（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式的电动汽车电池管理系统设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着环境保护和能源危机等压力的日益增大，电动汽车因其节能、环保、 低噪音和能源来源多样性等特点，逐渐成为汽车工业领域的一个重要组成部分 和发展方向。而电动汽车动力电池的电池管理系统作为电动汽车的核心部件， 也成为了电动汽车领域的一个研究重点。电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ，b m s ) 通过对动力电池总电压、总电流、单体电压、温度和绝缘电阻等物 理参数的实时测量以及控制，实现对动力电池的实时监控，为电动汽车稳定安 全运行提供保障，同时也是提高动力电池的使用效率和使用寿命的保证。 本文分析了国内外电池管理系统的研究现状，详细研究了电池管理系统功 能和结构，针对集中式电池管理系统结构上存在的问题，提出了更具有通用性 和灵活性的集散式电池管理系统架构，并设计了一款基于嵌入式的电动汽车电 池管理系统，实现对电池电荷容量实时准确估计和对电池的安全维护。 在硬件上，采用了模块化的设计原则，将电池管理系统的主体结构分为3 个部分，即主控部分、高压采集部分和单体电控部分，分别实现主体控制、高 压采集和单体采集控制的功能，提高了整体系统的灵活性。对与每个部分功能 的实现，论文给出了各个子功能模块的设计与实现。 在软件上，采用了层次化和模块化的设计原则，同样将电池管理系统分为3 个部分的结构进行设计，并在每个部分的软件设计中实现了层次化管理。针对 c a n 通信软件设计以及动力电池剩余电荷状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 的估算算 法，采用了3 个分离的c a n 总线通信的方式，实现电池管理系统内部和外部的 通信；采用了多种s o c 算法结合的方式，实现对电池s o c 的估计。 通过实际的测试表明，基于嵌入式的电动汽车电池管理系统的通用性、灵 活性、数据采集精度、s o c 估算精度、抗干扰能力、安全管理策略以及系统能 源消耗等均达到设计标准，并在多家汽车厂家及研究院进行了装车测试，整车 运行良好，稳定可靠。 关键字：电动汽车，电池管理系，嵌入式系统，s o c 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a c i n gt h ep r e s s u r e sf r o me n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g yc r i s i s ，e l e c t r o n i c v e h i c l e ( e v ) h a sb e c o m ea l la t t r a c t i v er e s e a r c hf i e l do fa u t o m o t i v ei n d u s t r yd u et oi t h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha se n e r g yc o n s e r v a t i o n , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，l o wn o i s e ， e n e r g ys o u r c e sd i v e r s e ，e t c a n dt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) a st h ec o r n c o m p l i m e n to ft h ee vi sa l s ob e c a m eak e yr e s e a r c ha r e ao ft h ea u t o m o t i v er e s e a r c h f i e l d b m sm o n i t o r st h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h eb a t t e r y , i n c l u d i n gt o t a lv o l t a g e ， c u r r e n t ，c e l lv o l t a g e ，t e m p e r a t u r e ，r e s i s t a n c eo fi n s u l a t i o na n ds oo n ，a n dc o n t r o l st h e b a t t e r y , r e a l i z i n gt h em o n i t o r i n gr e a l t i m e t h eb m sp r o v i d e st h eg u a r a n t e eo f e v s s t a b i l i t y , a n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fb a t t e r y a n dp r o l o n g sb a t t e r yl