（机械电子工程专业论文）电动汽车用大功率镍氢动力电池管理系统开发.pdf

中文摘要 中文摘要 随着现代科学技术的不断发展，越来越多的电气产品被研发出来并面向市场 推广应用。电气产品能源的来源主要是电力能源，其中占相当大一部分比例的电 气产品需要用到电池作为主要能量来源。 动汽车领域，在现有的电池技术基础上， 获得最好的使用性能和较长的使用寿命， 特别是在大量使用电池作为动力源的电 要实现对电池的安全合理的使用，以期 就必须对电池的状态加以检测和管理。 本课题就是根据上述实际需要而研制的基于m a s t e r s l a v e 架构的电池管理系 统，包括检测模块和核心模块两个部分。检测模块安装在每个电池箱上，实现对 单体电池电压和电池温度检测的功能，并将所采集到的数据传送到核心模块中， 同时实现对电池箱的热管理功能。核心模块可根据需要安装在车身或电池箱上， 实现整车电池的总电压、总电流、绝缘检测，电池s o c 估算并实现与整车控制器 的通讯功能。 本系统在硬件设计方面，采用f r e e s c a l e 公司生产的m c 9 s 1 2 d t l 2 8 和 m c 9 s 1 2 c 3 2 c p b l 6 芯片分别作为核心模块和检测模块的控制器，搭建了一个完整的 电池管理系统平台，实现了对单体电池电压和温度的检测以及电池组的总电压、 总电流以及s o c 的估算。软件设计方面，控制软件均采用c 语言编写，具有较高 的可读性和移植性。核心模块与检测模块之间通过4 8 5 协议进行通讯，电池管理 系统和整车控制器之间通过c a n2 o b 协议进行数据的交换。并且基于工程化和批 量化的考虑，开发了相关的调试系统和上位机调试软件，对电池管理系统硬件的 各个部分进行调试，便于大批量生产的调试工作。 关键词：电池管理系统；核心模块；检测模块；电池电压检测；电池状态 中文摘要 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ee l e c t r i cp r o d u c t sh a v eb e e n r e s e a r c h e da n du s e d 1 1 l ee n e r g ys o u r 嘲o fe l e c t r i cp r o d u c t sa g em a i n l yf r o me l e c t r i c a l p o w e r , a n dam a j o r i t yo f t h ep r o d u c t su s eb a t t e r ya st h e i rm a i np o w e rs u p p l y e s p e c i a l l y i nt h ef i e l do fe l e c t r i ca u t o m o b i l ei nw h i c hb a t t e r yi su s e da st h em a i np o w e rs u p p l y , i f w a n tt oo b t a i nb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dl o n g e ru s a g el i f e , w eh a v et om o n i t o ra n d m a n a g et h es i t u a t i o no f t h eb a r e l y a c c o r d i n g t ot h er e a lr e q u e s t ，t h i sp r o j e c ti n v o l v e s r e s e a r c ho n ab a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nm a s t e r - s l a v es t r u c t u r e i ti n c l u d e sm o n i t o rm o d u l ea n c o r em o d u l e n em o n i t o rm o d u l ei si n s t a l l e do i le a c hb a t t e r yb o x w h i c hc o u l dc h e c k t h ev o l t a g ea n dt e m p e r a t u r eo fe a c hb a t t e r ya n ds e n dt h ed a t at oc o r em o d u l et o i m p l e m e n tt h em a n a g e m e n tf u n c t i o n c o r em o d u l ec o u l db ei n s t a l l e do nt h ec a l - b o d yo r b a t t e r yb o xa c c o r d i n gt ot h er e q u e s t ，t oi m p l e m e n tt h ec h e c kf o rt h et o t a lv o l t a g e ， o a n e n t , i