电动汽车电池管理系统设计.docx

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电动汽车电池管理系统设计

2015届毕业设计说明书

纯电动汽车电池管理系统的设计

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

潘辉

指导教师：

黄海波职称实验师

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1105班

完成时间：

2015年6月17日

摘要

随着经济的发展，电力电子设备的更新速度更是突飞猛进，然而传统的能源煤，石油，天然气的储量却在日渐减少，这样带来的能源问题就引起了广大用户的关注，作为生活中的重要组成部分，汽车越来越被称为了生活得必需品,传统汽车的动力消耗也会引起环境污染，所以导致新能源汽车的发展趋势加快。

而能源的减少也引发了汽车动力的改革，而以电能代替传统的汽油的汽车便走进了人们的视野中，它污染小，对周围的影响也小。

电动汽车的主要特色就是它的电池工程，而对电池的管理系统也就成了试下研究的热点。

电池管理系统作为电动汽车上不可缺少的一部分，在对电动车的电池管理，充放电控制，电池监控等方面有着很重要的作用。

设计拟以中国长安纯电动汽车的设计要求和主体设计规划为蓝本，设计一款以单片机C8051F040作为主要控制器的电池管理系统，实现对电池的综合检测与管理的设计。

设计主要做了对电池管理系统的单片机的选择以及电压检测、电流检测、充电检测、放电检测的电路设计，并针对性的设计了外围CAN总线接口电路、及各个检测程序的软件设计。

用外围的CAN总线分别连接上级控制系统和下面的检测电路。

最终实现了上级控制系统对设计的电池管理系统以上功能的检测与控制。

关键词：

电动汽车；充电管理；锂电池；

ABSTRACT

Withtheeconomicdevelopment,powerelectronicequipmenthasbeenupdatingbyleapsandbounds.However,thereservesoftraditionalenergysources,suchascoal,petroleumandnaturalgas,havebeendecreasingwitheachpassingday.Theenergyproblemsthusincurredhaveattractedextensiveattentionfromthevastusers.Asanimportantconstituentpart,vehiclehasalsobecomeanecessityinourdailylife.Thepowerconsumptionoftraditionalvehiclewillalsocauseenvironmentalpollution,whichleadstotheaccelerateddevelopmentofnewenergyvehicle.Thedecreaseofenergyhasalsotriggeredthereformofvehiclepower.Consequently,thereplacementoftraditionalgasolinewithelectricenergyinvehiclehasenteredthepublic’svisionwithitslimitedpollutionandinfluenceonthesurroundingenvironment.Theprimarycharacteristicofelectricvehicleliesinitsbatteryengineering,andthesystemofbatterymanagementalsobecomesahottopicintheexistingresearch.Asanindispensablepartofelectricvehicle,batterymanagementsystemplaysacriticalroleinbatterymanagement,charge-dischargecontrolandbatterymonitoring,etc.

ItisplannedthatthedesignrequirementsandmainbodydesignplanningofChineseChang’anelectricvehicleshouldbetakenastheblueprintinthedesignofabatterymanagementsystemwhichtakesC8051F040single-chipmicrocomputerastheprimarycontroller.Itishopedthatthecomprehensivedetectionandmanagementofthebatterycanberealizedthroughthisdesign.Thedesignmainlyincludestheselectionofthesinglechipforthebatterymanagementsystem,aswellasthedetectionofvoltage,current,batterycharginganddischargingforcircuitdesign.Furthermore,peripheralCANbusinterfacecircuitandsoftwareofdifferentdetectionproceduresaredesignedpertinently.ByvirtueoftheperipheralCANbus,thesuperiorcontrolsystemandinferiordetectioncircuitarelinkeduprespectively.Finally,thedetectionandcontroloftheabovementionedfunctionsofthedesignedbatterymanagementsystemarerealizedthroughthesuperiorcontrolsystem.