i f e a n a l y z e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no ft h eb m s ，a n dt r a v e r s e dt h ef u n c t i o na n d s t r u c t u r eo fb m s t ot h eq u e s t i o no ft h ea r c h i t e c t u r ea b o u tc e n t r a l i z e dm o d e lb m s ， t h i sp a p e rp r o v i d e daf l e x i b l ea n du n i v e r s a lb m sa r c h i t e c t u r e ，t h ed i s t r i b u t e dm o d e l b m s a n dd e s i g n e dab m sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , t or e a l i z et h ea c c u r a t e l y e s t i m a t i n go fb a t t e r ys t a t eo fc h a r g er e a l - t i m ea n dt h ep r o t e c t i o no fb a t t e r y w i t ht h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g np r i n c i p l e ，t h ed e s i g ns t r u c t u r eo fb m sh a s b e c o m e3p a r t s ，t h eb a t t e r ym a n a g e m e n tu n i t ，t h eh i 曲v o l t a g ec o l l e c t i o nu n i ta n d t h el o c a le l e c t r i cc o n t r o lu n i t t h e yr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fb a t t e r ym a n a g e m e n t ， h i 曲v o l t a g ec o l l e c t i o n ，c e l lv o l t a g ec o l l e c t i o na n dc o n t r 0 1 t h i sa r c h i t e c t u r eh a s i m p r o v e dt h ef l e x i b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m f o rt h er e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no f e v e r ym o d u l e ，t h i sp a p e rh a sp r o v i d e dt h er e a l i z a t i o na n dd e s i g no f t h em o d u l e s t h es o f t w a r eo ft h eb m sh a sa l s ob e e nd e s i g n e da s3p a r t sw i t ht h el a y e r i n ga n d m o d u l a r i z a t i o nd e s i g np r i n c i p l e a n de v e r ys o f t w a r ed e s i g np a r ti sl a y e r i n gm a n a g i n g t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec a nc o m m u n i c a t i o na n dt h ea l g o r i t h mo fb a t t e r ys t a t eo f c h a r g e ( s o c ) i n d e p e n d e n t l y t h e r ei s3i n d e p e n d e n tc a n b u sc o m m u n i c a t i n gp a t t e m ， r e a l i z i n gt h ei n n e ra n de x t e r n a lc o m m u n i c a t i o no fb m s a n dt h eb m s r e a l i z et h e e s t i m a t eo fs o cb yc o m b i n i n gv a r i e t yo fs o c a l g o r i t h m b yr u n n i n go fi n s t r u m e n t ，i ti sp r o v e dt h a tt h ef l e x i b i l i t y , g e n e r a l i t y , a c