（通信与信息系统专业论文）面向plugin电动汽车的锂离子电池管理系统技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源危机的不断加深，生存环境的日益恶化，低排放甚至无排放 的电动汽车应运而生。纯电动汽车受电池容量所限，续驶里程有限，不能较好 的取代传统车辆。混合动力汽车，尤其是p l u g i n ( 插电式) 混合动力汽车在一定程 度上解决了里程问题，使电动汽车有了更为广阔的使用空间。不论是纯电动汽 车还是混合动力汽车，电池无可非议的是其性能的保证，而最适宜使用的能量 密度较大的锂离子电池由于其活跃的化学特性，在使用时需严格控制电池的温 度及电压，这就使得电池管理系统成为电动汽车的核心模块。本设计即是设计 一种适用于p l u g i n 混合动力汽车的电池管理系统。 本文将在第二章分析电池管理系统顶、底层的硬件设计，实现动力母线电 压检测、电流检测、绝缘检测、电池单体检测、电池温度检测、电池脱节检测 等功能；第三章将简要说明与硬件相关的软件编写过程；本文在第四章详细叙 述了基于m c 9 s 1 2 x s 系列的一b o o t l o a d e r 的设计方法；最后列出了对电池管理 关键功能的实验数据。 本设计实现的电池管理系统除具备传统功能外，其具有的c a n b o o t l o a d 功能，使得本系统可在硬件允许范围内做出最灵活的方案修改；其次，在设计 中考虑了低成本以及在发热允许范围内的最大均衡效率。本设计是一款适用性 强、实用性强、性能较高的电动汽车电池管理系统，为电动汽车产业化做出了 一定的贡献。 关键词：电动汽车、p l u g i n 、电池管理、硬件设计、c a n b o o t l o a d e r 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e e p e n i n go ft h eg l o b a le n e r g yc r i s i s ，t h el i v i n ge n v i r o n m e n ti s d e t e r i o r a t i n g ，l o w e m i s s i o no rn oe m i s s i o ne l e c t r i cv e h i c l e sc o m ei n t ob e i n g t h e d r i v i n gr a n g eo ft h ep u r ee l e c t r i cc a ri sl i m i t e db yt h eb a t t e r yc a p a c i t yc o n s t r m n t s ，s oi t i sn o tg o o de n o u g ht or e p l a c ec o n v e n t i o n a lv e h i c l e h y b r i dv e h i c l e s ，e s p e c i a l l yt h e p l u g - i nh y b r i dv e h i c l e st oa c e r t a i ne x t e n ts o l v et h em i l e a g ep r o b l e m ，s ot h a te l e c t r i c v e h i c l e sh a v eaw i d e ru s eo fs p a c e w h a t e v e ri np u r ee l e c t r i cv e h i c l e so rh y b r i d v e h i c l e s ，t h eb a t t e r yi sb e y o n dr e p r o a c ht ob et h ep e r f o r m a n c eg u a r a n t e e ，t h em o s t a p p r o p r i a t eu s eo fl a r g ee n e r g yd e n s i t yo fl i t h i u mb e c a u s eo fi t sa c t i v ec h e m i c a l p r o p e r t i e s ，w h e ni nu s es h o u l db es t r i c t l yc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea n dv o l t a g eo ft h e b a t t e r y , w h i c hb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma st h ec o r em o d u l eo ft h ee l e c t r i cc a r t h i s d e s i g ni st od e s i g nap l u g i nh y b r i de 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 m t h i sd i s c o u r s ed i s c u s s e st h ei m p o r t