽车动力电池组的快速充电与正常充 电的充电模式、充电参数的设置方面仍处于经验设置、摸索阶段，在 充电过程中电池的温度、绝缘、过充的报警和保护这些应用方面的研 究则有待深入。国内所开发的电动汽车充电站有些虽已投入运行，但 其综合性能指标并不太理想，进一步开发高效、高可靠性、高适应性 浙江大学博士后研究报告 和高通用性的智能充电站系统仍有大量研究工作需要深入开展。 1 4 电动汽车示范运营的意义 本项目作为杭州市电动汽车示范运行总体规划的核心部分，通过 构建电动汽车智能充电站，组织电动公交车和电动出租车的示范运 行，将推进杭州市“绿色城市”的建设，降低城市污染，促进旅游事 业的进一步发展。通过本项目的实施，一方面为电动汽车的产业化收 集必要的实际道路工况信息，为产业化车型的研制提供开发试验数 据；另一方面，本项目实施同时也是探索电动汽车社会服务支撑体系 的过程，通过智能充电站、车载测试系统的开发与建设，为电动汽车 的商业化应用提供必要的运行维护平台。 杭州电动汽车示范运行采取一定的商业性质具有非常突出的社 会效益。国内目前开展示范运行的城市，如北京、武汉、天津、威海 等，通过将各种形式的电动汽车投放市场参与商业运行，让社会各界 认识电动汽车、感受电动汽车给城市环境带来的变化，极大地调动了 地方政府和社会各阶层对电动汽车的认可程度，不同程度的掀起了乘 坐电动汽车、了解电动汽车、研究电动汽车的热潮，有力推动了当地 电动汽车产业化的进程。 杭州市作为国际著名的风景旅游城市，同时也是经济强市，市民 生活水平显著提高的同时也对城市居住生活环境的要求日益提高。电 动公交车的示范运行，能够让市民和国内外游客切身感受到零排放交 通工具对城市环境改善的贡献，社会效益非常明显。y 9 是环西湖线 浙江大学博士后研究报告 路，途径杭州市内众多交通千道，又是直接为西湖风景区游客服务， 是杭州市对外展示的窗口，这对提升杭州城市品位、展示生态城市的 作用也是比较大的。 电动公交车示范运行的社会效益还体现在对电动汽车这一新兴 产业的推动作用。电动公交车示范运行的根本目的是积累电动汽车商 业运行经验，探索电动汽车市内商业运行的模式，直接为电动汽车产 业化服务，通过与杭州市公交总公司合作进行电动公交车的示范运 行，能够为我公司积累电动公交车的运行经验，反馈信息有助于提升 电动汽车的设计开发能力，从而进一步推动电动汽车的产业化进程。 1 5 本文工作简介 第一章对国内外电动汽车充电站和电动汽车示范运营情况进行 分析与总结，对课题的来源与意义作出了简要的论述。 第二章对电动汽车电池管理系统进行分析与设计。根据锂离子 动力电池的充放电特性以及在电动汽车中的使用情况，提出了电池管 理系统的控制策略，并进行了电池管理系统的软、硬件设计，为电动 汽车充电站进行电池组串联充电构建了工程实施的基础。 第三章对电动汽车用智能充电机进行分析与设计。本章重点阐 述了智能充电机的软件设计与硬件开发，根据电动汽车的使用情况， 提出了多段控制的快速充电方法，总结了电池组充电参数的优化设 置。 第四章以本文第三章所设计的智能充电机为基础，构建了电动 汽车充电站。重点阐述了充电站上位机监控管理软件的开发，同时对 7 浙江大学博士后研究报告 充电站的电池配组设备单体电池充放电设备的开发进行了简单 的介绍。 第五章智能充电站的应用。以电动汽车充电站为基础，对电动 汽车示范运营模式、电动汽车运行工况道路测试进行了深入的研究。 介绍了8 6 3 计划电动汽车重大专项子课题“杭州市工况下电动汽车运 行考核试验研究”项目的实施过程和主要研发成果，并对电动汽车示 范运营的结果进行经济指标分析。 