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东华大学学位论文原创性声明 一 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：用象。龟 日期：砂口，f 年月7日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 、不保密口。 学位论文作者签名：7 司参缸 日期：沙年月，7 日 指导教师签名： 庠叁 日期：2 ，。it 年月3 日 基于z i g b e e 技术的电动汽车锂电池组管理系统的设计 基于z i g b e e 技术的电动汽车锂电池组管理系统的设计 摘要 低碳成为时代主题，随着电动汽车的提倡和发展，电池及其管理 系统成为当前电动汽车发展中亟待解决的关键问题。电池组管理系统 作为电动汽车不可或缺的部件，其性能直接影响着电池使用寿命和能 量使用效率。针对现有电池组管理系统内部有线通信布线复杂、可扩 展性差和维护困难等缺点，设计了用z i g b e e 技术替代内部有线通信 的无线电池组管理系统。文中详细介绍了无线电池组管理系统的软硬 件设计和基于z s t a c k 协议栈的z i g b e e 开发应用。 无线电池组管理系统采用分布式结构，以z i g b e e 芯片和f r e e s c a l e 单片机为主要部件，外部扩展功能模块。系统内部采用z i g b e e 无线 通信技术，构建星型拓扑网络，基于z s t a c k 协议栈进行软件开发， 实现系统休眠功能、无线网络的组建和数据无线发送，并定义发送数 据帧格式，制定数据无线发送方法，保证无线网络数据通信的稳定可 靠。用m u l t i s i m 电路仿真软件对采样电路进行仿真实验，设计出高 精度、低功耗的采样电路，实现对电池组参数的精确检测。系统软件 中用校准算法和滤波算法对采样数据进行处理，得到更加精确的系统 参数，用电流积分法计算电池组剩余电量。并制定合理的故障诊断和 处理策略，保证电池组工作在安全区域。 基于z i g g e e 技术的电动汽车锂电池组管理系统的设计 用c a n a l y z e r 分析工具和p a c k e ts n i f f e r 协议分析仪进行系统调 试，针对不同系统功能进行相关实验验证，结果证明无线电池组管理 系统的可行性和有效性。z i g b e e 无线技术可真正摆脱连线束缚，提 高系统可靠性，实现系统模块化，具有低成本、低功耗、扩展性强、 维护方便等特点，适合中大型电池组管理系统的应用。 关键i 石- - - lz i g b e e ，f r e e s c a l e ，c a n 总线，电动汽车，电池组管理系统 d e s i g no fl i t h n j mb a t t e r yn l 气n a g e m e n t s y s t e mb a s e do nz i g b e ef o re l e c t i u cv e h i c l e a b s t r a c t l o w c a r b o nb e c o m e st h et o p i co ft h ee r a ，w i t ht h ep r o m o t i o na n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) ，p o w e rb a t t e r ya n di t sm a n a g e m e n ts y s t e mh a v eb e e nt h eu r g e n tp r o b l e m so fe v b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma sa ni n t e g r a lp a r to fe vh a sad i r e c ti m p a c to nt h eb a t t e r yl i f ea n d e n e r g ye f f i c i e n c y i no r d e rt os o l v et h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n g st h a tt h ew i r ec o m m u n i c a t i o ni s c o m p l e xr o u t i n g ，p o o rs c a l a b i l i t ya n dd i f f i c u l tm a i n t e n a n c e ，aw i r e l e s sb a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nz