a n c eo ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi nt h e f i e l do fe l e c t r i cv e h i c l e s ，a n dd e s c r i b e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hi nt h i sa r e af i r s t ；s e c o n dt h e d e t a i l sa b o u tt h et o pa n d u n d e r l y i n go ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m sd e s i g np o r t i o no ft h eh a r d w a r e ， b r i e f l yd e s c r i b e di nt h ec o r r e s p o n d i n ge m b e d d i n gs o f t w a r ed e s i g np r o c e s s ；t h i sp a p e r m a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g nm e t h o do f t h ec a n - b o o t l o a d e r ；f i n a l l y , t h ek e yf e a t u r e s f o rp e r f o r m a n c et e s t i n g t h i sa r t i c l ei nt h es e c o n dc h a p t e ra n a l y z e st h et o po ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ，t h eu n d e r l y i n gh a r d w a r ed e s i g n ，p o w e rb u sv o l t a g ed e t e c t i o n ，c u r r e n t d e t e c t i o n ，i n s u l a t i o nt e s t i n g ，s i n g l eb a t t e r yd e t e c t i o n , b a t t e r yt e m p e r a t u r es e n s i n g ， b a t t e r y o u to ft o u c hd e t e c t i o nf u n c t i o n ；t h et l l i r d c h a p t e r ab r i e fd e s c r i p t i o n o f h a r d w a r e r e l a t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，p r o c e s s ；t h i sa r t i c l ed e s c r i b e di nd e t a i li n c h a p t e ri v - t h eb o o t l o a d e rd e s i g nm e t h o db a s e do nm c 9 s 12 x ss e r i e s ；l i s t e da tt h e e n d o ft h ee x p e r i m e n t a ld a t ao nt h ek e yf e a t u r e so f b a t t e r ym a n a g e m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，p l u g i n ，b a t t e r ym a n a g e m e n t ，h a r d w a r ed e s i g n ，t h e c a n b o o t l o a d e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1d 1 面向p l u g i n 的电动汽车概述 随着全球能源危机的不断加深，石油资源日益枯竭，大气污染、全球气温 上升危害加剧，至此各国政府以及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车 技术发展的主要方向，而发展电动汽车将是解决这一技术难点的有效途径。电 动汽车是全部或者部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，因此，电池系统( 动 力电池及其管理系统) 作为电动汽车的动力系统在整个电动汽车的研究和发展中 具有举足轻重的作用【l 巧j 。 目前广泛使用的便携性二次电池主要有镍镉电池( n i c db a t t e r i e s ) 、镍氢电池 似i hb a t t e r i e s ) 、锂离子电池( l i i o nb a t t e r i e s ) 和锂聚合物电池( l i p o l y m e r b a t t e r i e s ) 等几种。