第六章对全文的工作进行了总结，提出了今后的工作方向。 1 6 本章小结 本章首先介绍了本文课题的来源，对国内外电动汽车的现状和发 展趋势进行了分析，并对电动汽车充电站技术现状和发展前景进行了 阐述，对开展电动汽车示范运营的意义进行了论述。在此基础上，本 章对本文所做的工作进行了介绍。由于本文所做的工作是8 6 3 计划电 动汽车重大专项的组成部分，因此本文对8 6 3 计划重大专项子课题 “杭州市电动汽车运行考核试验研究”也进行了必要的阐述。 浙江大学博士后研究报告 第二章电动汽车电池管理系统 可用于电动汽车的车载能源包括燃料电池、铅酸电池、锂离子动 力电池等多种能源形式，各种能源在能量密度和功率密度方面均具有 各自的特色，如图2 1 所示。与传统汽车相比，在能量密度与功率密 度基本相同的只有燃料电池，目前比较通用的是采用可再生能源的铅 酸电池、镍氢电池或锂离子动力电池。 功 窒 密 度 鼋 并 巴 能量密度( w h k g ) 图2 - 1 汽车各种能源的特点 万向电动汽车有限公司所开发的电动汽车全部采用锂离子动力 电池，锂离子动力电池具有较高的比能量密度与比功率，大大降低了 车载电池组的重量。但是，由于锂离子动力电池属于高新技术动力电 池，尚处于小批量制造生产过程之中，产品的一致性无法与沿用了一 百多年的铅酸动力电池相比，因此，为了保证多个单体电池串联使用 时电池的均衡性能，必须配置高性能的电池均衡管理系统，以保证使 o 浙江大学博士后研究报告 用的安全与提高电池组使用寿命。 2 1 锂离子动力电池特性 目前使用的电动汽车动力电池主要有铅酸电池、氢镍电池、锂离 子电池，主要电池性能对比如表2 - 1 和图2 - 2 所示： 表2 1 电池的性能比较表( 日本电动车辆协会资料) 匏越密墁 功率 种炎特点阔翘辩鹰 蓐鑫 成本 w h k 鹭 懈h ，1 啦，妇允琏土砍黢 密封功_ 哮镪墩太。i q能毓衙瞳低 3 5 8 00 川m 斟抑 低 锝i 艘帮性好。媲宜 功苹密腹犬，成奉、 巍镣 6 51 5 5 2 0 0 鬟辩l “1 0 较离 能翳辩鹰犬藩泓特牲 岛电 i t ，成本 钝离1 二 1 1 01 6 02 ( 5 0 0 锻离 磁能嚣街度 铀n 针d 嗍捌h 峰， 图2 - 2 几种电池性能特点的对比 万向电动汽车项目采用的是1 2 0 a h 聚合物锂离子动力电池，该电 池的外形如图2 3 所示，性能参数如下表3 2 所示： 1 0 ll_；参叠i嚣鍪。孟 浙江大学博士后研究报告 图3 - 3w x e v l 2 0 型聚合物锂离子动力电池 表2 2w x e v l 2 0 型聚合物锂离子动力电池性能参数 主要参数性能指标 外形尺寸( lx w xh ) 删 1 5 5x5 5x2 4 5 重量( k g ) 3 5 容量( a h ) 1 2 0 质量能量密度( w h k g ) 1 3 2 质量功率密度( w k g ) 2 6 8 体积能量密度( w h l ) 2 2 l 体积功率密度( w l ) 4 4 9 8 0 i ) o d 循环寿命( 年次) 2 5 0 0 工作环境温度( )- 3 0 6 5 图2 - 4 为国内一种单体1 2 0 a h 聚合物锂离子电池组的开路电压 随放电深度( d o d ) 的变化曲线。 v 幽 脚 潞 散 、，? 