n s u l a t i o na n db a t t e r ys o cc a l c u l a t i o n i ta l s oc o u l dc o m m u n i c a t ew i t ht h e m a i nc o n t r o l l e ro f t h ea u t o m o b i l e i nh a r d w a r ed e s i g n m c 9 s 1 2 d t l 2 8a n dm c 9 s 1 2 c 3 2 c p b l 6m a n u f a c t u r e db y f r e e s c a l ea r eu s e da sc o n t r o l l e r sf o rc o r em o d u l ea n dm o n i t o rm o d u l e t h e yb u i l da c o m p l e t eb a t t e r ym a n a g e m e n tp l a t f o r m ，a c h i e v ev o l t a g ea n dt e m p e r a t u r em o n i t o rf o r e a c hb a t t e r ya n dc a l c u l a t i o nf o rt o t a lv o l t a g e ，c u r r e n ta n ds o c i ns o f t w a r ed e s i g n ，c p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei su s e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o r em o d u l ea n dm o n i t o r m o d u l ei sa c c o m p l i s h e db yr s 4 8 5p r o t o c 0 1 1 1 l ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e ma n dm a i nc o n t r o l l e ro ft h ea u t o m o b i l eu s ec a n 2 0 bp r o t o c 0 1 c o n s i d e r i n gt h eb i gq u a n t i t y o fm a n u f a c t u r i n g , c o m m i s s i o n i n gs y s t e ma n dp c c o m m i s s i o n i n gs o f t w a r ea r ea l s od e v e l o p e d ，w h i c hc o u l dd e b u ge a c hp a r to f t h eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m 。 k e y w o r d s ：b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ；c o r em o d u l e ；m o n i t o rm o d u l e ；s o c 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名； 如。厶。 - 导师签名： 莎方t 躬 签字日期：2 明年，t 月，f 日签字日期：力刁年，二月，j 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 枷以 签字日期： 砂口矿7 年2 月厂日 致谢 本论文的工作是在我的导师张家栋教授的悉心指导下完成的，张家栋教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 张家栋老师对我的关心和指导。 霍凯老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向霍凯老师表示衷心的谢意。 张家栋教授和霍凯老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，唐钦、巢丽娟等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 序 随着全球石油储量的不断下降和国家节能减排的要求，开发新型能源作为动 力源的车辆成为世界趋势。由于电能作为绿色、环保的可再生资源，世界各国都 围绕着电能研发电驱动车辆。我国科技部也特别设立了电动汽车重大专项，努力 推进电动汽车在国内的大力发展。 作为电动汽车牵引动力能源之一，电池的运行性能的好坏直接影响到汽车的 运行效率。基于微电子的电动汽车电池智能化综合监控管理系统，对动力链的各 环节进行综合管理，其主要功能是对动力蓄电池组的各种参数( 单体或模块电池 电压、温度、电流等) 进行实时在线测量，在此基础上对s o c 进行实时在线估 算，同时实施必要的控制，以保证电池组的安全，延长使用寿命。 