镍镉电池是最基本的便携式二次电池，它的能量密度只有4 0 5 0 瓦特时每公斤( w h k g ) ，8 0 1 2 5 瓦特时每升( w h 1 ) ；比镍镉电池更为优越的是镍 氢电池，镍氢电池除了比镍镉电池能量密度高之外，还是一种环保电池，它的 能量密度达到了5 0 6 0 w h k g ，1 0 0 1 7 0 w h l ，但是由于其成本高，还不能完全 取代镍镉电池；锂离子电池是最近几年才快速发展起来的，是真正无污染的高 性能二次电池，它的能量密度高达1 4 0 2 0 0 w h k g ，3 0 0 4 0 0 w h l ，远大于镍镉及 镍氢电池睁1 2 1 。锂离子电池具有的比能量大、放电电压高、循环寿命长、无记忆 效应、快速充电能力、自放电速率小、环保等众多优点，使其在电动汽车中的 应用前景非常广阔，可以说已成为电动汽车的首选电池种类 1 3 - 1 s j 。 插电式混合动力汽车( p l u g i nh y b r i dv e h i c l e ，简称p h v ) 是一种新型的混合 动力电动汽车。相比于传统汽油动力与电驱动结合的混合动力，p h v 驱动原理、 驱动单元都与电动车无异，之所以称其为混合动力，是因为这类车上装备有一 台为电池充电的发动机。在日常使用过程中，p h v 可以当作一台纯电动车来使 用，在其电池可提供的续航里程内，它可以做到零排放和零油耗，电池电量耗 尽后再以混合动力模式( 以内燃机为主) 行驶，并根据需要向电池充电。因电池的 成本费用高昂，此种车辆以较低价格进入家庭在短期内很难实现，然而受国内 汽车发展趋势的影响，因政府的重视而提高相应补贴，插电式混合动力车型进 入家庭指日可待【1 引。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 电池管理系统简介 确保锂电池组安全使用，是电池管理系统( b m s ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m s ) 的基本要求。由于电动汽车锂电池组是由多节单体电池串联组成，在直接使用 没有配备电池管理系统的电池组的情况下，由于电池组内单体之间的差异在使 用过程中会逐渐增大，导致电池组在运行一段时间后电池单体出现单体过充、 过放、过流及电池组环境温度过高等一系列故障，造成整个电池组的使用寿命 缩减，性能下降，严重时报废，爆炸等。因此，锂电池组配备电池管理系统是 十分必要的。管理系统可以有效解决电池组的安全问题，从而确保锂电池组可 靠运行，同时延长电池组使用寿命，降低电池使用成本【2 w 6 。 由于锂离子物理特性相当活跃，过充、过放更容易对锂离子电池带来损坏， 这就对电池保护系统的性能提出了更高的要求。电池管理系统可以确保车辆的 行驶安全、增加电池使用寿命、提供给驾驶员有用的信息、减少能源消耗等。 对于一个好的电池管理系统而言应满足三点要求，分别为：准确性、实时性、 扩展性 2 7 - 3 2 1 。电池管理就是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确 测量电池的剩余容量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态。 一般而言电动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s o c ，从而随时预报电动汽车电池 剩余能量。 ( 2 ) 实时监测动力电池组的工作状态：即实时采集电动汽车蓄电池组中的每 块电池的端电压、电池箱温度、充放电电流、电池包母线电压以及绝缘状态1 3 引。 在检测后，电池管理系统还需根据检测结果为电池提供各种保护措施： 过充保护：锂电池单体严格禁止过充。在充电过程中，若其两端电压超 过设定最高值后，导致锂电池外形膨胀，电池单体膨胀导致内部压强增大，容 易引起电池爆炸。 过放保护：在电池组放电的过程中，电压将会随着时间而逐渐降低。在 电池电量为零时，应立即停止放电，否则，将造成电池的永久性损坏。因此， 系统应该提供过放保护措施。 过流保护：基于锂电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最 大不能超过规定的值，否则将对电池造成永久性损坏。 过温保护：锂电池的安全温度在8 0 c 左右，温度过高，电池容易发生爆 炸。因此，系统应采取措施保证电池组工作在安全的温度范围内。 2 武汉理工大学硕士学位论文 容量过高、过低保护：电池组的使用一般遵循“浅充浅放”的原则，即 电池组的电量即不完全充满，也不完全放光。这同时能够有效解决电池过充和 过放等问题，从而能够提高电池的安全性，延长电池组使用寿命【3 9 4 0 1 。 ( 3 ) 扩展性：实际应用中，系统应可根据实际需求进行灵活配置，在需要增加 或减少单体电池个数或相应的测控单元，并根据使用情况一定程度的更改控制 方案。 1 3 电池管理系统发展现状 英法是电动车辆的发源地。历史上第一辆电动汽车是在1 8 8 1 年法国的 g u s t a vt r o u v e 第一次使用铅酸电池完成了电动汽车的研制。