i g b e e t h ep a p e rd i s c r i b l e st h en e wd e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei nd e t a i l ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fz i g b e eb a s e do nz s t a c kp r o t o c o ls t a c k a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e ，t h ew i r e l e s sb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mc o n s i s t so f t a k i n gz i g b e ec h i pa n df r e e s c a l em i c r o c o n t r o l l e rc h i pa sm a j o rc o m p o n e n t s ，e x p a n d i n gs y s t e m f u n c t i o nm o d u l e sa se x t e r n a lc i r c u i t s t h ez i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yi su s e dw i t h i nt h es y s t e m ， a n dt h ew i r e l e s sn e t w o r ki sf o r m e di n t oas t a rt o p o l o g y t h es y s t e ms l e e pf u n c t i o n ，w i r e l e s s n e t w o r ke s t a b l i s h m e n ta n dd a t at r a n s m i s s i o na r ea c h i e v e db yp r o g r a m i n gt h es o f t w a r eo nz - s t a c k p r o t o c o ls t a c k t h es e n td a t af r a m ef o r m a ta n dd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o da r ed e s i g n e dt oe n s u r e t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi n t e r n a lc o m m u n i c a t i o n s f o ra c c u r a t ed e t e c t i o no fb a t t e r y p a r a m e t e r s ，ah i g hp r e c i s i o na n dl o wp o w e rm e a s u r ec i r c u i ti sd e s i g n e dw i t ht h eh e l po fm u l t i s i m c i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r e i nt h es y s t e m ，t h em o r ea c c u r a t es y s t e mp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h r o u g hu s i n gt h ec a l i b r a t i o na l g o r i t h ma n df i l t e ra l g o r i t h mt op r o c e s st h es a m p l e dd a t a ，t h e ， b a t t e r ys t a t eo fc h a r g e ( s o c ) i sc a l c u l a t e d 、i mt h ec u r r e n ti n t e g r a t i o nm e t h o d b e s i d e s ，a r e a s o n a b l ef a u l td i a g n o s i sa n do p e r a t i o ns t r a t e g yi sp l a n n e dt oe n s u r et h eb a t t e r i e so p e r