Keywordselectricvehicles；chargemanagementli；thiumbattery

1绪论1

1.1选题背景及意义1

1.2纯电动汽车概况2

1.3论文主要内容的章节安排2

2整体研究方案4

2.1系统设计方案4

2.2系统总体设计方案的确定4

3硬件电路设计7

3.1单片机的选择7

3.2电池管理芯片介绍8

3.3电源模块的选择9

3.4采样电路设计10

3.4.1传感器的选择10

3.4.2电压采集电路的设计11

3.4.3电流检测电路的设计11

3.4.4温度检测电路的设计12

3.4.5绝缘电阻检测电路的设计13

3.4.6故障报警模块电路的设计14

3.4.7CAN通信模块15

4软件系统设计18

4.1软件系统整体设计思想18

4.2主控程序软件设计18

4.3主程序设计流程19

4.4初始化程序的设计21

4.5温度检测子程序的设计22

4.6电流检测子程序的设计23

4.7绝缘电阻检测子程序的设计23

4.8CAN总线通信子程序的设计25

4.8.1CAN的初始化25

4.8.2CAN的发送25

4.8.3CAN中断的接收26

5系统仿真28

5.1系统显示界面介绍29

5.2系统仿真结果29

结束语31

参考文献32

致谢35

附录..........................................................................................................................36

附录A整机电路图.....................................................................................................36

附录B程序清单.........................................................................................................37

1绪论

1.1选题背景及意义

人们现在的生活越来越离不开汽车的存在。

有当前调查的结果指出，当今，汽车以每一年三千万辆的速度持续增长着。

全世界汽车现在已超过十亿辆，每一千人中间，就有着一百二十个人买了汽车的群体。

在一定数量内的汽车，它的尾气排放到大气中，由于大自然的平衡体系，能够吸收一定量的有害气体，防止对人类自身的健康造成危害，但随着人们生活步调的加快，汽车的需求量也在不断地增加，此时汽车排放的尾气就会有可能超出大自然的承受力，然而,随着人口增长和经济水平的提升，人们对于汽车的需求也越来越大，因此人们迫切需要寻找一种可以代替石油的新能源汽车，电动车就因此进入了人们的眼中。

自十八世纪七十年代初，戴维逊成功地研制了第一辆电动汽车（ElectricVehicle,简称EV）后,然而电动车在十九世纪就有了一定的发展,但由于蓄电池性能差,汽车续航能力差,越来越不能达到人们的需求，这样的汽车会逐渐的被新理念的车所代替[1]。

从汽车的发展看来，无污染的车已经成了汽车行业的关注焦点，现代的电动汽车技术是结合了多项工程技术成就的先进的技术，拥有电气化的高性能车就应运而生了。

它将成为人们交通工具的首要选择,为人们的生活提供更多的便利，它不仅在利用率上优于传统的汽车，它不存在尾气排放问题，所以开发前景十分广阔。

就目前看来，发展电动汽车将是解决未来能源与环境问题的最有希望的措施之一,也是人们关注的焦点，它不仅会带动汽车产业的发展，也会得到科研机构的高度重视，对于改善环境问题起着不可估量的作用。

中国纯电动汽车最早开始于六十年代，然后再随后的几十年来也有不小的发展，但是真正的大发展的契机是开始于九十年代。

进入新世纪后，在中国的“十五”中长期发展计划中第一次电动汽车被提出，获得了国家战略层面的认可。

提出“三横三纵”研发布局。

同时大气污染也越来越严重，PM2.5指数受到人们的关注，汽油燃烧后产生的尾气是大气污染，是影响PM2.5的主要指标，因此发展电动汽车对于大气污染的治理也是非常重要的。

在中国汽车群体里。

人均汽车拥有量达到每1000人有110辆汽车，石油进口就成为了突出性问题。

因此从国家安全战略角度来讲，摆脱对汽油的依赖也变得十分重要。

最新的权威机构发布的统计数据显示截止到2015年，纯电动汽车和油电混合动力汽车在世界汽车总产量上有望继续高速的持续增长，预计可以达到近70%增长率。

而中国将是这个大幅度增长中的主力军。

从另一方面来说，为了环境环保问题，中国也必须大力发展电动汽车。

在经过了国家战略层级的两个五年规划大发展以及北京奥运会和上海世博会的初步推广，在电动汽车方面，中国的技术已经获得了很大的发展，初步建立起了中国自己的产业体系。

据最新统计，目前已有有超过75%的城市已经开始推广电动汽车，有将近200家汽车型号进入了推荐名录，电动汽车的发展已经进入了一个新的时代，在中国的发展也更是走上了更加辉煌的道路。