目前国外具有代表 性的电池管理系统有：美国a e r o v i r o n m e n t 公司开发的s m a r t g u a r d 系统( l o n g l i f e b a t t e r yu s i n gi n t e l l i g e n tm o d u l a rc o n t r o ls y s t e m ) ，e v o l v ee l e c t r i c s 公司的b m s 系列产品；德国的b h a u c k 设计的b a t t m a n 系统；美国通用汽车公司生产的 电动汽车e v l 上的电池管理系统；美国a cp r o p u l s i o n 公司开发的名为b a t t - o p t 和b a t t m o n 的高性能电池管理系统；深海领域的电池管理系统等1 4 。 图1 1 美国e v o l v ee l e c t r i c s 公司电池管理系统 此系统可检测1 - 2 5 5 块电池单体，单体电压检测范围2 0 9 - 4 5 4 v ，检测精 度+ 2 0 m v ；具有r s 2 3 2 及c a n 通信功能；工作温度范围4 0 8 5 。c ，温度检测精 度士4 。 在国外大力发展电动汽车相关技术的同时，我国在“十五”期间，科技部 组织北京理工大学、清华大学、东风汽车公司等国内多家企业、高校和科研机 武汉理工大学硕士学位论文 构进行联合攻关。之后，节能与新能源汽车的研发又被列入“十一五8 6 3 ”计划 重大项目。通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新方面取得了重 大进展。截止到2 0 0 9 年1 月3 1 日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权 局受理并公开的中国专利申请为1 1 1 6 件。在1 1 1 6 件专利申请中，发明为7 8 2 件 ( 授权为1 0 7 件) 、实用新型为3 3 4 件【1 9 1 。 在电池管理系统方面，深圳派司德科技、哈尔滨冠拓、惠州亿能等厂商己 开发出多种适应不同车型的高性能电池管理系统。 图1 2 哈尔滨冠拓公司的m c l 7 型b m s 哈尔滨冠拓公司研发的m c l 7 电池管理系统实现了对电池单体的电压检测， 检测范围0 - 5 v ，精度为士o 3 ，分辨率l m v ；0 3 0 0 a 的电流检测范围，精度 士0 5 ；温度检测范围1 0 8 0 。c ，精度士1 ；此外该系统还设计有人机交互界面， 具有了一定的状态分析、存储、核心参数修改等功能。 1 4 本文的主要研究内容 本文将设计一种可应用于p l u g i n 电动汽车的锂离子电池组管理系统，实现： 对所有电池单体的电压、温度、动力母线电压、电流、绝缘状态等进行实时检 测；在充电时具有电池单体电量均衡功能，并且均衡电流不小于3 0 0 m a ；能够 实时更改b m s 核心参数，并存储b m s 实时状态；设计出一种具有一定适应性 的c a n - - b o o t l o a d 方案提高系统使用灵活性口o 。2 7 4 6 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电池管理系统的硬件设计 2 1 电池管理系统底层 本设计中电池管理系统底层共有3 块，编号为1 、2 、3 。其职能是检测所在 分箱的所有电池单体的电压信息，获取电池包内预置的温度监测点的实时温度， 并将这些信息上传至c a n 网络。在充电时，底层还应根据均衡方案，开启或关 闭均衡电路。其模块框图如下： 输入 输出一板内信号- 一 图2 1 电池管理系统底层模块图 2 1 1 电源模块 电源模块的职能是为电池管理底层板提供稳定的5 v 工作电压，并包括防反 接及保险。此外，c a n 通信需要隔离电源，主控e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 电 子控制单元) 与单体管理模块的通信需要隔离电源。 图2 2 电池管理系统底层总电源电路图 5 武汉理工大学硕士学位论文 电路分析 电池管理系统的外部供电依靠车载电池，本设计针对的车载电池电压范围为 1 1 v 1 3 v ，本设计的工作电压为5 v ，所以本设计使用宽输入范围的1 2 v 转5 v 的d c d c 电源模块。由于供电电压1 3 v ，功率约为6 w ，则保险的耐压值取供 电电压的2 倍2 5 v ，熔断电流取工作电流的2 倍1 a 的保险管。在电源 设计中，滤波电容的选取原则是： c 2 5 t r ( 2 - 1 ) 其中：c 为滤波电容，单位为u f ；t 为周期，单位为s ，t - 1 f ；r 为负载 电阻，单位为q 。但由于系统的等效电阻一般无法准确估算，所以分别采用1 0 0 u f 电解电容滤掉低频干扰，1 0 0 n f 瓷片电容滤掉高频干扰。 功率分析 电池管理底层的c a n 通信模块中的调制芯片需要7 0 m a 工作电流，光耦 t p l l l 3 需要3 0 m a 电流，共两路，则c a n 通信模块共需功率0 6 5 w 左右；电 源指示及故障指示l e d 共1 0 个，每个以5 m a 工作电流计算，则功率为0 2 5 w ； 底层板共有s p i 通信隔离芯片3 片，每片4 路信号，每路2 0 m a ，则共需2 4 0 m a ， 即1 2 w ；温度检测芯片待机静态电流l m a ，动态电流1 5 m a ，所以此功率可忽 略；m c u 的最大功耗约为3 w ，在底层板中只使用了少量的i o 口及模块，因此 可计算为1 5 w 。