c u r a c yo f 武汉理工大学硕士学位论文 d a t a a c q u i s i t i o n ，a c c u r a c y o fs o ce s t i m a t e ，a n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y , s a f e t y m a n a g e m e n ts t r a t e g y , s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o ne r e h a sf i t t e dt h et a r g e ts t a n d a r d s a n dl o a d i n gt e s ti nm a n yv e h i c l em a n u f a c t u r e ra n dr e s e a r c hi n s t i t u t e ，r u n n i n gs t a t ei s w e l l ，s t a b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d ：e l e c t r o n 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 ，e m b e d d e ds y s t e m ，s o c i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 随着经济和汽车销售量的增长，许多国家的石油供应都是通过从其他国家 进口。中国从1 9 9 3 年来就是一个石油净输入的国家，而且现在是世界最大能源 消耗国。根据中国海关的报告，中国2 0 0 9 年进口2 0 3 7 9 万吨石油，占了全年石 油消耗量的5 2 。有专家预测，这个数据将在2 0 2 0 年达到4 亿吨，而且将超过 全年消耗的7 0 。根据2 0 11 b p 全球能源统计数据，2 0 1 0 年全球石油消耗增长 了3 1 ，每天消耗石油8 7 4 0 万桶石油。而中国2 0 1 0 年石油消耗量较2 0 0 9 年增 长了1 0 4 ，占全球消耗总量的1 0 6 i l j 。 作为国家经济支柱，同时伴随着高额的能源消耗，尤其是石油资源，交通 产业受到了许多的关注1 2 】。在环境污染和能源短缺的压力下，汽车产业必须更多 的关注清洁能源汽车。纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车这种比传统 汽车更高效环保的交通工具更受到各国生产商的青睐1 3 】。近年来，电动汽车因其 节能、环保、低噪音以及能源来源多样等优点，逐渐成为汽车工业领域一个重 要的组成部分和研究方t 4 j 。作为未来汽车技术发展的方向，电动汽车对先进电 池和先进的电池管理系统的需求也日益增耐引。 动力电池组是电动汽车的能量来源，其质量好坏也决定了电动汽车性能的 优劣，因此，对整个电池组实施有效的监测和管理显得至关重要 6 1 。传统电动汽 车存在着蓄电池使用寿命短、蓄电池尺寸质量比太小、续航能力弱等缺点，而 锂离子电池则具有能量密度高、没有记忆效应、工作电压高、使用寿命长、无 污染、尺寸质量比大、自放电率小等优点，所以可以很好地解决这些问题，因 此基于锂离子电池的电动汽车也越来越受到人们的关注，锂离子电池已经成为 了当前纯电动汽车的候选能源之一。电动汽车的动力电池组是由多节单体电池 串联而成的。但由于锂电池制造工艺的限制，单体电池之间存在着容量、内阻、 电压等参数的差异，即使同一批生产出的电池也存在不一致。而在使用过程中 单体电池之间的因为通风散热差异以及电池的过充过放现象，更加地加剧了单 体电池之间的这种不一致性。单体电池的不一致则会导致整个电池组无法发挥 它的最大容量，而且极有可能缩短电池组的使用寿命1 4 j 。 电池管理系统( b m s ) 是指在动力电池使用过程中，检测电池组能量消耗 并且预测当前电池剩余电量的一种综合性电子控制系统。另外，它还具有故障 武汉理工大学硕士学位论文 诊断、短路保护、显示报警和实时监测电池运行状态参数等功能【7 j 。这样电动汽 车就可以根据采集到的参数进行运算及判断结果来对其自身的运行状况进行智 能调节。目前电池外部各项参数的采集检测技术己经趋向于成熟，电池管理系 统的研究重点应该放在电池剩余电量( s o c ) 估计及对单体电池的均衡。因此， 研究一个好的电池管理系统，使其在完成对电池的监测和管理的同时，减小单 体之间的差异，具有很重要的意义1 6 j 。 1 2 相关领域国内外研究现状 1 2 1 电动汽车电池管理系统国外研究现状 由于全球电动汽车行业的蓬勃发展，国外各个大型汽车厂家、专业电池厂 家和电池管理系统开发公司都向电动汽车的电池管理系统灌注了大量的物力和 人力，对电动汽车电池管理系统进行了大量的研究与测试，经过多年努力，己 开发出了较为成熟的电池管理系统，比较典型的有：美国a 1 2 3 系统公司开发 的( g r i db a t t e r ys y s t e m ) g b s 系统；德国b a t t e r ym a n 技术公司开发的无线电 池管理系统；美国通用( g m ) 汽车公司生产的经典电动汽车e v l 型的电池管 理系统【8 】； i n i s s a n 公司生产的纯电动汽车l e a f 的电池管理系统。 ( 1 ) g b s 系统 图1 1 显示的是g b s 电池管理系统的框架以及内部结构。g b s 系统主要应 用于混合电力的存储系统，用以满足日益增长的能量存储需求，它在发电厂中 增加了一个几兆瓦特的能量存储系统，增加每个电厂以及整个电力网络的运行 能力、响应能力、稳定性和工作效率。 ( a ) 电池管理系统框架 ( b ) 电池管理系统内部图 图1 1g b s 电池管理系统实物 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) b a t t e r ym a n 系统 b a t t e r ym a n 的电池管理系统主要运用于电动汽车上，该系统可以应用于不 同型号的动力电池组，可以通用地传输不同用户的专有信息。每个电池上都有 一个单体采集模块，可以通过无线信号将每个模块采集到的电池信息传输到控 制端。节省了许多通信上成本，但是增大了通信失败的概率。 ( 3 ) e v l 电池管理系统 该电池管理系统主要侧重点是保证系统的可靠性以及对电池的安全进行保 护，分别有4 个组成部分：动力电池组主控制模块、电池热管理模块、单体电 池模块和电池高压保护装置。e v l 电池管理系统实物图如图1 2 所示。 图1 - 4e v l 型电池管理系统实物 ( 4 ) l e a f 电池管理系统 l e a f 是由层叠式紧凑型的锂离子电池来对其进行驱动的，动力电池组的输 出功率最大可达到9 0 千瓦，而电动机最大输出功率也可以达到8 0 千瓦，扭矩 峰值则可以达到2 8 0 牛米。它的制动系统是和锂离子电池结合在一起的，这就 使得l e a f 可以在完全充电情况下实现1 6 0 公里以上的巡航。l e a f 只需要3 0 分钟 就能充电到8 0 。而使用家用2 2 0 v 进行充电，则需要大约8 小时就可以充满电。 l e a f 电池管理系统的实物结构如图1 3 所示 ( a ) l e a f 电动车 ( b ) l e a f 电池管理系统 图1 5l e a f 电池管理系统实物结构 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 电动汽车电池管理系统国内研究现状 在经过了“十五”和“十一五”的两个五年计划科技攻关，我国在节能与新能源 汽车研发领域取得了突破性的进展。从2 0 0 9 年开始实施的“十城千辆”示范推广 工程，再进一步地促进了电动汽车科技创新成果产业化的进程。目前正在进行 着电动汽车研究的企业主要包括一汽、东风汽车、上海大众、比亚迪汽车、吉 利汽车、奇瑞汽车等汽车生产企业。但是，除了比亚迪和奇瑞外，其他的汽车 生产厂家对于电池管理系统领域的专利则没有或者很少申请。主要原因在于， 一方面，一些企业并没有将电动汽车的研发重心放到电池管理系统这个方向上 来；而另一个方面，国内生产企业对知识产权保护的意识相对不足，没有自己 的专利技术【9 j 。 国内对于电池管理系统的研究主要是一些高校依托自身的科技研究优势， 联合大的电池供应商和汽车生产商共同进行研究：动态采集电池性能参数的 精度和稳定性的提高；电池s o c 的在线估测；电池模型的研究；单体电 池均衡和控制的研究；车载电池组的机械结构和电池箱箱体空间的设计以及 合理地进行散热控制；电池管理系统与充电机之间的c a n 总线通信，以实现 协调控制及优化充电；电池故障的分析和在线报警、电池管理系统的自检及 处理【1 0 1 。 1 3 本文的主要研究工作 本课题主要针对纯电动汽车锂离子电池，开发车用电池管理系统。通过研 究电池管理系统背景、目的和意义及国内外电池管理系统的发展现状，分析了 电池管理系统功能和结构。在集中式电池管理系统的基础上，提出了集散式的 电池管理系统结构，详细说明了当前系统硬件结构设计和软件结构设计。本论 文的主要内容是电池管理系统的研究与设计，具体内容如下： 第一章主要介绍了论文的研究背景、目的和意义，电池管理系统在国内外 的研究现状，总结了当前电池管理系统研究中存在的主要问题和难点，介绍了 本文的主要研究工作。 第二章首先对锂离子电池的原理及特点进行分析，然后根据其特点来对电 池管理系统中的剩余电荷状态( s o c ) 估算算法进行介绍。接着说明当前电池管 理系统需要完成的功能，并结合集中式电池管理系统的结构和对应功能单元对 4 武汉理工大学硕士学位论文 电池管理系统的结构，在硬件结构和软件设计上对当前集散式的电池管理系统 进行分析，提出设计方案。 第三章针对集散式电池管理系统的结构和功能，提出了详细的硬件设计方 案。首先将系统分为三个部分，对各子系统结构进行分析，划分了各子系统需 要完成的功能，然后针对整个电池管理系统通信和测控功能的需要来对各个模 块的电路进行设计，最后通过比对各种方案设计的优缺点，来选择能够满足系 统需求的设计方案。 第四章在系统硬件设计的基础上同样将软件设计分为了三个子系统，分别 对这三个子系统软件设计进行了分析，包括各个子系统之间的c a n 通信软件和 子系统内部功能软件，同时根据电池的s o c 估算算法进行的分析，提出了本文 的s o c 算法。 第五章对电池管理系统进行了调试和测试，通过得到的调试和测试数据， 分析了当前电池管理系统的性能。 