a t ei nt h e s a f ea r e a w i t ht h ec a n a l y z e ra n a l y s i st o o la n dp a c k e ts n i f f e rp r o t o c o la n a l y z e rf o rs y s t e md e b u g g i n g ， t h er e l a t e de x p e r i m e n t sw e r ed o n ef o r d i f f e r e n tf u n c t i o n s t h ef i n a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e w i r e l e s sb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mw a sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e z i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yc a n g e tr i do ft h ew i r ec o n n e c t i o nc o n s t r a i n t ，i m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t ya n da c h i e v em o d u l a rs y s t e m 。 i nb r i e f , t h ew i r e l e s sb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi ss u i t a b l ef o rm e d i u ma n dl a r g eb a t t e r i e sd u et o l o wc o s t ，l o wp o w e r , s t r o n ge x t e n s i o n ，a n de a s ym a i n t e n a n c e z h o uj i a l e ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) s u p e r v i s e db y k e yw o r d s z i g b e e ，f r e e s c a l e ，c a nb u 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 i i i 基于z i g b e e 技术的电动汽车锂电池组管理系统的设计 i v 基于z i 塑! ! 垫查塑皇垫塑主堡皇垫塑篁堡墨堕塑堡盐 一一 目录 摘要1 a b s t r a c t i i i 目录一v 第一章引言1 1 1电池组管理系统研究背景1 1 2b m s 概述及技术现状2 1 2 1b m s 概述2 1 2 2串联电池组电压检测电路现状3 1 2 3均衡电路现状一4 1 2 4s o c 预测现状5 1 2 5通信技术现状6 1 3无线传输技术发展现状9 1 4论文研究内容1 1 第二章系统主要技术及调试工具13 2 1z s t a c k 协议栈1 3 2 2 z i g b e e 星型网络构建1 3 2 3 z i g b e e 协议分析工具及软件1 4 2 4 c a n 总线1 4 2 5 c a n a l y z e r 工具1 5 第三章无线电池组管理系统硬件电路设计1 7 3 1b m s 内部结构及主要功能1 7 3 2l e c u 硬件设计及内部结构18 3 2 1c c 2 4 3 0 控制电路1 8 3 2 2电压、温度检测电路2 0 3 2 3均衡控制电路2 3 3 2 4 l e c u 电源电路2 3 3 2 5e e p r o m 存储电路和模块编号电路2 4 3 2 6高频天线选择和设计2 5 3 2 7l e c u 硬件设计中的注意事项2 6 3 3b m u 硬件设计2 7 3 3 1m c 9 s 1 2 x s l 2 8 与c c 2 4 3 0 控制电路2 7 3 3 2b m u 电源模块2 7 3 3 3高压采样电路2 8 3 3 4电流采集电路2 9 3 3 5高压接触器控制3 0 3 3 6 c a n 通信模块3 0 3 4 本章小结3 1 3 4 1l e c u 硬件设计及调试小结3l 3 4 2b m u 硬件设计及调试小结3 2 第四章无线电池组管理系统软件设计3 3 v 基于z i g b e e 技术的电动汽车锉电池组管理系统的设计 4 1 系统组网流程3 3 4 1 1 