、 、 、 l 图2 4 锂离子池组d o d - - o c v 曲线 浙江大擘博士后研究报告 2 2 电池管理系统控制策略研究 万向纯电动轿车车载动力电池组采用8 4 块单体电池串联而成， 为了保证整个电池组在使用过程中每个单体电池基本均衡，如图2 1 ， 总体控制方案是采用分布式控制系统方案：每个单体电池配置一个监 控均衡板作为下位机，负责单体电池温度与电压的采集、均衡电流控 制、发送与接受上位机信号；整个电池管理系统配置一个上位机模块， 实现整个电池管理系统的控制策略、与下位机的通讯控制，并把下位 机发送过来的信号整合后通过c a n 通讯把相关参数、报警信号发送 到整车c a n 总线上。 图2 - 1 控制结构框图 在单体电池均衡的控制方案中，可以采用补充充电均衡方式与旁 路放电均衡方式。前者采用从总电压中通过d c d c 降压变换，给本 组中单体电压最低的少数几块电池进行补充充电，通过不断地循环检 浙江大学博士后研究报告 测与控制，最终达到整个电池组的均衡。该方案的缺点是d c d c 降 压变换模块成本较高导致整个电池管理系统成本较高，但对于大容量 的电池组为了提高能源利用效率，一般采用这种控制方案。旁路放电 均衡方式采用可控m o s 管与放电电阻组合，给本组中单体电池电压 最高的少数几块电池进行旁路放电，通过不断地循环检测与控制，最 终达到整个电池组的均衡。该方案的缺点是通过电阻放电直接消耗了 能源并且可能产生电池组密闭空间内部温度过高的弊端，降低了系统 效率，一般只用于小容量电池组在充电过程中的均衡控制，比如电动 自行车均衡管理系统，优点是简化了结构、降低了成本、提高了可靠 性。 万向电动汽车有限公司所开发电动汽车电池组容量较大，采用充 电均衡控制策略，根据电池组在使用过程中的特性与功能，电池管理 系统的控制策略分为充电控制模式、放电控制模式、停车控制模式。 2 2 1 放电控制策略 所谓放电控制策略，即是电池组在车辆正常行驶过程中输出电能 时电池管理系统的控制策略。电池组在充电完成后，即使整组电池非 常均衡，但是由于每个单体电池存在容量的差异、内阻与放电平台的 差异，随着电池组的逐步放电，单体电池的电压必然存在较大的差异， 为了保证电池的均衡性，按照以下原则进行控制： 1 检测各单体电池电压并排序； 2 找到电压最低的5 块电池，记下i d ； 浙江大学博士后研究报告 3 若上述5 块电池中的最高电压 4 2 v 单体过充关充电机、关单体模块、报警 单体电压 2 8 v 单体过放关单体模块、报警 电压超限 总电压 5 5 环境温度过高给出环境温度偏高报警 模块点名不答 p i c 死机、信号重复3 轮循检不答报警 线接触不良 故障通讯故障 校验失败 通讯干扰、协议重复3 轮循检不答报警 缺陷 1 6 浙江大学博士后研究报告 故障源故障描述故障细节原因措施 m e 死机 电源故障、软件显示仪表接收不到信号报警 模块停机 缺陷 v k 模块故障 硬件失效、p i c手工检查、更换( 如何判断? ) 死机 图2 - 7 故障诊断与处理策略 2 3 电池管理系统硬件设计 整个系统分为上位机、电池监控模块与充电均衡模块三个部分。 监控模块采集单体电池电压、温度。并将数据传送至上位机；上位机 收集来自下位机的数据，比较分析后做出对应决策，同时，采集电池 组总电流与总电压，每隔1 秒钟给整车c a n 总线输出电池组内最高 电池电压与编号、最低电池电压与编号、总电流、总电压，随机输出 过温报警信号、过压与欠压报警信号、通信中断报警信号。