因此，电池管理系统可以控制动力电池组的工作，对电池进行实时或定期自 动诊断和维护，调节电池的电压、温度，最大限度的保证电池工作在最佳状态， 防止有损伤的电池影响电动汽车的整体性能，从而优化整车性能，降低运行成本。 清华大学燃料电池客车项目是“十一五”国家“8 6 3 ”计划现代交通技术领 域“节能与新能源汽车”重大项目及相关动力系统技术平台之一。燃料电池的工 作原理是通过在燃料电池反应堆中冷燃烧氢气产生电能，通过电驱动系统从而驱 动车辆。其排放物为纯水，因此对环境几乎没有污染；另一方面它大大减少了对 石油产品的依赖，对我国的经济和战略意义十分深远。 由燃料电池的特性所决定，其输出电压的特性较软，瞬时功率输出达不到整 车性能要求。为了满足整车的性能指标，就必须在燃料电池的输出侧并联一定数 量的动力电池作为能量的补充。对于使用若干单体电池串联起来得到几百伏直流 高压电源作为电动汽车的动力源，如何监测管理这些单体的电压、温度，提高它 们的使用率和寿命就显得尤为重要。同时要准确计算出剩余电量等必要参数，都 是电池管理系统的主要功能。为了能够实时的对动力电池的各种状态进行监控， 就必须加装电池管理系统。 引言 1 1 课题目的和意义 1 引言 能源短缺目前已成为全球性的问题。由于汽车消耗的能源几乎完全依赖于石 油的制成品，全球汽车保有量的逐年上涨使能源问题成为制约汽车可持续发展的 重要因素。根据目前已探明的世界石油总储量估计，全世界的石油资源仅能供人 类充分使用4 0 年左右。在我国，石油短缺的形势则更为严峻，自1 9 9 3 年开始， 我国己成为石油净进口国，而且进口数量在逐年增加，对国际市场原油依存度与 曰俱增。过分依赖进口将严重危及国家的能源安全。据统计，2 0 0 0 年我国机动车 所消耗的石油为6 5 6 0 万吨，约占全国石油消费的三分之一，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年， 我国机动车的燃油需求将分别达到1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，占到当年全国石油总 需求的4 3 和5 7 。有限的石油资源逐步成为我国汽车工业可持续发展的瓶颈，甚 至进一步影响到国民经济的整体发展。 同时，汽车的排放污染也不容忽视。随着我国汽车保有量的增加，汽车污染 物排放总量日趋上升。我国的环境监测数据表明，汽车尾气的排放量是城市大气 污染的主要来源之一。以北京地区为例，机动车尾气排放对大气污染物中c o 、h c ， n o 的分担率分别是6 3 4 ，7 3 5 和4 6 。 发展清洁的、以可再生能源作为动力的新型汽车已经提上了议事日程。国家 科技部对此也高度重视，设立了电动汽车重大专项，对电动汽车领域进行重点研 究。本课题来自国家科技部“十一五”、“8 6 3 ”项目清华大学燃料电池客车的 子项目，着重研究与电池相关的检测技术。 以电动汽车为代表的新能源汽车是解决汽车工业可持续发展问题的主要途 径。当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占8 0 以上的道 路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的4 0 ，在市区还会跌至2 5 ，更为 严重的是排放废气污染环境。2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国对改善环保的呼声日 益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。 对电动汽车而言，动力蓄电池是为汽车提供动力来源之一，因此蓄电池的性 能对汽车的整体性能起着决定性的作用。同时，由于目前国内电池生产技术的限 制，动力蓄电池为整车成本较高的部件之一，合理利用电池、提高电池使用寿命， 必须对动力蓄电池的状态进行实时的监测。因此，就必须对动力蓄电池加装管理 系统。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状圆 早期的电池管理系统一般只具有监测电池电压、温度、电流的简单功能。随 着先进电池在电动车中应用的推广，对电池管理系统的要求越来越高，电池管理 系统的功能也越来越强，目前的发展趋势是除了监测电池工作状态参数之外还具 有精确估算电池荷电状态( s o c ) 、电池健康状态( s o h ) 、通讯、电池故障诊断、 电池组均衡控制、电池状态监铡人机界面等方面的强大功能。电池管理系统与整 车控制器通讯，能实现优化驾驶，防止过放电；与充电机通讯能实现优化充电， 避免电池在使用过程中因过充而影响电池寿命，降低运行成本。作为汽车电子控 制单元之一，电池管理系统正在朝着更加集成化、低能耗、智能化、高可靠性方 向发展。 随着电动汽车技术的研究的深入开展，国内外对电池管理系统的研究日益重 视，电池模型是电池管理的理论基础，是电池充放电控制的重要依据，对电池模 型的研究历来受到研究人员的重视，已建立了电化学机理模型、电池阶等效电 路模型、t h e v e n i n 模型、四阶动力学模型、模糊控制模型、人工神经网络模型等。 