协调器建立新网络流程3 3 4 1 2 星型网络的实现3 3 4 2 l e c u 软件设计3 5 4 2 1 系统上电初始化3 6 4 2 2数据采集事件3 7 4 2 3采样校准3 8 4 2 4故障判断事件4 0 4 2 5均衡控制事件4 1 4 2 6数据发送事件4 1 4 2 7c c 2 4 3 0 休眠模式4 2 4 3 b m u 软件设计4 3 4 3 1系统自检4 4 4 3 2系统电压、电流采样4 4 4 3 3与c c 2 4 3 0 的s p i 通信协议4 5 4 3 4 s o c 估算4 6 4 3 5 故障判断4 7 4 3 6 c a n 通信4 8 4 4 本章小结4 9 第五章系统调试与分析5 0 5 1 z i g b e e 组网验证5 0 5 2l e c u 采样数据精度验证5 2 5 3 无线电池组管理系统性能测试5 2 5 3 1电流采样测试5 3 5 3 2恒流恒压充电5 4 5 3 3 恒流放电5 5 5 4本章小结5 6 第六章总结与展望5 8 6 1 全文总结5 8 6 2 后续展望_ 5 9 参考文献6 0 附录1l e c u 电路原理图和电路板一6 5 附录2l e c u 部分程序6 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 致谢7 0 v i 第一章引言 第一章引言 在全球气候变暖对人类生存和发展带来严峻挑战的大背景下，全世界都涌动 着“低碳潮”，汽车工业则面临着新能源技术的应用，即电动汽车的研制。电动 汽车拥有三大核心技术，即电池、电机和电控系统，电池组管理系统从功能与 目标上可划分为电池部分，其技术水平直接关系到电动汽车的质量与安全。 1 1 。电池组管理系统研究背景 2 0 0 9 年1 2 月7 日到1 2 月18 日，为期1 2 天的世界气候变化大会在丹麦首 都哥本哈根召开，不管结果如何，节能减排将是拯救人类的唯一机会，汽车尾气 作为全球二氧化碳排放的第二大黑手，其石油燃料也将由新能源所取代。 锂离子电池组作为第三代动力电池的代表，和铅酸电池、m h n i 电池相比， 有着体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、开路电压高、自放电率低 等诸多优点【2 1 ，使其成为下一代汽车的首选能源，即电动汽车用动力电池。为确 保电池性能良好，延长电池寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制，因此， 电池组管理系统【3 l 4 1 ( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，b m s ) 是电动汽车中不可或 缺的核心部分，在电动汽车的发展和产业化中起着非常关键的作用。 b m s 一直是电动汽车进一步发展急待突破的瓶颈，是最核心的关键问题之 一。其基本的作用是实时监测电池组的工作状态( 电池电压、电流和温度) ，预 测电池组的剩余电量、可用功率和相应的剩余行驶里程，管理电池组的工作情况 ( 避免出现过放电、过充电、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象) ，保证 动力电池安全运行，使动力电池工作在最佳工作区，以便最大限度地利用电池的 存储能力和循环寿命【5 儿6 i 。 目前，电动汽车用b m s 内部通信一般采用c a n 总线 7 1 1 8 或r s 4 8 5 总线p j 。 由于通信介质的原因，整个系统存在以下缺陷：布线复杂，增减设备需要重新布 线；系统可扩展性差，安装和维护成本高；系统功耗和成本增加等问题。因此， 迫切需要寻求一种新型、简单有效的网络通信方式来替代传统有线通信方式，基 于z i g b e e 无线通信技术的电动汽车锂电池组管理系统正是基于此而提出的。 无线通信技术在汽车产业中一直是提升汽车产品更安全、更人性、更舒适、 更具有科技含量的重要技术力量 1 0 。z i g b e e 技术作为一种新兴的无线连接技术 1 1 【1 2 1 3 】，主要解决近距离( 1 0 7 5 m ) 、低功耗、低成本、低传输速率 ( 1 0 k b s 2 5 0 k b s ) 、低复杂度的设备联网应用。z i g b e e 技术的物理层和链路层 主要采用i e e e8 0 2 1 5 4 标准，而网络层、安全层、应用层以及各种应用产品的 第一章弓l 言 资料主要由z i g b e e 联盟负责。相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议栈紧凑 简单，具体实现要求很低，只要8 位处理器再配上4 k b 的r o m 和6 4 k b 的r a m ， 就可以满足其最低要求，从而大大降低了芯片的成本。 