则底层板的总功率约为3 6 w ，d c d c 转换效率按8 0 计算再 考虑功率冗余，最终选择了6 w 的d c d c 电源模块。 巧、d 图2 3 电池管理系统底层s p i 及c a n 通信隔离电源电路图 s p i 通信隔离芯片共四路i o ，每路工作电流2 5 m a ，l e d 5 m a ，共约0 5 w ， 所以使用了1 w 的d c d c 隔离电源。 c a n 通信调制芯片的工作电流为7 0 m a ，两路光耦工作电流共6 0 m a ， l e d 5 m a ，共约0 6 5 w ，所以使用了1 w 的d c d c 隔离电源。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2m c u 模块 微控制器( m c u ，m i c r oc o n t r a lu i l i t ) 是电池管理底层板的控制核心，本设计 中使用了f r e e s c a l e 的m c 9 s 1 2 x s 系列车用m c u 作为主控制芯片。它集成有c a n 通信模块；1 6 b i t 定时器；1 0 路1 2 b i t 片内a d 转换器；s p i 、s c i 、i i c 通信接口 以及丰富的i o 资源【4 2 1 。 图2 4 电池管理系统底层主控m c u 电路图 功能分析 主控m c u 的供电电源为5 v 直流，经过电感及电容滤波送入s 1 2 x s 6 4 。左 上角为复位仿真电路，在上电时，m c u 将被复位，或者按下复位开关来复位 m c u ；f r e e s c a l e 的h c l 2 系列仿真器可通过b d m 口对m c u 进行烧写或仿真。 左侧为底层板编号开关，硬件支持编号范围：0 1 6 ，本设计使用了1 、2 、3 号。 m c 9 s 1 2 x s 6 4 自带的c a n 通信模块支持c a n 2 0 a b 协议，并集成有1 2 位 7 武汉理工大学硕士学位论文 a d c 转换器1 6 路，输入范围o 5 v ，本设计使用了4 路。 2 1 3c a n 通信模块 c a n 网络是车载通信的常用网络，其优越的抗干扰能力以及丰富的i d 及数 据报文非常适合在汽车中，尤其是电动汽车系统中使用。本设计使用了 8 2 c 2 5 0 c a n 调制芯片，配合使用高速光耦t l p l l 3 实现c a n 隔离通信。 孓 一一一 一，一 图2 5 电池管理系统底层c a n 通信电路 功能分析 8 2 c 2 5 0 可将1 v r l 电平调制为差分的c a n 信号，使用5 v 供电，可工作在 - 4 0 - - , + 1 2 5 温度环境，具有1 m b p s 信号吞吐能力，并完全兼容“i s 0 1 1 8 9 8 标 准。光耦t l p l l 3 具有1 0 m b p s 的信号传输速度，且工作电流1 0 2 0 m a ，较为适 合用在c a n 通信方式中，其限流电阻为3 9 0 f l ，工作电流约1 2 8 m a 。如上图所 示，将电池管理底层的其他电路同c a n 通信电路的信号( 光耦隔离) 与供电 ( d c d c 隔离) 隔离，可减小c a n 网络与其他控制e c u 之间的干扰。且所选芯片 满足本设计c a n 通信2 5 0 k p b s 的通信速率。 2 1 4 单体检测模块 本设计对锂电池的管理使用了凌力尔特公司( l i n e a rt e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 推出第二代高压电池监视器l t c 6 8 0 3 ，它是一款完整的电池测量 i c ，其内包含一个1 2 位a d c 、一个精确的电压基准( 3 0 6 5 v ) 、一个高压输入多 路复用器和一个串行接m ( s p i ) ，其通信速率达1 m b p s 且具有包误差检验功能。 8 武汉理工大学硕士学位论文 l t c 6 8 0 3 是一款专为符合i s 0 2 6 2 6 2 ( a s i l ) 标准的系统而设计的芯片，其包含 有一组完整的自测试，可确保不会发生延迟故障的情况；为了符合该标准， l t c 6 8 0 3 还内置了一个冗余电压基准、逻辑测试电路、导线开路检测功能和一 个看门狗定时器，以实现故障安全设计。每片l t c 6 8 0 3 都可测量多达1 2 个串联 的独立电池单元，在4 0 0 c 1 2 5 0 c 的温度范围内，l t c 6 8 0 3 的最大测量误差低于 0 2 5 ，l t c 6 8 0 3 具有3 0 0 m v 5 v 的扩展电池测量范围，从而能监视种类繁多 的电池或超级电容器。其片内集成有1 2 路p m o s 均衡开关，可以配合外部均衡 电路使用。l t c 6 8 0 3 可以直接从电池组取得供电，其内部集成有电源转换模块， 具有很宽的供电电压输入范围o o v 5 5 v ) ，也可以通过外部单独供电，后者的好 处是增强的对与c e l l o 的电压检测精度，并减小对电池的损耗。