然而由于动力电池的电学特性受到充放电倍率、温度、循环次数等因素的影响， 滞后效应严重，以及电动车的应用环境复杂，对电池模型的动态特性、精度都提 出了更高的要求，现有的电池模型在电动车中应用时还存在着各种问题，迫切需 要研究适合于电动车使用的动态特性好、精度高、适用于各种充放电工况的电池 模型。9 1 年美国能源部与三大汽车公司( 戴姆勒克菜斯勒、福特、通用) 共同成立 的先进电池联合体u n i t e ds t a t e sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t l u m ( u s a b c ) ，致力于研究和发展先进的电动车能源系统，建立了专门从事电池及管 理系统的测试、试验等研究的实验室和研究机构。 我国对电动车的发展极为重视，早在1 9 9 2 年就把电动车的开发发展列入国家 的“八五”重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入 的研究开发，取得了一些研究进展和成果，研制产品在纯电动和混合动力电动车 上得到大量使用，但还需要继续积累数据、迸一步深入研究和验证。由于动力电 池种类以及特性的多样性、复杂性和非线性，电动汽车使用工况的特殊性以及满 足工程化应用方面，动力蓄电池管理系统核心关键技术及可靠性仍是未能很好解 决的技术难题和热点研究课题，如成组电池的均衡充电技术、车载微型低成本智 能电池组均衡技术、精确实时估算动力电池s o c 和s o h 的智能方法、电磁兼容 性的改进、可靠性、耐久性及适应性的提高，管理系统软硬件的优化设计及工程 化应用等方面。为提高电动汽车动力电池管理技术水平，各国科技人员仍在致力 于该方面的研究和探索。 2 引言 国内外专利申请和授权情况：在专利文献的摘要中使用“电动汽车( e v ) ”、 “电池管理( b a t t e r ym a n a g e m e n t ) ”和“s o c 估计( 算) ( c a p a c i t ye s t i m a t e 或s o c e s t i m a t e ) ”三个关键词进行查询，共查到相关文献n 篇左右，涉及中国、中国台 湾、日本、美国等几个国家和地区。提出的s o c 估测方法主要有：脉冲法，电压 下降速率法，积分法，基于电流时问积分的极化电压修正法等。脉冲法较适用于 实验室中对开路电池的容量进行检测，电压下降速率法在判断电池充放电截止时 间方面有一定优势，但是对于充放电特征曲线比较平缓时的容量估测有较大误差， 积分法的精确度不高，且有累积误差，基于积分法的极化电压修正法精确度有所 提高，但仍存在不足。考察上述这些专利成果，大多是针对特定的应用场估算方 法仍是未能很好解决的技术难题和热点研究课题，技术上仍具有很大的突破空间， 为提高电动汽车动力电池管理技术水平，各国科技人员仍在致力于该方面的研究 和探索。在我国加大电池管理系统及其相关关键技术的研发，形成自主的研发能 力，实现工程化、产业化应用，对于促进我国电动汽车的开发研制及其产业化进 程具有十分重要的意义。 1 3 系统研究内容及本文结构安排 1 3 1 系统研究内容 ( 1 ) 电池管理系统核心模块的开发，实现整车电池s o c 的估算，与检测模块 的数据通讯，与整车控制器的通讯，整车电池电压、电流监测，整车的漏电绝缘 监测等功能。 ( 2 ) 电池管理系统检测模块的开发，实现对单体电池电压、电池箱温度检测， 状态报警等功能； ( 3 ) 工程化调试系统的建立； 1 3 2 本文结构安排 本文先分析了电池管理系统的重要性和可行性，然后进行了主要核心器件的 选型，并研究了具体的硬件实现方案和软件实现方案。 第1 章简要阐述了本课题的意义和特点，及本人的主要任务。 第2 章对系统的功能、总体实现方案进行了简单阐述。 第3 章主要介绍了硬件系统设计方案，并结合设计、调试过程中遇到的一些 问题，提出了一些经验性建议。 3 北京交通大学硕士学位论文 第4 章主要介绍了系统软件实现方案。 第5 章简单介绍了工程化调试系统。 第6 章介绍了系统可靠性设计的相关内容，包括可靠性设计的重要性及本系 统中采用的具体措施。 4 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计 本章将主要介绍与系统方案设计相关的一些内容，包括系统功能需求分析和 总体设计方案。 2 1 系统功能概述嘲硼 电池管理系统对电动汽车整车的安全运行、整车控制策略选择、充电模式的 选择以及运营成本都有很大的影响。电池管理系统无论在车辆运行过程中还是在 充电过程中都要完成电池状态的实时监控和故障诊断，并通过总线的方式告知车 辆整车控制器或充电机，以便采用合理的控制策略，达到有效且高效使用电池的 目的。可以总结电池管理系统主要任务为：保证电池工作安全；保证电池有较长 的使用寿命；为用户提供所需要的各种电池信息。 根据电动汽车动力电池运行的需要以及电池管理系统的主要任务，电池管理 系统应完成以下功能： ( 1 ) 单体电池电压的监测； ( 2 ) 电池组温度的监测； ( 3 ) 整车电池组工作电流的检测： ( 4 ) 整车漏电绝缘的检测； ( 5 ) 电池组的热管理； ( 6 ) 电池组充放电次数记录； ( 7 ) 电池组s o c 的估测； ( 8 ) 电池故障分析和在线报警； ( 9 ) 与车载设备通信，为整车控制提供必要的电池数据； ( 1 0 ) 与车载显示设备通信，显示电池相关数据； ( 1 1 ) 与充电机通信，安全实现电池组的充电； 如图2 1 为电池监测系统结构图。