从电池组管理系统的成本、可靠性、扩展性和应用前景等方面考虑，采用 z i g b e e 技术不但方便灵活，而且无需考虑布线问题，维护简单，大幅提高了系统 的可维护性和可靠性。 1 2b m s 概述及技术现状 1 2 1b m s 概述 锂电池的动力性能一直是电动汽车推广使用的关键技术，可以从两方面提升 电池性能【1 4 】： 1 、提高电池自身能力，主要取决于电池材料和制作工艺 2 、设计高效稳定的电池组管理系统( b m s ) ，可以对电池进行保护，延 长其使用寿命，提高续航里程 b m s 主要有高压管理、低压管理和电池管理三大功能，系统采用分布式结 构【1 5 1 6 ，由两部分组成：电池模块管理控制单元( l e c u ) 和电池组管理单元 ( b m u ) 。系统功能如图1 1 所示。 ! 一一一一； 。， ； 蚓黪强燃i ： ； ! 一一一一； 1 k 一一一一， ；! 一一一j k 。! ； 幽警糕瓣i !； l ：一； l k 一一一4 图1 - 1 电池组管理系统功能图 电池模块l e c u 负责监控模块内的每个单体电池，主要功能有：各单体电 池的电压和温度采样、基于单体电池电压的均衡决策与控制、单体电池故障报警 和与b m u 进行通信。b m u 则负责与整车控制器通信，根据整车指令控制电池 组，主要功能有：总电压采样及电池组电流采样、高压接触器吸合与关断控制、 第一章引言 高压漏电检测、电池组s o c 估计、充放电功率的估计、电池组及高压系统故障 预测诊断、整体电池组的均衡策略与控制、车载充电器控制、与底层l e c u 的 通信、与车载充电器通信和与整车控制器的c a n 通信。高效、稳定、可靠的b m s 能有效保护电池，避免电池出现过充、过放和过热现象，可以充分利用电池的能 量，延长电池的使用寿命，并降低成本。因此，b m s 的研究是发展推广电动汽 车最直接、最经济的方式。 1 2 2 串联电池组电压检测电路现状 单体电池电压是电池充放电控制、均衡控制以及电池组状态评估的基本依据 之一，因此单体电池电压的精确测量尤为重要。模块电池组由多节单体电池串联 组成，要实现对其中各个单体电池电压测量，必须要有共同的参考地【l7 l 。串联 电池组电压测量的方法主要有以下几种： 1 ) 差模测量与共模测量法 共模测量【l8 】是相对同一参考点，用精密电阻等比例衰减测量各点电压，然 后依次相减得到各节电池电压。该方法电路简单，成本低，但是存在累计误差， 测量精度低，且无法消除，只适合电池串数较少或者对测量精度要求不高的场合。 差模测量【1 9 】是确定电路中两个独立点之问的差分电压，当串联单体电池较 多且对测量精度要求较高时一般采用此种方法。由于两个测量端有较高的共模电 压，不能用模拟开关选通，一般用继电器选通单体电池进行直接测量。 2 ) 浮动地技术测量电池端电压 由于串联电池组总电压可达几十伏，甚至上百伏，远远高于模拟开关的j 下常 工作电压，因此需要使地电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量正常进 行2 0 】【2 l 】。测量时窗口比较器自动判断当前地电位是否合适，合适则启动a d 进 行测量，如果太高或太低则通过控制器经d a 对地电位进行浮动控制。该方法 虽然可以达到较高的测量精度，但是地电位经常受现场干扰发生变化，不能进行 精确控制，影响整个系统的测量精度。 3 1v f 法 信号采集采用v f 转换【2 2 】【2 3 的方法，将被测信号先转换成电压或电流量， 再转换成对应的脉冲频率。采样到的单体电池电压经降压后送到v f 转换系统， v f 转换信号的输出通过光电隔离器件送到多路模拟开关，再送到微处理器。v f 转换法在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上采 用可编程定时器的v f 转换器。但采用v f 转换作为a d 转换器的缺点是响应 速度慢，在小信号范围内线性度差、精度低。 4 ) 直接采样法 采用线性运算放大器组成线性采样电路，经模拟开关选择要采样的通道后， 经电压跟随器送入嵌入式微处理器。微处理器片内集成a d 转换器，无须外加 第一章引言 采样保持电路 2 4 。根据串联电池组总电压的大小选择适当的放大倍数，无须电 阻分压网络或改变地电位就可以直接测量任意一节电池的电压。该方法电路简单 且测量精度高，但是存在电阻的匹配问题，同时漏电流也会对电池组的均衡性造 成影响。 5 ) 运放功能的电压转换法 这种电路利用的是运放的虚短、虚断特性，和m o s f e t 管的栅极和源极之 间阻抗非常大的原理 2 5 26 | 。把电池电压通过电阻而形成的电流流过采样电阻， 形成对电池电压的采样。这种方法对于温度的漂移比较小，主要是因为运放的抗 温漂性能。