本设计考虑设 计对单体检测误差的高精度要求，采用了第二种供电方式 4 3 1 。 图2 6 电池管理系统底层单体检测电路 功能分析 图示电路的左侧是1 2 节锂电池的检测接口，电池电压信号经过r c 一阶低 通滤波器送入l t c 6 8 0 3 的检测端，其幅频特性为： 1 么( f ) = _ 二号 ( 2 2 ) 4 1 + ( 2 z c r c f ) 2 在混动或电动汽车中，干扰主要来自于电动机，电动机的正常工作频率为 3 0 0 h z 左右，若分析电动机对装在屏蔽盒中的本系统产生的电磁干扰十分困难， 但可粗略估计此干扰应在1 0 m y 级，本系统要求4 v 锂电池检测精度应大约0 5 ， 即2 0 m v ，则本设计将3 0 0 h z 的干扰信号衰减1 0 倍，取r = 5 l o ，c = l u f 。 图示电路的右侧是s p i 通信隔离、电源及均衡电路。其中，均衡部分采用了 导通阻抗2 0 0 m f 2 的p m o s 开关管，以及9 d , 1 w 的功率电阻组成的被动均衡电 9 武汉理工大学硕士学位论文 路。其均衡电流可达3 0 0 m a 。此均衡电路由l t c 6 8 0 3 自带的开关引脚控制( 低电 平有效) 。s p i 通信隔离采用i s 0 7 6 4 l 高速3 入1 出通信隔离芯片。 2 2 电池管理系统顶层 电池管理系统项层是电池管理系统核心部分，它包含了绝缘检测、母线电压 检测、母线电流检测以及实时时钟模块。其中绝缘检测可以检测出误差1 0 以 内误差的绝缘阻值，母线电压误差不超过l ，电流检测误差在低电流( 1 5 a ) 下 小于2 ，大电流下误差小于1 。其他部分如电源和c a n 通信模块与底层类似， 本节不再做说明。 2 2 1 绝缘检测模块 图2 7 电池管理顶层模块图 车载电池管理系统需在母线上电前，对整个电池包的总正及总负相对车体 ( 或大地) 的绝缘情况进行检测，以确定当前状况下是否允许上电。按照国家标准， 3 0 0 0 v 时绝缘阻值应不小于o 5 m q l 4 4 j ，本系统使用锂电池，最高电压约为4 2 0 v ， 则绝缘阻值应不小于7 0 k q 。对于低电压下的具体绝缘阻值并无严格意义的要求， 本设计自行规定了绝缘等级【4 5 】，即绝缘阻值大于4 d v 认定为绝缘良好，小于 4 d v 但大于1 d v 认定为绝缘不良，小于1 d v 认定为绝缘危险，此时严禁动力 母线上电。 本设计采用了电阻网络法测量绝缘阻值，其原理如下所示： l o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 8 绝缘检测原理图 如上所示，初始状态时，s 断开，此时得到电阻r a 、r b 上电压为v a 、v b ， 则如下公式成立： 匕塑铲( r 。+ r ：) i ir + + 垦丝铲( 足- 十足z ) l i 足= y ( 2 3 ) 上式中，r + l 、r + 2 、v b 、r b 、r - l 、r - 2 、均为已知，v 可由母线电压测量 模块获得，v a 、v b 有m c u 的a d c 模块获得，则可得到r + 、r 一之间的关系。 此时闭合s ，短接r - l ，则再次可得到下式： 兰& 铲( r ，+ r 2 ) | i 皿+ 群( 如i f 足) = 矿 ( 2 - 4 ) 通过式2 3 再得到一个r + 、r 一的关系，联立便可得到动力母线正、动力母线 负与大地之间的阻值。 参数分析 实际电路与原理图有所不同，即在总正、总负与地之间并联了一个1 0 m q 的电阻。在根据原理进行实际检测时，发现r + 和r 的阻值在部分情况下会出现 负值，经过在式2 3 和2 4 的分析可知，当开关闭合后，由于总负与地之间的阻 值减小，式2 4 的第二部分应比式2 3 的第二部分小，但当r + 和r 一的阻值都接近 于无穷( 往往此绝缘阻值就是趋近与无穷) 时，上述推论便不再成立，而此时就将 解出阻值为负的情况。所以在本设计中在总正、总负与地之间并联了一个1 0 m r l 的电阻，以将绝缘阻值控制在合适的范围内，若绝缘良好，则按式2 3 和2 4 解 出的阻值就将等于1 0 m 。 对于分压电阻的计算，需考虑两个因素：电阻功率、分压比。本设计使用 l o 个电阻分压，正负各5 个，其中限流电阻8 个，分压电阻2 个；由于分压电 阻远远小于限流电阻，所以分压电阻阻值忽略；当光耦导通时，回路共6 个限 流电阻( 光耦短接2 个限流电阻) ；本设计追求体积小，所以使用0 8 0 5 封装贴片 武汉理工大学硕士学位论文、 电阻，其功率大约为o i w ，母线总正总负压差取4 0 0 v ；在极限情况下，总正与 地发生短路，且光耦导通，短接了2 个限流电阻，则此时回路中仅存2 个限流 电阻： i u s ：矿= 等地o 1 ( 2 - 5 ) r2 尺 叫 解得r = 4 0 0 k o ，本设计为留有余量，限流电阻取51 2 k q 。根据电阻功率确 定限流电阻后，确定分压比。本设计使用m c u 自带的5 v 、1 2 位a d 转换器； 双路差分放大器i n a 2 3 2 1 增益为5 ，则分压电阻的最大分压值应小于1 v ；在上 述极限情况下，取电压4 0 0 v ，电阻5 1 2 k q ，则： 告疋= 1 ( 2 - 6 ) 2 r 十r 4 解得r x _ 2 5 6 k q ，本设计取2 4 k o 。