采用分布式监测的方法，即每只电池箱都单 独备有检测模块，用来监测该箱电池的单体电池电压以及电池温度，并存储相关 数据，另外还有一个核心模块，其主要功能就是将各检测模块传送过来的电池相 关故障数据、历史数据进行存储、分析，为整车控制策略提供依据，同时还担负 着整车电流的监测、剩余电量s o c 的估算、绝缘性能的检测等重要功能。从该结 构图可以明显看出，插头l 为高压插头，用来监测绝缘所需的电池电压总正及总 负，以及监测总电流的i + 、i ；插头2 为两路c a n ，分别完成上述( 1 0 ) 、( 1 1 ) 的功能；插头3 连接核心模块和每箱配备的检测模块，分别完成与每箱通信和提 5 北京交通大学硕士学位论文 供2 4 v 电源的功能；插头4 为r s 2 3 2 调试用插头，完成相关软件参数的设置。可 见，电池监测系统从功能上可分为三个方面：底层完成数据的采集，上层完成数 据处理、分析和控制，中间通过通信管道进行数据交换和传输。 图2 - l 电池管理系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f b m s f o r m 6 系统硬件设计方案 3 系统硬件设计方案 3 1 核心模块硬件结构简介 图3 - 1电池管理系统核心模块硬件结构示意图 f i g 3 1s t m c t i l r eo f b m s c o r em o d e lf o r m 从图3 一l 电池监测系统核心模块硬件结构图看出，核心模块主要包括如下几 个模块：主控制器、电源模块、绝缘性能检测模块、电流检测模块、时钟电路、 存储模块以及各通信接口电路。 3 1 1 主控制器嘲 根据设计要求，核心模块使用的主控制器是f r e e s c a l e 公司的s 1 2 系列1 6 位 m c u ，型号为m c 9 s 1 2 d t l 2 8 ，1 1 2 管脚l q f p 封装。管脚封装如图3 - 2 。f r e e s c a l e 公司为全球最大的半导体供应商之一，其生产的微控制器主要用于汽车控制和工 业控制领域，在抗干扰能力和可靠性都很突出，非常适合于电动汽车强干扰的电 磁环境。s 1 2 系列的m c u 具有从3 2 k 到5 1 2 k 程序存储器等l o 多种型号的产品， 能够满足不同级别用户的需求。本系统选用的m c 9 s 1 2 d t l 2 8 可以满足电池监测 系统核心模块相关功能的要求，具有很好的经济性。m c 9 s 1 2 d t l 2 8 的命名规则如 下：m c 表示器件状态为完全合格产品，9 表示存储器类型为f l a s h ，s 1 2 指内核 7 北京交通大学硕士学位论文 类型，d t 表示产品系列，1 2 8 表示存储器大小为1 2 8 k 。m c 9 s 1 2 d t l 2 8 具有低功 耗、高兼容性、高运算速度、极强的索引寻址、指令的升级与替换、扩展存储器、 背景调试模式和硬件断点等特点，其内部总线为哈佛结构，内部集成了1 2 8 k b f l a s h 程序存储器，并具有丰富的外围资源，如a d 转换器、串行接口、p w m 、 c a n 控制器等，最高总线频率( b u sc l o c k ) 可达到2 5 m h z 。同时m c u 支持背景 调试，通过j t a g 口可以在任何时候( 包括现场) 编程或重写f l a s h 及e e p r o m ， 而且m c 9 s 1 2 d t l 2 8 具有b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e 的缩写) 模块，它具备 基本的调试功能，包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及断点逻辑配合，可以 实现许多重要的开发功能，利用仿真器在背景调试模式下调试电路，能完全了解 c p u 的运行规律，能够把运行过程和状态完全地表面化，使得硬件和软件调试都 相当便捷。 誉l 鬻嘲强馨镶笋 图3 - 2m c o s l 2 1 ) t 1 2 8 管脚图 f i g 3 - 2p i no f x c 9 s 1 2 f f r l 2 8f o r m 在主控制器最小系统的硬件电路设计时，必要的外围电路必须严格按照 f r e e s c a l e 公司提供的芯片说明进行配置，特别是芯片要配置可靠的d c 5 v 供电电 源，这是主控制器稳定可靠工作的前提条件，同时还需要外部晶振和复位电路。 系统采用2 4 e - l z 的卧式有源晶振，它与无源晶振相比具有更好的可靠性，同时为 8 系统硬件设计方案 提高时钟信号的可靠度，m c u 内部总线频率为1 2 m h z ( 内部2 分频) 。为了防止程序 失控，系统设置了硬件复位电路，即“看门狗”，见图3 - 3 ，使用的复位芯片是m a x i m 公司的m a x 7 0 6 。系统最长时间间隔1 6 秒左右必须对m a x 7 0 6 的w d i 管脚进行一次 电平翻转，否则，m a x 7 0 6 的r e s e t 管脚就会输出持续低电平信号使得c p u 复位， 可以在程序跑飞后复位重新执行。 