第六章是对全文工作的总结，提出了当前电池管理系统中存在的不足，并 且对下一步的研究工作进行了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电池管理系统总体设计 2 1 锂离子电池的原理及特点 电池是将存储的化学能量转换成电能的封闭系统，电化学转换一般是在两 个电极之间发生，也就是正极和负极之间，反应的性质取决于两个电极之间的 化学物质，电池的电能更多直接取决于电极之间的空间大小而能量的容量则由 活性物质的质量和容量来决定。在一个可充电电池中，如果外部负载由一个电 源代替，那么电子的移动方向就会翻转，这时电池就会被充电。锂离子( l i + ) 在放电时从正极向负极，在充电时就由负极向正极移动，电子在电池内部的移 动方向与锂离子的方向相同。电池的正极一般都是使用石墨或者钛酸锂，而负 极一般用锂金属氧化物i l 。 铅酸、镍镉化合物和锂电池都是最常用的可充电电池，铅酸电池技术是经 过长时间证明可靠的，已经有超过1 0 0 年的时间了，但是铅酸电池的重量和体 积能量密度都很低。 镍镉电池提供了可靠地循环充电能力并且已经用于混合动力汽车，但是它 的缺点也很明显，相对的低能量密度、低寿命和相对高的接近1 0 每月的自放 电率，这都使得锂离子系统变成了一个很有吸引力的选择【l 引。图2 1 显示了当前 常用的可充电电池的体积重量能量密度比较。 乞 薹 堇 筮 曾 龊 墨 簟 重量能量比( w ”k g 。1 ) 图2 1常用电池体积重量能量密度比较 6 2 2 锂电池剩余电荷状态估算研究 官县纂：皇望釜篓：咀，翌垄竺翌的烹孽状态( s o c ) 是一个非常重要的指标， 鐾墨量黧量当墨享储? 苎慧舻4 1 5 ，。类似于燃纛量菇；黼凝j 篓雾关冀望竺妻篆苎：个芒兰黧力电池s 。c 晶函柔君喜磊裂霎鬻 翥姜雾恕篓i 苎。妻池保持在一做全磊蒜麓罴鲨 耋薯喜竺妻娑姜錾苎竺妻化壁就不能够满足对s o c 薹荐翥蒿委蓑。；蔷，磊 确估苎兰蓼黧力电池s o c 对于电动汽车是非常重要爵州订里叫支水4 朋以稽 小纠要霎霎黧鎏竺翌声跫! 多因素所影响，比如当前电池的温度、容量大 鬻黧冀鎏竺皇呈奎竺詈蛩出非常复杂的非线性荽慕喜筹篓主茎磊 电池存储容量相对于电池总容量的个比率，公嚣古：；：三。工支疋j 刖 式2 - i 中的q s 图2 - 2 o c v o s o c 曲线 7 电池的总容量。 武汉理工大学硕士学位论文 对于锂电池本身，它的电压与s o c 都是一种非线性的关系，通常我们都通 过实验来对这种关系进行测量，得出一个比较有规律的曲线，即开路电压( o c v ) s o c 曲线，由于每一种电池的o c v - s o c 曲线都不一样，本系统所采用的电池 标称电压为3 2 v ，容量为2 7 a h ，曲线如图2 2 所示。 电池管理系统的难点和重点也是在于对s o c 的准确估算，而这也是制约电 动汽车广泛推广的一个主要影响因素。 目前世界上正在研究或者已经采用了的s o c 估算算法主要包括以下几种： ( 1 ) 安时积分法：安时积分法是当前电池管理系统领域采用最为常用的一 种s o c 估算方法，它是通过计算电池在放电和充电时电量的变化量来计算电池 当前的s o c 。公式2 2 即为安时积分法的运算公式。 s ( f ) ：s ( o ) 一f 屿 ( 2 2 ) 一 句 c 。 其中s ( t ) 是在t 时刻的s o c 大小，s ( o ) 是初始时刻的s o c 值，c n 是电 池的额定容量，而i ( t ) 则是t 时刻的电流大小，当充电时电流为负，放电时电 流为正。n 是库伦效率参数，通常放电时n = 1 ，而在恒定的c 3 的充电电流标 准的情况下，r l l 。但是在真实的情况下，充电电流是随时在改变的，因此， r l 也不会保持在一个固定值不变【1 6 1 。 安时积分法只和电池的外部特性有关，而不考虑电池内部的复杂化学变化， 仅仅通过累计电量值来对s o c 进行估算，并根据电池的温度和放电率等进行补 偿。该方法简单易行，但是该方法对电池电流测量精度要求很高，并且没考虑 电池充放电效率和电流剧烈波动情况下的影响，而且由于电池本身循环次数累 积致使本身容量性能产生变化，这些因素都会使s o c 估算产生较大的误差7 1 。 ( 2 ) 开路电压法：电池的开路电压和s o c 在一定程度上存在一种对应关系， 图2 2 表示出了这种对应关系，可以通过测量电池当前的开路电压，与电池的 o c v - s o c 曲线相对应，从而计算出电池当前的s o c 。但是这种方法测量的前提 就是电池当前必须是处于电解液浓度分布均匀并且无负载的情况下，也就是电 池必须静止，要达到静止，锂电池需要静置约3 0 分钟，所以该方法主要用于估 算电池的初始s o c 值，不适宜对电池s o c 进行在线测量l i 8 ，驯。 ( 3 ) 交流内阻法：电池的内阻一般由直流内阻和交流内阻来组成的，它们 均和s o c 有着密切的关系。该方法就是通过加载在电池两端的交流信号，测量 交流内阻的变化，然后计算出电池组当前的交流阻抗，以此来作为计算电池组 8 武汉理工大学硕士学位论文 s o c 的标准。但是，内阻的精确在线测量相当困难，所以，不适用于复杂的电 动汽车环境l z u j 。 ( 4 ) 神经网络法：由于电池高度的非线性特性和复杂的电化学反应，难以 建立准确的数学模型。而采用神经网络的方法则不需考虑这些问题，神经网络 具有学习能力和并行结构，可以逼近非线性特性，只需要从样本获取输入输出 关系就可以模拟出电池动态特性。