但是由于m o s f e t 的性能要求流过漏源极的电流不能太小，要处于 线形放大状态，不然就会导致电压的不准确。由于m o s f e t 管的栅源电压一般 比较低，所以这种电路只能应用于串数比较少的电池组中 2 7 1 。 从以上5 种常用的电压检测方法介绍中，其性能比较如表1 1 所示。 表1 - 1 电压检测方法比较 特性差模测量与浮动地技 v f 法直接采样运放功能的 共模测量法术测量法 法 电压转换法 精度低低低同同 温漂问同低低低 复杂度低低同低低 漏电流存在存在存在存在存在 电阻配对存在 不存在不存在存在存在 1 2 3 均衡电路现状 单体电池在串联使用时，电池组中电流相同。因单体电池之间存在不一致性， 这种单体电池间的不一致性差异随着反复地充放电后，越来越大，严重影响整个 电池组的使用寿命2 8 】【2 9 1 。电池间的不一致性虽然不可以完全消除，尤其这种不 一致性在其生产过程中就已存在，但可以通过均衡控制，尽量减少这种不一致性 3 0 】【3 1 3 2 】。当单体问差异过大时，有效的均衡管理可以将所有单体重新拉回到同 一起跑线。 现有的均衡方式一般分为以下三种 3 3 j ： 1 ) 放电式均衡 该方式通过对锂离子电池组中电压比较高的单体电池进行放电来实现均衡 【” 。由于均衡方式是放电式的均衡，不能对电压比较低的电池进行补电，所以 只有在充电过程中对电压比较高的电池通过电阻放电来达到电池组的均衡。现有 的放电式均衡一般都在充电过程中，也有在放电过程中，对放电末期的锂离子电 池组中每个单体电池通过电阻放电，使各单体电池放到同一电压值上。 2 ) 能量转换式均衡 第一章引言 该方式通过p w m 脉冲信号把锂离子电池组整体电压对单体电压进行补充 式转换或者把单体电压向整体电压通过同轴线圈进行能量转换，还有是在主体充 电的基础上对各单体电池进行补充式的充电来达到均衡【3 5 j 【36 | 。 3 ) 能量转移式均衡 该方式通过一个储能媒介电容或电感来实现，把锂离子电池组中单体电池容 量高的通过储能元件转移到容量比较低的电池上，此方式比较快捷，但是能量的 判断以及开关切换电路的实现困难7 | 。另外一种是通过电池组连接方式的变化 来实现能量转移，通过电子电路或机械开关把电池组中单体电池的连接方式由串 联改为并联，从而实现锂离子电池组的均衡，然而实现中需人为切换且会因接触 点氧化导致均衡效果不好 3 8 】。 上述三种均衡方式中，放电式均衡电路结构简单，成本低廉，但由于均衡电 阻在分流中消耗能量，需进行热处理，适合在小型电池组中使用；能量转移方法 电池电量不会白白浪费，但电路会很复杂，且体积大、成本高、控制复杂，一般 应用在大型电池组中；能量转换法相比能量转移均衡电路简单很多，成本也降低 很多，但其同轴线圈的不同，会导致每个单体电池均衡的不一致，有均衡误差， 一般适用于中级电池组中。 1 2 4s o c 预测现状 电池组的剩余容量以及相应的剩余行驶里程主要通过预测电池组的荷电状 态s o c ( s t a t e o f c h a r g e ) 【3 9 】 4 0 】 4 1 1 来获得。由于电池组工作方式的特殊性，电池组 的荷电状态s o c 的测定很困难。目前关于电池组电量的研究，主要是通过测量 电池组的电流、电压、内阻等外界参数，找出s o c 与这些参数的关系，间接的 估算电池的s o c 值【4 2 1 。目前常用的有开路电压法、电流积分法、电池内阻法、 神经网络算法和卡尔曼滤波法。 1 1 开路电压法 开路电压法( o c v ) 4 3 】 4 4 1 是最简单的测量方法，主要根据电池组开路电压 判断s o c 值。由电池的工作特性可知，电池组的开路电压和电池的剩余容量存 在着一定的对应关系。由此可以测量电池开路电压预测电池的s o c 值。 该方法简单易行，但由于不同充放电比率时电池组的电压不一致，因此对电 流波动比较大的场合，这种方式的计量将失去意义。且因不同时期电池组的内阻 大小不一样，导致了同样充放电倍率下不同时期的电池组的电压不一致，使得测 量精度很低。因此单靠电压来估算s o c 的方法难以满足实际的需求。 2 ) 电流积分法 电流积分法4 5 】【4 6 1 是通过对单位时问内，流入或流出电池组的电流进行累积， 从而获得电池组每轮放电能够放出的电子数量，确定电池s o c 的变化。电流 积分法计算中，若电流测量不准，将造成s o c 计算误差，长期积累误差越来越 第一章引言 大。因此需要校正，将电池组充满电，s o c 将重新标定至1 0 0 。此外，电流 积分法没有考虑电池温度、充放电倍率、自放电等外部因素带来的影响。 3 ) 电池内阻法 利用电池的内阻和荷电状态s o c 之间一定的线性关系，通过测出的电池电 压和电流参数，计算出电池的内阻，同开路电压法一样，用电池的内阻预测s o c 值f 4 7 4 8 。