图3 - 3m c u 复位电路 f i g 3 - 3r e s e tc i r c u i to f m c uf o r m 3 1 2 电源系统设计叭订嗍 由于汽车低压部分全部由两节标称1 2 v 的蓄电池串联构成2 4 v 电源，而系统 使用的芯片工作电压多数为5 v ，放电源部分必须重新进行设计。 市场上通用的电源模块2 4 v 一5 v 的d c d c 模块很普遍，但是考虑到系统多路 工作的电源隔离，同时设计要考虑静电以及二级绝缘的影响，2 4 v 输入需要对车体 外壳实现3 0 0 0 v 直流耐压试验，而电池管理系统的外壳和车身是连接在一起的， 通常的电源模块难以承受3 0 0 0 v 耐压，且多路输出电源价格不菲。 鉴于电源模块的价格以及耐压问题，电池管理系统的功率约为1 0 w 左右。可 以设计一个单端反击式开关电源。具体原理如下 电源部分分为6 个模块，下面逐一予以说明。 图3 - 4 模块l 原理图 f i g 3 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d e l1 9 北京交通大学硕士学位论文 模块1 ( 如图3 - 4 所示) 为启动电路，由于模块3 的主要工作芯片为u c 2 8 4 3 a n ， 启动电压为1 0 v ，故模块1 的稳压管采用s 妨普通稳压二极管，l l v 稳压。通过2 2 k 的电阻r 1 限流使得稳压管能工作正常。三极管选用n p n 型，即i c + i b = i e ，起到驱 动作用。当储能电容上的电压未达到1 0 3 v 时，三极管的c 极电流变大，此时， 三极管工作在放大区，当b 极为l l v ，e 极为l l v - 0 7 v = 1 0 3 v ，此时u c 2 8 4 3 芯片 ( 简称u 1 ) 便启动了，图中d l 是变压器次边整流供电，即u 1 实现自供电，模块 1 不再起作用。 模块2 是电源的核心部分，以u c 2 8 4 3 a d 为控制芯片的单端反激转换模式。该 芯片是美国m o t o r o l a 公司的一种高性能单端输出式电流型脉宽调制芯片。 u c 2 8 4 3 a d 主要由5 o v 基准电压源，用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、 电流测定比较器、p w m 锁存器、高增益e a 误差放大器和用于驱动功率m o s f e t 的 大电流推挽输出电路等构成。其管脚封装如图3 - 5 。 c 疆m 目嘲瞄n h 归f e 酣嗽 啊n s 嚣l 障 呐 v c c o 衄 制 图3 - 5u c 2 8 4 3 管脚图 f i g ，3 - 5p i no f u c 2 8 4 3f o r m u c 2 8 4 3 为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占空比， 控制场效应管的导通时间。反馈电压2 脚与内部2 5 v 基准进行比较，产生控制电 压，从而控制脉冲宽度；输出脉冲的频率由4 脚外接r 2 0 4 ，c 2 0 1 决定。3 脚为电 感电流传感器端，当取样超过1 v 时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态； 输出端6 脚内部为图腾柱式，上升下降时间仅5 0 n s ，驱动能力l a ；7 脚为供电输 入端；起振后工作电压为1 0 1 3 v ，低于1 0 v 停止工作；8 脚为内部基准5 v 。 1 0 系统硬件设计方案 图3 6 模块2 原理图 f i g 3 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d e l2 当第7 脚大于1 6 v 时，第8 脚产生5 v 基准电压，供内外使用。此时，第4 脚 在阻容电路下开始起振。第6 脚产生可调的p 嗍脉冲，驱动m o s 管开关，m 0 s 管下 面的4 个小电阻为电流采样电阻，起到过流保护的作用，当第3 脚电压大于l v 时， 脉冲关断。第2 脚为电压反馈，由于2 8 4 3 芯片内部原因，反馈比较为2 5 v ，所以 采用t l 4 3 1 产生2 5 伏电压基准，当主路输出电压高于或者低于5 伏时，线性光 藕便产生反馈信号给第2 脚，以此调节第六脚的脉冲占空比。第1 脚为补偿电路。 图3 7 模块3 原理图 f i g 3 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d e l3 此时m o s 管产生开关脉冲，变压器的原边输入2 4 v 电压，开关管的开通或者 关断便产生“交流电”，变压器的原边电流跟着副边变化而变化，t 1 3 是消磁电 路，将剩磁反馈给2 8 4 3 供电，变压器的其他副边产生交流电经整流后供电路使用 e 北京交通大学硕士学位论文 ( 如图3 - 7 所示) 。 图3 - 8 模块4 原理图 f i g 3 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d o l4 模块4 ( 如图3 - 8 所示) 为主路上的整流电路，由于主路上的功耗较大，容易 发热，故整流管需要散热处理。