其他滤波电阻及电容取值已有所叙述， 此处不再累述。 2 2 2 母线电压检测模块 电池管理系统顶层对于母线电压的检测使用了类似绝缘检测的原理，即限 流电阻加分压电阻经过a d 转换和比例运算得到动力母线的电压值，在信号与转 换值之间加入了一个隔离放大器，用来将4 0 0 v 的母线电压与m c u 的电压进行 隔离。 删r r 】r r 1 2 2 1 3 2 6 4 ( 2 5 = 4 - 1 0 0 1 0 0 正 图2 - 9 绝缘检测电路 由上图可知，总电压经分压后，送入i s 0 1 2 2 ( 隔离放大器) ，再由a d 转换器 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 得到采样值。i s 0 1 2 2 耐压1 5 0 0 v ，放大倍率l ，工作温度2 5 8 0 。c ，- 4 - 4 5 , - a ：1 8 v 供电，本设计中信号为直流量，所以i s 0 1 2 2 的负供电与其地脚短接。 参数分析 限流电阻的取值参考绝缘检测，取5 1 2 k q ，由于隔离放大器输出信号直接 接a d 转换器，故分压电阻取1 0 k f 2 即可。 2 2 3 母线电流检测模块 对于电流检测目前主要有两种方式：霍尔传感原理、分流计原理。使用霍 尔传感器的优点是隔离性好，且抗干扰能力强，但其线性度在范围较大时线性 度很差；分流计方法线性度好，温漂小，缺点是易受到干扰。本设计的电流检 测范围较大，且存在较大温度变化，故最终使用分流计作为检测母线电流的方 法。 图2 1 0 电流检测模块 o m t l8 电流检测模块输入范围0 - - - - a ：1 0 0 m v ，正对应于分流计输出范围；1 5 v 供电情况下，可输出0 - 5 v ，正对应于本设计的a d 采样输入范围；工作温度达 - 4 5 一+ 8 5 ；线性度0 2 ：输入阻抗大于1 m q ，易于匹配后级电路。本设计将 2 0 0 a 7 5 m v 分流计的输出接入i n + 和i n ，则可根据输出值得到母线电流值。 2 2 4 实时时钟模块 在电池管理系统中，s o c 估算是一项重要工作，而在s o c 估算中，需要知 晓每次计算间的时间间隔，或两次启动的时间间隔，本设计在电池管理顶层加 入实时时钟模块，以记录时间间隔。 武汉理工大学硕士学位论文 7 图2 1 1 绝缘检测电路 上图中的s d 2 0 5 8 是一款标准实时时钟i c ，具有4 0 0 k b p s 的高速i i c 接口、 4 0 8 5 的工作温度、0 3 u w 的最低功耗、1 0 0 年实时时间，此外s d 2 0 5 8 内置 时钟精度数字调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差( 一1 8 9 p p m - - - + 1 8 9 p p m ，分辨力为3 0 5 p p m ) ，并通过外置的温度传感器可设定适应温度变化的 调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能。 2 3 硬件设计小结 本设计在电池管理系统的每块底层板设计了3 个单体检测单元，它们使用 s p i 通信，并由3 入1 出的i s 0 7 6 4 1 进行通信隔离。在第一版设计完成调试时， s p i 通信总是无法成功，通过示波器观察通信总线，发现s p i 通信的时钟及数据 线的电平范围为3 3 5 v ，低电平过高，使得l t c 6 8 0 3 逻辑判断错误，故而通信 不成功。分析原因是由于在i s 0 7 6 4 1 的l t c 6 8 0 3 端，s p i 总线被上拉，而i s 0 7 6 4 1 的使能端设计为常有效，所以高电平被传递到m c u 端，而m c 9 s 1 2 x s 中被设 置为输入的1 0 会被三路信号驱动，故而当三路全为高是，体现5 v 电平，在实 际所使用的那路为低时，体现3 3 v 电平。最后将i s 0 7 6 4 1 的使能端配合使用， 将未使用的7 6 4 1 输出设置为高阻，实现了s p i 的正常通信。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电池管理系统软件设计 3 1 电池管理底层 电池管理系统底层的主要职能是对锂离子电池单体进行管理，则其软件设 计的主要方面就是与l t c 6 8 0 3 通信，获取电池单体电压并控制均衡回路的通断； 其次，还需将检测结果整理并经由m c u 集成的c a n 模块发送至c a n 通信网 络：此外，电池管理系统还应具有记忆功能，即重要参数、检测结果，掉电不 丢失，所以电池管理系统还需对片内f l a s h 进行操作。 鬯乡 ，1一 读取温度，判断并 存储 二二 读入单体信息，判 断并存储 整理采集信息 c a n 发送底层信息 ( 望些! 