但是这种方法需要经过大量的数学运算，对 系统的硬件和软件设计要求较高，并且需要耗费较长的运算时间，所以该算法 在s o c 在线估算中不是很常用1 2 。 ( 5 ) 卡尔曼滤波法：卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法，其 核心是对系统的状态做出最小方差意义上的最小估计瞄】。该算法是在安时积分 法的基础上，通过建立的电池模型，将对电池电量有影响的因子作为噪声，利 用卡尔曼滤波器最小方差估计最优化递推算法，来对电池组剩余电量进行估算。 该算法适用于电流变化较快的情况，但是需要算法收敛时间，并且算法有一定 的复杂度，对硬件处理能力有要求i l o ，1 6 j 。 从上面的s o c 估算算法可以看出，单一的算法并不能满足精确测量s o c 的 目的，常用的估算算法一般都是结合2 3 种算法的优点，通过建立合适的电池 电化学模型，采用先进的控制算法来完成对动力电池的监测与控制。 2 3 系统总体功能分析 电池管理系统( b m s ) 的目的主要有两方面，一方面是为电动汽车提供稳 定可靠的能源供给，另一方面是提高动力电池的能量使用效率并延长电池寿命。 电池管理系统与动力电池是一体的，电池管理策略的好坏直接影响着电池的寿 命和整车系统工作的稳定性和安全性。 图2 - 3电池管理系统功能示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 为了实现电池管理系统这两个目的，本文对电池管理系统功能进行了划分， 主要分为五个方面，b m s 的功能示意图如图2 3 。 ( 1 ) 数据采集：数据采集是电池管理系统最基本的功能，它给电池管理系 统其它的功能提供了数据支持，也可以说它是电池管理系统中最重要的功能， 该功能对测量得到的数据测量精度和可靠性都有这比较高的要求。数据的精度 及可靠性具有传导性，直接影响电池管理系统对其它参数的计算和工作状态的 判断，所以数据测量极为重要。主要需要测量的参数有单体电池电压、单体电 池温度、总电压、充放电电流、绝缘电阻和环境工作温度等。因为动力电池组 是由许多单体电池串联而成，每块单体电池的工作状态都会影响整个电池组的 性能，所以就必须对单体电池进行监测。总电压反映着电池组对外输出电压值， 是当前电池状态的直观参数。电流是计算s o c 的关键参数，因此对其测量的精 度及可靠性必须达到系统的要求。绝缘电阻是反映电池是否对车身有漏电情况 的重要参数，关系着人生安全问题，测量的数据需要具有相当的可靠性。电池 工作状态和温度有密切关系，所以为了更好评估电池的运作情况，也需要准确 地对电池温度进行测量。 ( 2 ) 数据通信：数据通信是指b m s 与整车控制器、电机控制器等车载设 备，与充电桩、便携充电机等充电设备，与内部各个子模块和与上位机等非车 载的设备之间来进行数据交换的功能。在汽车的恶劣工作环境中，保持通信的 畅通和稳定尤为重要，需要从硬件方面对这方面进行考虑。 ( 3 ) 状态估计：状态估计即为对动力电池组的s o c 估算，电池的s o c 反 映了电池当前的剩余电量，这也是电池运行过程中一个重要的参数。电池s o c 的估算算法一直是电池管理系统研究的一个重点，出现了多种估算算法，上一 小节已经对这方面进行过部分概述。 ( 4 ) 安全管理：安全管理指的是当动力电池组的电压、电流、温度、s o c 等参数出现非安全状态时，电池管理系统会给予报警或者采取断路等紧急措施。 在电池组运行过程中，会根据国家电动汽车安全标准来对系统中的各种参数变 量设置一定的阈值，当数据采集单元检测到参数值处于非安全阈值，比如单体 电压过低、绝缘电阻过小等，系统都会根据设定报警级别来进行报警，并采取 相应安全控制措施，然后记录故障日志。 ( 5 ) 能量管理：能量管理是指控制动力电池组充放电策略，这些策略包括 l o 武汉理工大学硕士学位论文 充放电管理及对单体电池电压的均衡。电池充电是一个复杂的过程，它需要通 过充电策略来对充电过程进行管理，保证充电过程的高效性和可靠性，同时也 对电池的s o c 进行适当的调整。放电过程是给电动汽车提供动力的一个过程， 为了能够满足电动汽车在各种路况下能量供给，就需要有整车控制器来发送信 号给电池管理系统，对放电策略进行实时的调整。因为锂电池制造工艺限制， 各个单体电池之间存在着电压、容量、内阻等参数的差异，即便是同一批生产 出来的电池也会存在不一致。并且使用过程中，单体电池之间会由于通风散热 差异和电池的过充过放更加加剧了单体电池之间的这种不一致性。单体不一致 会导致整个电池组无法发挥它的最大容量，而且极有可能缩短电池组的使用寿 命。所以需要电量均衡这个过程来对各个单体之间的差异来进行均衡。 对电池管理系统的功能，随电动汽车行业的发展，可能会在这种基础上进 行各种增加，同时在每一种功能上，不同的项目也可能存在着差异，因此在分 析电池管理系统功能的基础上，还必须对电池管理系统结构来进行分析，设计 出更有灵活性及通用性的硬件架构。 2 4 系统结构设计 电池管理系统硬件结构设计一方面影响着整个电池管理系统的性能，另一 方面又受制于布线空间、电池箱体结构等物理参数。因此要设计出一种通用性 强、性能稳定、结构灵活、安装方便的电池管理系统是具有重要意义的。