上位机 m c 模块与各单体电池的监控模块之间通过r s 4 8 5 通信实现信息交 流；上位机m c 模块通过c a n 总线接口，实现与其他系统的数据共 享。 ， 按照设计原则，在考虑系统功能设计时，无论是软件抑或是硬件， 我们尽可能地将功能模块化。概括地说来主要包括以下几部分： 夺电压、温度的采集。主要通过下位机监控模块的a d 端口实 现。 夺下位机监控模块输出的单体电池电压、温度数据及命令传送， 考虑到车上干扰，使用了抗干扰性较好的r s 4 8 5 通讯方式。 夺均衡功能，为了对电池进行有效均衡，使用了高效率的d c d c 智能功率转换模块，由上位机m c 综合总个电池组内各单 l ， 浙江大学博士后研究报告 体电池电压，给本组内电压最低的1 0 个单体电池监控模块输 出均衡控制指令，再由监控模块给均衡模块发出均衡控制信 号，启动均衡功能。在车载运行模式下，由于均衡模块并没 有直接安装在车上，因此虽然监控模块收到了均衡指令并且 也发出了均衡控制信号，但实际上并没有对电池组进行均衡， 而只是监控；在停车充电时，均衡模块直接挂接在监控模块 上，均衡模块一旦收到监控模块的控制信号，立即启动均衡 功能。 夺数据共享功能，为实现将电池的状态如实反映出来，必须将 数据传送给其余系统，针对传送的数据量大，现场干扰重、 数据要求实时性好等条件，选择使用c a n 通讯实现系统之间 的沟通。 夺设计过程还考虑了工程安装问题。比如四芯通信线缆接插件 的连接方式，为了保证通讯的可靠、减少供电电源的线路损 耗，设计时采用了1 4 芯的扁平线，信号线采用双根，电源线 采用5 根。 下位机使用m c u 实现，对m c u 必须具备以下硬件接口： 夺2 个a d 端口，实现电压、温度的采集。 夺1 个r s 2 3 2 口，实现与上位机的数据采集。 夺1 个硬件编址口。 均衡模块控制及状态显示要使用的多个i o 端口。 考虑m c u 抗干扰性的性能、价格、供货，选择了美国微星公司 浙江大擘博士后研究报告 p i c l 6 f 8 7 0 单片机，其功耗也小。 均衡功能使用了高效的d c d c 功率转换模块，有智能控制功能。 上位机使用的是p i c l 8 f 2 5 8 单片机，具有功耗小，内部资源丰富， 可以满足系统的各项功能，而且还扩展的余地。 以上是系统中使用的主要器件，这些直接与系统稳定性、可靠性 相关，在选择时比较慎重。 2 3 1 监控模块硬件设计 监控模块原理图： 图2 8 监控模块原理图 监控模块的微处理器采用p i c l 6 f 8 7 0 单片机，可以满足系统的全 部功能需求。 控制芯片的a d 采样电压基准由稳压二极管d l 提供2 5 v 电压， 稳压精度为o 5 ，单体电池电压范围一般为2 5 v ，o 2 5 v ，经过r l 浙江大学博士后研究报告 与r 2 串联分压后，输入到单片机a n 0 端口，进行a d 采样，r i 与 r 2 为i k q 的阻值，精度为0 1 ，单片机a d 采用精度为1 0 位，精度 约为0 1 ，这样，保证了单体电池电压的a d 采样精度控制在0 7 ， 计算方法为： n = l - ( 1 0 5 ) 木( 1 - 0 1 ) 木( 1 0 1 ) = 0 7 因此可能存在单体电池电压测量的绝对误差小于0 0 3 v 。从前面 的计算中可以看出，影响电压测量精度的主要因素是电压基准的精 度，即稳压二极管的精度，本项目中选用l m 3 8 5 - - 2 5 的稳压二极管 主要是从产品的成本与满足产品性能要求的前提下进行考虑的，如果 需要进一步提高电压测量的精度，可以选用精度更高的电压基准芯 片，但是成本也会提高。 