由于电池内阻是电池的固有特性，计算结果比开路电压法精确。但内 阻的在线测量存在问题，单体电池内阻的在线测量还比较精确，电池组内阻的在 线测量包括了接触电阻以及单体电池的轮换选择。因此内阻测量误差较大，而由 于电池组循环过程中内阻变化不大，所以靠内阻来判断电池组的s o c 准确性很 差。 4 1 神经网络算法 因s o c 与影响因素间的规律不明确，很难用一个准确的数学模型表示清楚。 随着计算机技术的发展，人工智能得到广泛应用。人工智能的优势在于不需要精 确的数学模型，仅通过一定时间的学习和训练，就能解决复杂、不确定、非线性 系统的建模及问题 4 引。但神经网络在建立较好的网络模型的前提下，需要依靠 大量的样本数据进行训练，才能得到较好的精度。 5 ) 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波法利用上一时刻的估计，加上实时得到的数据进行实时估计。将 电池看作动力系统，把s o c 看出该系统的内部状态，建立电池模型的状态空问 模型，通过卡尔曼滤波算法对s o c 进行最小方差估计 5 川。该算法的核心是，一 组包括s o c 估计值及反映估计误差和协方差矩阵的递归方程，协方差矩阵用来 给出估计误差范围。该方法适用于各种电池，与其他方法相比，尤其适合于电流 波动比较剧烈的混合动力汽车电池s o c 的估计。但其估计的精度依赖于建立的 电池模型的准确性，且运算量较大，对c p u 的计算能力要求较高。 从上述5 种s o c 计算方法中，可以发现影响s o c 的因素很多，主要有电流、 温度及自放电，且s o c 与这些因素没有固定的规律可言。目前并没有绝对精确 的s o c 计算方法，其也成为目前亟待解决的关键难点。在当前实际应用中，小 型电池组或要求简单的管理系统中可以采用开路电压法，而对于中大型电池组或 要求复杂的管理系统中，目前一般都是利用电流积分法。 1 2 5 通信技术现状 电池组管理系统大都采用分布式结构，系统外部与整车肯定采用c a n 总线 通信，系统内部的数据采用何种通信方式、制定何种通信协议对于实时了解电池 的容量和性能、保证电池安全可靠的运行及为管理系统提供准确的参考数据成为 电池组管理系统中的一个关键问题。目前应用到电池组管理系统中的主要通信方 式有： 第一章引言 1 ) v c 总线 i z c ( i n t e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 5 1 总线是一种由p h i l i p s 公司开发的两线式串 行总线，用于连接微控制器及其外围设备。i ：c 使用主从架构，是由数据线s d a 和时钟s c l 构成的串行总线，可发送和接收数据，为半双工通信方式。1 2 c 接口 定义了一个简单的主从双向通信接口，m c u 决定自己为主机还是从机。每个从 机具备唯一的地址，使主机可以和多个从机通过一条总线进行通信，不需要为每 一个从机提供单独的片选线。1 2 c 接口支持低速1 0 0 k b p s 、快速4 0 0 k b p s 和高速 3 4 m b p s 三种速率。 f c 总线最主要的优点是简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，1 2 c 总线占用的空问非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成 本。p c 的另一个优点是支持多主控，其中任何能够进行发送和接收的设备都可 以成为主控。主控设备能够控制信号的传输和时钟频率，但在总线上的任何时刻 只能有一个主控。 2 ) s m b u s 总线 系统管理总线s m b u s ( s m a r tm a n a g e m e n tb u s ) 是智能电池系统元件之间 的标准总线结构 5 2 】，由i n t e l 公司于1 9 9 5 年所定义的低速通信标准。s m b u s 总 线由p c 总线发展而来，是一种与1 2 c 兼容的总线，采用两线接口：数据线 ( s m b d a t a ) 和时钟信号线( s m b c l k ) 。其数据传输速率最高为1 0 0 k b p s ，虽 然速度较慢，却以其结构简洁造价低廉的特点，成为业界普遍欢迎的接口标准。 s m b u s 大部分基于p c 总线规范，和1 2 c 一样，s m b u s 不需要增加额外引 脚。s m b u s 工作在主从模式，主器件提供时钟，s m b u s 是一个真正的多主机 总线，如果多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁机制防止总 线上数据被破坏。 