在以 往电池管理系统的设计中，大多是采用一块电路板来对电池进行集中式管理， 称之为集中式电池管理系统结构【2 3 1 ，系统结构示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 集中式电池管理系统结构 武汉理工大学硕士学位论文 由集中式电池管理系统结构示意图可以看出，2 3 节中所提到的电池管理系 统功能都有进行实现。数据采集部分有母线电流传感器、温度传感器、母线电 压采集模块、单体电压采集模块来对其进行实现，并且在传感器接入m c u 时都 通过信号调整来避免引起信号干扰。数据通信部分，可以通过r s 2 3 2 串口与p c 上位机进行通信，也可以通过c a n 收发器应用c a n 网络和整车控制模块v c u 进行通信。安全管理部分，在电源输入由电源保护模块来对电源安全进行管理， 温度过高可以通过控制风扇控制器来降低电池箱温度，如果电压电流非正常也 可以切断母线继电器对电池进行保护，并且还进行了漏电检测保护。对于能量 管理，该系统也通过对预加电测试来进行管理。 但是从结构分析中和实际工作状况可以发现，该系统结构存在着许多问题， 总结如下： ( 1 ) m c u 的负荷过重：从结构示意图就可以看出，对于一个m c u 来说， 外围负载了包括数据采集、数据通信、安全管理以及能量管理的许多外设，需 要处理电压电流温度等许多数据，并且还要在m c u 内部对s o c 进行复杂的运 算，这对m c u 的数据处理能力是一个极大的考验。这种结构极大的制约了电池 管理系统性能拓展。 ( 2 ) 电磁干扰问题：虽然系统在设计过程中，必定会对这方面进行考虑， 但是作为电池管理系统需要安装在电池箱内有限的空间里，而要在有限的空间 上完成这么多的功能，并且要完成很好的抗电磁干扰设计，这本身就是一件极 困难的事情，还需要采集包括电池总电流、总电压高压数据及单体电压等低压数 据。 ( 3 ) 系统布线问题：在电池管理系统实际布局中，存在着各种线路，系统 的低压控制线、高压控制线、通信线束都需要从m c u 上引出，来与外部设备连 接，这一方面会造成线束过于集中，布线麻烦，另一方面线束中的信号也会对 m c u 板上的模块工作产生干扰。 ( 4 ) 通用性差：因为集中式设计的系统结构相对固定，无法针对不同的动 力电池进行添加或者减少功能模块，也不便于针对不同的电池箱尺寸进行灵活 布局，硬件平台不便于推广。 由于集中式电池管理系统结构上的种种缺陷，本系统将采用集散式的电池 管理系统结构，将电池管理系统分割成三个不同的部分，主控单元、高压采集 武汉理工大学硕士学位论文 单元、单体电控单元，结构示意图如图2 5 所示。 图2 5 集散式电池管理系统结构 主控单元( b m u ) 主要实现数据通信、状态估计和能量管理功能，并实 现部分安全管理功能。主控单元通过两个内部c a n 通信接口收集由高压采集 单元和单体电控单元采集到的电池电流电压温度数据，在主控单元c p u 中进 行分析，进行当前电池状态估计，计算出电池s o c 及其它参数并通过整车c a n 传送到整车控制器v m u ，由v m u 来对电池管理系统进行总体控制，通过 r s 4 8 5 接口传送到p c 上位机，通过充电机接口实现电动汽车充电时与充电机 之间的通信。当主控单元收集到的电池数据非正常时，主控单元可以通过控制 模块来对电池进行安全管理，例如打开风扇、切断母线等操作，保证电池的安 全，并进行安全记录。主控单元还可以通过与充电机的通信进行电动汽车能量 管理。 高压采集单元( h v c u ) 主要实现数据采集和安全管理功能，高压采集单元 采集整个电池箱的总电压电流，因为高压采集关系到电池s o c 的计算，所以进 行单独测量提高采集精度和速度，并且通过单独的内部c a n 接口将采集到的数 据高速传送给主控单元以提高主控单元计算精度。高压采集单元还管理着电池 武汉理工大学硕士学位论文 箱的绝缘检测，保证电池箱不会出现漏电情况，保证电动汽车的安全。 单体采集单元( l e c u ) 主要功能是数据采集和能量管理，也完成部分安全 管理功能。由于一个电池箱是由多个单体电池组成，所以本系统有多个单体采 集单元来对多个电池进行采集，每个单体采集单元负责采集7 1 2 个单体电池的 电压和温度，并通过内部c a n 网络将数据传送到主控单元的第二个内部c a n 接口。由于有多个单体采集单元来对电池进行测量，所以在单体采集单元和主 控单元之间是一个c a n 总线，所有的l e c u 都通过c a n 总线向b m u 发送采 集到的数据。每个单体电池电压在使用过程中，由于工艺的差异，或多或少都 会存在电压不一致的情况，而这种不一致会导致电池的容量变小、寿命变短， 所以需要l e c u 对单体电池进行均衡，完成能量管理功能，并且当电池过充时， l e c u 也会对电池电压过高的单体进行均衡，放掉多余的电量，保证电池的安全。 集散式的电池管理系统结构，能够很好的利用各个子单元的功能，解决的 集中式电池管理系统m c u 负载过重的问题，而且将高压单元和低压单元分开有 效地降低电磁干扰。这种分离式的电池管理系统结构，能够缩小各个单元的体 积大小，能够更加灵活的安装于不同尺寸大小的电池箱结构和空间中，大大地 提高了电池管理系统的通用性。 2 5 本章小结 本章简要地介绍了锂离子动力电池的特性和工作原理，通过与其他动力电 池的比较，得出了锂离子动力电池的优缺点。