在电路板上开孔，相比较于两个辅路，主路功率 大，故需要加阻容吸收电路。 c 2 1 电容将整流后方波滤成直流稳压波形，在实际操作中去掉c 2 1 电容，发现 输出为4 8 6 v ，加上该电容则为5 伏输出。 图3 - 9 模块5 原理图 f i g 3 - 9s c h e r a a t i cd i a g r a mo f m o d d5 图3 1 0 模块6 原理图 f i g 3 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d e l6 模块5 和6 ( 如图3 - 9 和3 一1 0 所示) 为两个辅路供电电路，变压器输出的是 交流电，经过整流后得到约7 伏左右电压，再经过滤波输出给7 8 0 5 ，然后输出。 实践证明，电压稳定性较好。 1 2 系统硬件设计方案 3 1 3 电流检测及s o o 模块的设计 3 1 3 1 荷电状态s o o 检测方法 电池的荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ) 是电动汽车及其重要的参数，也是衡量 电动汽车先进性的重要指标。通常把一定温度下电池充电到不能再吸收电量时的 荷电状态( s o c ) 定义为s o c = 1 0 0 ，而将电池再不能放出电量时的荷电状态定义为 s o c = 0 。打个恰当的比喻，剩余电量表相当于燃油车的油表，司机通过此表直观 的显示，能够大概知道电动汽车的续驶里程。 根据前人的总结，应用于电动汽车的s o c 估算常规方法可归结为电量累积法、 电阻测量法和电压测量法3 种类型。 表3 - 1 几种s o c 测量方法的比较 测量方法内容优点缺点 通过累积电池充电或实现简单、不 电量累积法 放电时的电量来估算电池需要电池的先期知 需要确定初始 的s o c识 值，存在累计误差 理论简单，只s o c 与电阻参数 通过计算电池的内阻需考虑电池放电电之间关系复杂，用传 电阻测量法 来计算电池的s o c流和内阻两个基本统的数学方法很难 因数建模 利用电池的开路电压 实时采样电池需要大量的电 和放电深度的对应关系， 放电时的端电压，池充放电试验来存 电压测量法查表求s o c ，方法储足够多的典型数 通过其开路电压来估算 s o c 简单、能够直接得据，测量前需要将电 到s o c池充分静置 3 1 3 2 基于卡尔曼滤波器的s o c 估算算法9 帅1 1 1 卡尔曼滤波器原理 卡尔曼滤波器属于最优估计算法的一种。根据最优意义的不同，有各种不同 的最优估计方法。常见的有最小二乘估计、最小方差估计、线性最小方差估计等。 最小二乘估计的最优准则是测量估计误差的内积最小，它仅以测量数据为基准来 北京交通大学硕士学位论文 确定估计，不需要被估计量和测量值的任何统计特性，但由于精度较低，一般仅 适用于估计静态量或有确定变化规律的动态量。最小方差估计等于被估计量的条 件均值，条件均值的计算需要知道被估计量的条件概率密度。当被估计量和量测 的随机值都是正态分布时，最小方差估计是量测的线性函数，就是线性最小方差 估计。线性最小方差估计的最大方便之处是计算估计时只需要被估计量和量测的 一、二阶统计知识，而不需要条件概率密度。最小方差估计和线性最小方差估计 都是无偏估计，估计的均方误差阵最小，所以估计误差的方差也最小，都有线性 关系的性质。对被估计量来讲，这两种估计都适用于随机变量，而不适用于随机 过程。从估算随机量的精度和实用性来看，线性最小方差估计是最适合的，但是 仍然不适用于利用尽可能多的不同时刻的量测数据对非平稳随机过程的状态进行 估计。 卡尔曼滤波器是r e k a l m a n 于1 9 6 0 年提出的基于最小均方差的数字滤波算 法，用于估算动态系统状，现已应用于众多涉及动态系统的领域，例如：目标跟 踪，全球定位，动态系统控制，导航和通讯，但在电池领域使用并不广泛。 卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，利用上一时刻的估计，再加上实 时得到的量测来进行实时估计。因为上一时刻的状态估计是利用上一时刻和以前 的输入量测得到的。所以这种递推的实时估计就是利用所有的输入量测数据得到 的。其次，卡尔曼滤波把被估计量作为系统的状态，用系统状态方程来描述状态 的转移过程，因此，各时刻之间的状态相关函数，就可以根据状态方程的转移特 性来描述，解决非平稳随机过程估计的困难。卡尔曼滤波的最优准则与线性最小 方差估计一样，每一时刻的估计都使估计均方误差最小。 一般来说，动态系统( 包括电池系统) 的输出都是它过去和现在输入的函数， 因此为动态系统设定一个“状态( s t a t e ) ”来表示所有过去输入的总和，但这个“状 态”可能是无法直接测量的。这样输出就仅是现在状态和现在输入的函数，与过 去的输入没有关系。 由于实际应用的计算机系统具有离散性，因此只研究卡尔曼滤波器对离散系 统的应用。