堑) 图3 1 电池管理系统底层流程图 从上图中可以看出，在电池管理系统底层上电后，首先从片内f l a s h 中读取 了上次运行时存储的重要参数( 并判断其是否有效) ，而后才对其他模块进行初始 化；在定时中断中，通过得到的单体电压值判断是否需要均衡，此外还需在c a n 中断中收到充电命令才可开启均衡电路，即本设计仅在充电时开启均衡；由于 电池管理底层管理的电池单体较多，如果全部发送到c a n 网络上将造成网络拥 武汉理工大学硕士学位论文 堵，故底层仅在收到单体信息请求c a n 帧时，才将对应的电池单体信息上传至 c a n 网络。 3 1 1 单体检测 电池管理单体检测使用了l t c 6 8 0 3 集成i c ，采用s p i 总线通信方式，最高 通信速率达1 m b p s ；每片l t c 6 8 0 3 包含4 位地址码，可实现1 6 片级联寻址；内 涵丰富的控制命令和庞大的寄存器容量，使其具有强大的电池管理功能。 u o i dn o r m a l h o d e s f ( v o i d ， c h a rj ，k ； f o r ( j = o ；j l t c 6 8 0 3 一h u m ；j + ) ，l t c 6 8 0 3 一h u m p o r t e n - o x 0 0 ； p o r t e nl = o x 口1 b a t t e r y o u t ( j ) ；，判断单体脱节 d o 读电压一准确值 c r c _ c h e c k = 0 ： k = s p i _ w r ( o x l 日，1 ，0 ) ； k = l t c 6 80 3 _ w a i t 1 ) ，i l t c 6 b0 3 _ r e a d d i s p o s e ( 1 ，j ) ； w h i l e ( c r c c h e c k - 一0 ： 图3 - 2l t c 6 8 0 3 读取程序 从上图中可以看出，电池管理底层对其管理的l t c 6 8 0 3 进行了轮询。 l t c 6 8 0 3 具有一个强大的检测开路检测功能，即当某一节电池与l t c 6 8 0 3 对应 管脚的连接线发生开路时，l t c 6 8 0 3 可以检测到这一情况，并得到开路电池的 编号，其具体步骤为：首先读取开路检测电压，l t c 6 8 0 3 对电池电压a d 转换有 两种模式“s t c w a d 、“s t o w a d ”，在外接有r c 滤波器的情况下( 本设计含有 r c 滤波器) ，若发生某检测连接线开路，如下图所示： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 懿 图3 3 电池连接线c 3 开路 由于滤波电容的关系，c e l l 3 并非接地，所以其上将存在电压，经过若干 测量周期后，电容c f 3 上的电压将为b 3 与b 4 的平均值，此时使用常规的 s t c w a d 命令得到的c e l l 3 、c e l l 4 的电压也将是b 3 与b 4 的平均值。若使 用s t o w a d 命令，则l t c 6 8 0 3 内部的1 0 0 u a 恒流源将被接入，将c f 3 正端电压 放掉，并将此电压叠加到b 4 的测量中，使得c e l l 3 检测结果为0 ，c e l l 4 检 测结果为b 3 、b 4 的加和，所以，通过判断s t o w a d 命令转换结果中是否存在 0 值，即可知是否存在检测线开路，并得到开路单体编号1 4 引。 但若仅使用s t o w a d 命令进行电压转换时，由于恒流源的关系，所得单体 电压很不稳定，并误差较大，故本设计先使用s t o w a d 命令转换，并判断是否 存在开路( b a t t e r y函数) ，而后再用命令得到较为准确和稳定的电 压转换值。当然，o 如u t 果出现了开路情况s ，t 属c w 于a 严d 重故障，此时应停车检查，待 排除此故障后，才允许驾驶员继续行车。 3 1 2c a n 通信 本设计的c a n 通信使用了m c 9 s 1 2 x s 系列m c u 内置的c a n 通信模块， 支持c a n 2 0 a b 协议，t t l 电平经由8 2 c 2 5 0 芯片调制为差分信号，上传至整 车c a n 网络。本设计中使用的是c a n 2 0 b 协议，i d 使用扩展帧格式，通信速 率2 5 0 k b p s 。本设计的c a n 模块操作，主要分为四个部分： 初始化对总线时钟( 8 m h z ) 进行分频，设定通信速率( 2 5 0 k b p s ) ；使能接 收中断；设定i d 屏蔽功i i ( 本设计将其设为禁用) 。 c a n 发送向寄存器内填入i d 及数据，清除发送成功标志( c a n t f l g ) 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 将使m c u 发送c a n 帧。由于m o t o 格式的c a n 帧与i n t e r 格式的c a n 帧 存在差异，故发送时应根据给定的帧格式填装i d 及数据。 c a n 接收与c a n 发送一致，解析出c a n 通信i d 及数据，本设计使 能了接收中断，并禁用了接收屏蔽功能，因为本设计系统庞大，需响应的c a n i d 众多，且随日后升级c a n 通信使用的i d 会更加繁杂，故而未使用屏蔽工能。 错误处理当发生网络拥堵或通信被干扰的情况下，c a n 通信将发生错 误，当此类错误累积达到2 5 6 次时，c a n