描述了影响电池s o c 估算的因子 和目前常用的电池管理系统s o c 估算算法。详细地分析了电池管理系统的功能 和结构，将电池管理系统的功能分划为五个部分，对每部分的功能进行了详细 描述。然后说明了电池管理系统在结构上应该具有的性质，具体分析了集中式 电池管理系统结构及其在应用中的缺陷，针对集中式电池管理系统存在的缺陷， 提出了集散式的电池管理系统结构，优化了系统的结构。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件电路设计 3 1 主控单元硬件结构设计 主控单元( b m u ) 是电池管理系统的核心部分，主要通过c a n 通信接口接 收高压采集单元( h v c u ) 和单体电控单元( l e c u ) 采集到的电池数据，完成 电池输入检测和输出控制任务，进行温度检测和电池s o c 估算，故障检测与处 理以及与充电控制器和整车控制器进行通讯。根据功能的要求进行主控单元的 设计，结构示意图如图3 1 所示。 图3 1 主控单元结构图 对于汽车电子来说，首先考虑的就是系统的抗干扰能力，因此在b m u 中对 外部通信接口和测控电路，均添加了隔离电路，以减少来自外部的干扰，保证 c p u 工作稳定性。电源模块、时钟管理模块和数据存储模块都是b m u 中的基本 功能模块，时钟管理模块用以记录实时时钟，为系统提供准确的系统时间，给 电池故障记录系统提供故障报警时间，并为s o c 估算提供精准的计时时钟。数 据存储模块用以存储需要存储的数据，包括电池管理系统中设置的报警阈值、 故障报警记录等，由于需要保证存储数据的稳定性，所以本系统使用了铁电存 储器( f 凡州) 。输入检测模块和输出控制模块都是与电池管理相关的功能模块， 武汉理工大学硕士学位论文 输入检测包括汽车k e y 输入、启动检测等与整车启动有关检测数据，也包括电 池箱温度检测这种传感器检测功能。而输出控制则是用于对整车电池继电器的 开关，控制着整车的启动和停止。b m u 有3 个c a n 接口，分别用于与整车控 制器、高压采集单元( h v c u ) 和单体电控单元( l e c u ) 的数据通信，用于同 整车控制器通信的c a n 称为外部c a n ，接入整车c a n 总线；与h v c u 和l e c u 的c a n 接口均是内部c a n ，只不过与h v c u 通信的c a n 接口仅仅连接了 h v c u 一个模块的c a n 接口，为b m u 提供高速稳定的高压采集数据，而与 l e c u 通信的c a n 接口则需要负载多个l e c u ，是接入内部c a n 总线，通信效 率相对较低。充电器接口用以和电池充电器进行连接，另外还存在一个r s 4 8 5 接口，用以和p c 机或工控触摸屏进行对接，实现对系统的调试和测试。 3 1 1 蓄电池回差检测单元 在电动汽车电池管理系统中，蓄电池是工作电源的保证，因此保证蓄电池 稳定工作是电池管理系统设计时必须考虑的一个环节。蓄电池在电动汽车中是 被系统设置为在线工作模式，电动汽车正常运行时，蓄电池不断进行充电和放 电，保证蓄电池工作寿命的同时，为整车系统提供稳定的供电电压。那么假如 它长期处于充电模式而不进行放电的话，则会使蓄电池工作性能降低，寿命缩 短，甚至有可能造成损坏，导致整车系统无法正常运行。 蓄电池的充电及放电都是通过设定的比较器门限电压进行控制的，如果仅 仅设定为普通的单门限电压控制方式，则蓄电池会因为在门限电压上下频繁切 换进行充放电的操作，导致系统后续电路不稳定，甚至造成系统瘫痪；又因为 有干扰的存在，也可能使蓄电池的电压在门限电压上下波动，造成系统误操作 阱】。而如果使用双门限迟滞比较器的话，采用回差检测方式，就可以很好地解 决这种问题，回差检测单元的基本电路如图3 2 所示。 图3 - 2 回差检测单元电路 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 甲电路是反同獭人迟霈比拨器，恢牺八r g l - i x 是u i ，獭出电压悬u o , 参考电压是u r e f ，比较门限电压是v t ，假设是理想运放，则根据虚短和虚断原 则有式3 1 ： 巧= 警矗+ 志) 协d 1 垦、墨+ b 删墨+ 心 根据输出电压最大值u o h 和最小值u o l ，则可分别计算出上门限电压值v t + 、 下门限电压值v t 及回差电压值a v t 。 ”警( 去+ 志) 2 ， k = 半( 击+ 击) ( 3 - 3 ) 卜 恐、墨+ r “。墨+ 蜀“7 即”警熹( 一) ( 3 钔 那么识滞比婶辨的由乐传输特忡曲线就可以得到为图3 3 ： j ， 、 ， - l 0 ， 、一 q u o , 图3 3 迟滞比较器电压传输特性 由图3 3 可以看出，输入电压从0 增加到v t + ，输出电压都保持在u o h 未发 生改变，但当电压大于v t + ，则输出电压立刻由u o n 变为u o l 而当电压从大于 v t + 开始减小时，输出的电压抑制保持在u o l 不变，直到电压减小到v t - 时，输 出电压才有u o l 变为u o h 。这样就可以避免蓄电池电压在门限电压上下来回跳 变，也使得噪声容限增加到t a v t ，可以通过c p u 检测输出信号跳变来对蓄电 池的充放电状态进行控制，在设计时设定不同的门限值来满足系统需求。本系 统中蓄电池的供电电