单体电池温度的测量通过温度传感器l m 3 5 进行检测。温度传感 器l m 3 5 的测量精度为1 0 v 度，传感器输出的电压直接输入到单片 机a n l 口，进行a d 采样，温度传感器在室温的情况下，测量的绝 对误差小于1 4 度。根据产品的正常使用要求( 温度低于8 4 度) ，因 此在a d 采样的1 0 位数据中高两位总是为0 ，实际有效的数据只有8 位。同时为了压缩监控模块与上位机m c 模块的数据通讯量，使得单 体电池的电压与温度能够在一帧数据帧里发送，而整个系统对温度的 精度要求较低，对单片机a d 采集到的8 位有效的温度数据简化为6 位的温度数据( 舍去低两位数据) ，使得温度数据传输到上位机时的 绝对误差增大到l 度。有关温度数据传输的编码与解码将在后面的软 件说明中进行详细的论述。 浙江大学博士后研究报告 监控模块的单片机时钟系统是通过外接晶体振荡器来完成的。晶 体振荡器选用1 1 0 5 9 2 m 的频率起振，在起振电容的设计上，一般推 荐使用1 5 p f 3 3 p f ，本项目中经过多次可靠性的性能试验，c 6 与 c 7 的容值取为1 5 p f 。 监控模块的复位电路可以直接接v c c ，本项目中为了调试方便， 选用了带复位按钮的复位电路，电阻r 8 、r 1 4 与电容c 9 的选择直接 影响单片机复位脚在系统上电瞬间的电压上升斜率，本项目中，r 8 选用1 0 k 电阻，r 1 4 选用i k 电阻，c 9 选用1 u f 电容；二极管d 2 用来吸收系统复位时c 9 上面的浪涌电流。 八位单体电池编码线路对应单片机上r b 0 r b 7 八个i o 接口， 编码电路采用1 0 k 的9 端口的排阻进行弱上拉，通过对8 位编码地 址进行编码，可以得到每个单体电池的编号。 监控模块的4 8 5 通讯端口为单片机的1 7 、1 8 引脚，通过光电隔 离器件p c 8 1 7 进行隔离。4 8 5 通讯控制芯片为m a x l 4 8 7 ( 或3 0 8 2 ) 的电源通过4 芯通讯电缆线上取电；p i c 单片机与其余器件的电源通 过d c - d c 与通讯电源进行隔离。 2 3 2 均衡单元 均衡模块原理图： 浙江大学博士后研究报告 图2 - 9 均衡模块原理图 2 3 3 智能管理单元 j 上位机生l 原理图： 图2 1 0 上位机控制模块原理图 浙江大擘博士后研究报告 2 4 电池管理系统软件设计 2 4 1 软件总体设计 本项目所开发的电池管理系统分三个阶段进行开发与验收，最终 产品w x b m s 3 型电池管理系统必须具有如下功能： 令电池组均衡充电功能，当电池组充电时，上位机m c 根据所 监控到的各单体电池电压自动选出本组电池中电压最低的1 0 块单体电池，同时给均衡模块输出均衡信号，启动充电均衡 功能，均衡充电电流1 0 a 。 单体电池电压监测功能，当电压小于3 v 时，输出欠压报警信 号；当单体电池电压大于4 2 5 v 时，输出过压报警信号。 夺单体电池温度监测功能，当温度大于6 5 时，输出过温报警 信号。 夺监控模块通讯中断报警功能，当上位机m c 检测到单体电池 l 的监控模块的通氓中断时，输出通信中断报警信号。 对于上述的报警信号，在故障消除以后就自动解除，对于上 述的电路切断信号，要保持到手动解除为止； 夺c a n 总线通讯功能，通讯采用c a n 2 0 b 协议，c a n 通讯能 够实现将巡检的电压、电流、温度、通道号等信息上传到整 车c a n 总线上，与其他控制系统实现信息共享。 