s m b u s 与i z c 最大的区别是最高最低时钟速率，因为p c 总线为被动传输 总线，不存在总线超时为题，速率可为0 。s m b u s 则存在总线超时问题，若时 钟信号拉低之后的时间大于超时周期( 最长3 5 m s ) 时，从机复位，认为发生总 线超时。为保证正常通信，s m b c l k 的速率必须介于1 0 k h z 至1 0 0 k h z 之间， 而v c 总线的主机或从机则可根据传输数据的需要将时钟保持在低电平。 3 ) r s 4 8 5 总线 r s 4 8 5 总线 5 3 作为- k o e 多点差分数据传输的电气规范，已成为业界应用最为 广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双 向通信，具有一定的噪声抑制能力，且通信距离长。r s 4 8 5 总线被广泛应用在许 多不同领域中作为数据传输链路，如：汽车电子、电信设备局域网和智能楼宇等 应用。但是r s 4 8 5 总线上只能有一个主机，往往应用在集中控制枢纽与分散控 制单元之间。 第一章引言 r s 4 8 5 总线具有以下缺点：1 、总线节点容量小，最多仅能接入3 2 个设备； 2 、通信速率低，常用波特率为9 6 0 0 b p s ；3 、r s 4 8 5 芯片功耗大，工作电流大， s 曾d i ：i 了线路电压降，不利于远程通信；4 、采用主机轮询方式，系统开销大，实 时性差。r s 4 8 5 这些固有的缺点不能从根本上解决，于是应用r s 4 8 5 的生产厂 商开始寻求一种更好的、更彻底的解决方案。 4 ) c a n 总线 c a n 总线( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，是国际上应用最广 泛的现场总线之一。起先，c a n 总线被设计作为汽车中的微控制器通讯，在车 载电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管 理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速 率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出任何错误。当信号传输距离达到1 0 k m 时， c a n 总线仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。由于c a n 串行通讯总线具有这 些特性，它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。 从以上四种常见的总线通信技术介绍中，其性能比较如表1 2 所示。 表1 - 2 常见总线性能比较 特性 1 2 cs m b u sr $ 4 8 5c a n 成本低廉低廉低廉稍高 通信距离 短短迈很远 总线利用率低同低同 网络特性单主网络多主网络单主网络多主网络 数据传输率 同低低同 容错机制 无 尢 尢 有 抗干扰能力低低同同 通过表1 2 比较可知，s m b u s 和p c 其通信距离短，非常适用于结构紧凑 的芯片问的通信，且成本低廉。但因其只有一条数据传输线，只能工作在半双工 模式，而且数据传输采用电平触发，在嘈杂环境中若发生数据位错误，可能造成 通信错误，抗干扰能力较差。此外，s m b u s 和p c 总线协议简单，没有提供可 靠的纠错和检测机制，容错度相对很低。r s 4 8 5 总线采用差分传输，具有相当高 的噪声抑制能力和抗干扰能力，但其不支持多主方式，系统的实时性差。且功耗 高，同样也没有可靠的容错机制。c a n 总线作为目前工业系统中最常用的现场 总线，是一种有效支持分布式实时控制的串行通信总线。c a n 总线相比于其他 三种总线，其在通信能力、可靠性、实时性、波特率、传输距离等方面有着明显 第一章引言 的优势，在目前电池组管理系统中应用最广泛。 1 3 无线传输技术发展现状 现阶段主要的无线短距离通信技术有w i f i 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外通信 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 、超宽带u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 矛l jz i g b e e 等技 术。 1 ) 、m f i 技术 w i f i 【5 4 用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务 接入，目前最常见的是8 0 2 1 l b 无线局域网，使用开放的2 4 g h z 微波频段，最 高速率为1 1 m b p s ；在恶劣环境下，传输率可调整为