对于一个离散模型，做如下假定： ( 1 ) 待估计的随机信号的离散模型已知，形式为 砟“= a k 以+ b k u l + w k + l ( 3 1 ) ( 2 ) 其观测方程已知，形式为 y k = c k 黾+ d k u t + h ( 3 - 2 ) 其系统模型框图如下： 1 4 系统硬件设计方案 图3 1 1 离散线性系统框图 f i g 3 - 1 1l i n e a r d i s c r e t e - t i m es y s t e m i ns t a t e - s p a c e f o r m 其中各参数意义如下： ( 1 ) 以为在t 。时刻的盯x 1 状态向量。 ( 2 ) 以+ 。为在t i 后一时刻的珂x l 状态向量。 ( 3 ) 蚝为系统在t 。时刻的刀1 输入矩阵。 ( 4 ) 4 为在系统零输入时，以与赡。的联系矩阵，是竹，l 的方阵。 ( 5 ) 玩为在系统零状态时，以与矗+ 。的联系矩阵，是，l 行的方阵。 ( 6 ) + 。为信号模型的激励白噪，其均值为零，协方差阵已知。 ( 7 ) 儿为t 。时刻的m 1 的状态观测向量。 ( 8 ) c 为m n 的矩阵，为状态变量和观测向量之间的联系矩阵。 ( 9 ) 仇为川n 的矩阵，为状态变量和输入向量之间的联系矩阵。 ( 1 0 ) 叱为聊1 的观测噪声向量，与不相关的白噪。 对于噪声的某些统计特性己知如下： e k 彬】= 怒尝 e k 一】_ r k , i = k e k v j j - 0 记五为时刻的以的先验估计值，筇为t 。时刻的以的最优估计值( 用“” 表示估计，“”表示先验，“+ ”表示最优) ，在不考虑雌的影响下， = 彳h p ：为先验估计值与真实值“之间的误差： ei = x k 一叠； 其均方为：。： z a = e 【。】= f f ( x 。一) ( t 一筇) 7 】 为最优估计值与真实值之间的误差： 1 5 翠f爷 北京交通大学硕士学位论文 = h 一冀 其均方z 幺： k = e 【7 】= e 【( 黾一露) ( 坼一) 7 】 图3 一1 2 卡尔曼滤波器归算算法一 f i g ，3 - 1 2a l g o r i t h mo f k a l m a nf i l t e r 卡尔曼滤波器所要回答的问题是如何根据已知的( 3 一1 ) 和( 3 2 ) 式，在 均方误差最小的准则下，用状态向量的先验估计值、观测值y 。与相应的误差估 计：。去修正先验估计值，得到最优估计值( 不是真实值以) ，并能估计出相应 的误差：。与下一步的；。如此循环迭代，估计出整个过程及其相应的误差。 经过有限次的迭代之后，最优估计值茸逐渐接近于真实值以，与初始值菇没有关 系。也就是说，只要模型建立得准确，在初始值靠偏差较大的情况下，卡尔曼滤 波器能够按照最小均方差的原则，将最优估计值收敛于真实值以。“帅椰” 2 基于卡尔曼滤波器的电池模型“”“” 通过以上分析，得到修正后的电池模型： ( 1 ) 电池可以简单看成由一个恒压源与电阻串联组成的模型 ( 2 ) o c v 是s o c 的函数，通过s o c - 0 c v 曲线计算得到，分成充电和放电两种 1 6 系统硬件设计方案 情况进行讨论。 ( 3 ) 电池内阻足和r a 通过脉冲充分充放电试验测得。 化瞬间测量电池端电压( ，变化情况，通过计算得出。 ( 4 ) 电池极化效应通过试验测定。 这样得到电池系统的观测方程： u = o c v ( s o c ) - i x r + p 其中， ，= kl 】 月= 豳 p =南c ，! ! ：! ! 学，。 c ，l o g t - l o g t 2 ，：o l o g t z 7 具体方法是在电流，变 ( 3 - 3 ) 图3 1 3 通过电池模型模拟脉冲充电时电池电压变化与实际值比较 f i g 3 - 1 3e s t i m a t e d b a t t e r y v o l t a g ev 3 r e a l v o l t a g e d u r i n g p u l s e - c h a r g e 为了验证模型对实际测量结果的匹配程度，利用该模型模拟脉冲充电和放电 过程中电池端电压的变化，得到如图3 - - 1 3 和图3 - - 1 4 所示的波形。除开s o c 很 高和很低的范围，该模型对电池端电压的变化情况计算效果比较好。 1 7 j e 京交通大学硕士学位论文 d 2 0 0 0删舢舢 1 0 1 2 3 01 砌1 舢 圈3 一1 4 通过电池模型模拟脉冲放电时电池电压变化与实际值比较 f i g 3 - 1 4s i m u l a t e db a t t e r yv o l t a g ev s r e a lv o l t a g ed u r i n gp i l l s c - d i s c i a r g e 3 卡尔曼滤波器估算s o c 的效果以及详细分析 通过以上的分析，得到电池的状态方程和观测方程： x k + l _ 一( 挲) + ( 3 4 ) o 月 心= o c r ( x k ) 一i kx 1 1 i4 - 最+ u ( 3 5 ) 设 o ( o c v ( x d ) ：c k o x k 将其应用到卡尔曼滤波器，得到以下迭代公式： 五= 一( 华) ，。 ( 3 6 ) o 月 写。i=0一i+q(3-7) 厶= k 阪五+ 吃r ( ：t - - 8 ) = + 厶 u k 一( d c 矿( 靠) 一r + 用 ( 3 9 ) ；i = u 一厶c k ) ：i ( 3 1 0 ) 为了检