2 4 2 智能管理单元( 监控模块) 流程图 浙江大学博士后研究报告 图2 - 1 l 监控模块软件框图1 浙江大学博士后研究报告 图2 1 2 监控模块软件框图2 浙江大学博士后研究报告 图2 1 3 监控模块软件框图3 浙江大学博士后研究报告 图2 一1 4 监控模块软件框图4 2 4 3 上位机( m c 模块) 流程图 浙江大学博士后研究报告 图2 1 5 上位机模块软件框图1 浙江大学博士后研究报告 厂、 低级中断 ) 弋。一 i 山 i t i m e r 3 一分钟定时 一分钟未到置 f l a g t 3 _ 6 0 s 一- = 1 i t i m e r 2 |秽钟定时 i 发送最高最低数据 。t i m e r l 十分钟定时 十分钟定时到 关闭均衡功能 ”打开一分钟定时 f l a g 。t l ”l o m i r r = o ； 关定时器t n 征r l ，清除c 删收中 断标志与缓冲标 i恚 i ”、 ( 结束 ) 。 中 l 接收模块蠡据 图2 1 6 上位机模块软件框图2 2 4 4 通讯协议编制原则 浙江大学博士后研究报告 电池管理系统内部4 8 5 通讯协议与c a n 通讯协议详见附录1 。 2 4 5 系统调试 任何电子产品在完成设计与加工之后必须进行严格的检验，虽然 每个监控模块上所使用的电子器件并不多，但是由于整个电池管理需 要多个( 本项目中采用8 4 个) 监控模块与上位机m c 模块一起使用， 任何一个监控模块出现问题都会影响整个电池管理系统的使用。监控 模块的调试中必须坚持一个原则：首先检测模块供电电源是否短路， 焊接器件是否放置位置与方向正确；其次是检测整个模块的通讯是否 正常；最后检测电压采样与温度采样是否正确。 完成个体调试后，将整个电池管理系统进行集成调试。本项目中 整个电池管理系统有8 4 个电池模块单元，1 个上位机单元，所以在 总体调试中按由少到多，直到完成8 4 个联调。 图2 1 7 电池管理系统实物 浙江大学博士后研究报告 2 5 本章小结 图2 1 8 电池管理系统充电监控 本章首先分析了万向电动汽车有限公司所用锂离子动力电池的 特性，在此基础上提出了电池管理系统的控制策略与控制结构体系， 分别提出了放电控制策略、充电控制策略与停车控制策略；根据电池 组使用要求，对管理系统进行了上位机与监控模块的硬件设计、软机 设计，基本达到使用要求。 浙江大学博士后研究报告 第三章电动汽车用智能充电机 3 1 智能充电机硬件设计 3 1 1 设计要求 3 1 1 1 基本要求 1 、充电机以隔离型桥式d c d c 变换器为主体结构。 2 、控制系统由驱动板和单片机( c p u ) 控制系统组成。 3 、人机接口由按键和六位数码管组成。 4 、充电机内部装有输入输出电能计量装置。 5 、最大输出功率5 0 k w ，最大输出电流1 0 0 a ，最高输出电压 5 0 0 v 。长期额定使用的最大输出电流为8 0 a ，最高输出电压为4 8 0 v 。 6 、具有恒流和恒压运行模式。 7 、充电过程的多模式控制。整个充电过程都由充电机内部的c p u 控制，最多可以将整个充电过程分成六个阶段，每个阶段的运行参数 和不同阶段间的转换条件都存储在非易失性存储器( e e p r o m ) 中， 可以通过充电机的键盘或计算机监控网络来修改参数。 8 、具有计算机远程监控能力。充电机带有隔离4 8 5 通信接口， 通过隔离4 8 5 通信接口可以组成计算机监控网络，监视和记录每台充 电机的运行数据、修改每台充电机的运行参数、控制充电机的启动和 停机。 9 、具有并联运行能力，两台甚至三台充电机可并联运行。每台 浙江大学博士后研究报告 充电机都有工作模式选择开关，可以选择单机或并联运行模式。当多 台充电机并联运行时，其中一台充电机应设置为并联主机，其余设置 成并联从机。所有操作在并联主机上进行。并联从机会自动跟随并联 主机运行。 1 0 、具有完善的保护功能。充电机提供两大类故障保护：可恢复 故障和不可恢复故障。对于可恢复故障，当故障消失后，充电机可自 动恢复运行。对于不可恢复故障，为保证人身及设备安全，必须人工 恢复。 3 1 1 2 充电机的运行模式 针对电池充电的要求，充电机可以有两种不同的运行输出模式： 1 、恒流模式：恒流模式是以输出电流作为反馈量，控制系统保 持充电机输出电流恒定； 2 、恒压模式：恒压模式是以输出电压作为反馈量，控制系统保 持充电机输出电压恒定。 对于电池充电，为了快速充电同时延长电池的使用寿命，在一个 完整的充电过程中，不能完全采用一种模式进行充电，而应该将整个 充电过程分成不同的阶段，不同的阶段采用不同的运行模式和运行参 数，同时在不同阶段之间设置阶段转换条件，当充电机的运行状态满 足阶段转换条件时，充电机可以从当前运行阶段变成下一个阶段运 行。本充电机可以将一个充电过程划分成最少1 个，最多6 个不同的 运行阶段。 每个阶段的运行参数包括： 浙江大学博士后研究报告 1 、运行模式：恒流或恒压 2 、给定参数：如果运行模式是恒流方式，给定参数为输出给定 电流，。如果运行模式是恒压方式，给定参数为输出给定电压。 3 、限制参数：对于电池负载，在恒流条件下，有可能控制系统 为满足设定的输出电流值，而使充电机的输出电压超过电池组的最大 电压限制。在恒压条件下，有可能控制系统为满足设定的输出电压值， 而使充电机的输出电流超过电池组的最大电流限制。为了解决这个问 题，在充电机的控制系统中，有一个限制输出部分。 在恒流状态下，限制输出部分会对输出电压和设定的限制最大电 压进行比较，若输出电压小于最大限制电压，控制系统保持输出电流 等于给定电流，若输出电压大于最大限制电压，控制系统将不再保持 输出电流等与给定电流，而是保证输出电压小与最大限制电压。 在恒压状态下，限制输出部分会对输出电流和设定的最大限制电 流比较，若输出电流小于最大限制电流，控制系统保持输出电压等于 给定电压，若输出电流大于最大限制电流，控制系统将不再保持输出 电压等于给定电压，而是保证输出电流小于最大限制电流。采用以上 措施的目的，就是为了保护电池，防止电池在充电过程中受到损伤。 所以在每个阶段的运行参数中包括一个限制输出值。若运行模式是恒 流，限制输出值为最大输出电压。若运行模式是恒压，限制输出值为 最大输出电流。 4 、停止参数：停止参数的含义是当充电机的实际运行状态满足 设定的停止参数，充电机会自动转入下一个阶段运行，若当前运行的 1 4 浙江大学博士后研究报告 是最后一个阶段，当充电机的实际运行状态满足设定的停止参数，控 制系统会关闭充电机。 若充电机的运行模式是恒流，用户可以选择的停止条件有输出电 压或运行时间两种。若用户选择停止条件是输出电压，在恒流充电过 程中电池电压上涨到设定的停止输出电压值时，系统结束本阶段的运 行，转入下一阶段运行。若用户选择的停止条件是运行时间，若本阶 段的运行时间等于设定的停止时间，系统结束