到2011年的第三季度，汽车新品发布会上，有超过二百款新能源汽车进军了领域，包括纯电动汽车126款，以及混合动力汽车73款，还有燃料电池汽车9款，就现在来看，大家都认为混合动力和纯电动汽车以及燃料电动汽车是未来的汽车主要发展的转型空间。

随着“十二五”规划纲提出，中国的新能源汽车将会有巨大的突破性发展，也标志着能源汽车会是战略的新型产业。

会加强发展纯电动汽车的发展，以及，可以预见到，在中国，新能源汽车必将获得长足的进步和发展。

1.2纯电动汽车概况

纯电动汽车（BEV）：

通过电能由电动机驱动的汽车。

电动车的电能来自于内部的蓄电池，纯电动汽车基本上是采用车内的电动机来进行牵引，当然也有例外的就是把电动机安装在轮子中的特殊的电动汽车。

对于燃油汽车和纯电动汽车相比较而言，区别还是比较明显的，其中纯电动汽车最大的差异在于其中的四个主要结构：

电池、车载充电器、调速控制器、动力电机。

纯电动汽车性能的差异主要取决于这主要的四个部件，四个部件的品质也起到决定了价值的意义。

首先是驱动电机的功率，决定了车能提供多大的驱动能力决定了车的速度和负重能力；其次电池的容量决定了车的续航能力，容量越大续航能力越强；同时充电器的好坏决定了充电速度的快慢，而调速控制器的性能也决定了车的基础能力。

目前纯电动汽车驱动电机有直流有刷电机和永磁电机，另外还有交流同步电动机，一个车的性能好坏，速度如何主要决定于电动机的选择，同时也影响着车的用途，性价比高的车子在电机的控制方式上也有着自己独特的特点，现阶段的电机控制主要分为两类，分别为调速控制器和不调速控制器。

电动汽车也成为时下的一个研究的主题。

1.3论文主要内容的章节安排

本文主要的研究内容如下所示：

第1章绪论,首先介绍纯电动汽车电池管理系统的课题研究背景及其意义，纯电动汽车的概念，并设计出对论文研究的章节安排。

第2章整体方案,并根据需求提出了各种方案，对方案做了对比，选择了最终的方案。

第3章硬件系统设计，主要是设计了电池管理系统的各种的电路，包括单片机系统以及电压电流检测电路，温度检测电路。

第4章软件系统设计，主要包括了ADC程序的编写，以及CAN总线的通信等部分。

第5章系统的仿真，主要包括了系统显示界面的介绍，以及显示系统仿真的结果。

2整体研究方案

现代电动汽车相较于传统的燃油汽车的最大区别就是电动汽车的电气化水平极高，需要很多传感器采集很多的信息。

电池管理需要收集数据来达到控制和管理的作用，主要需要监控的数据有电压，电流以及温度等，在系统设计初期，针对了电动汽车的需求，提出了系统设计方案，并根据需求确定了详细的各模块的设计方案，查阅了相关的资料进行了汇总。

2.1系统设计方案

设计主要是设计一款电动汽车电池管理系统，电池使用了的普通的高能锂电池单体12节组成了一个电池包，以管理此电池包为我们的需求来进行设计，并有如下具体的细致要求：

（1）可以检测单体的电压，也可以检测总体的电压，并且也可以检测通过的总电流；

（2）具有在充电和放电时都有可以测量电流的能力，正负电流都要分别测量；

（3）可以进行实时的温度检测，检测电池的当前温度值；

（4）可以检测绝缘性能，检测电池当前的绝缘性能的好坏；

（5）具有报警功能和故障处理功能，可以发出报警声；

（6）可以进行CAN总线的通信，通过CAN总线进行信息的交互；

2.2系统总体设计方案的确定

对于电动汽车来说，它所使用的大量单体锂电串联一起组成的动力源，涉及到电池的体积以及重量的方面，若干个串联的模块被分散安装在车体中组成了电动汽车的电池组[2]。

对于电池系统来说，如果使用分布式的系统方案的话所耗费的成本就会过高，并且系统本身也会过于庞大；如果使用集中式的系统方案的话，BMS的中心处理单元就会负担过重，所以，现在如果使用电动汽车的话，在电池管理系统中通常会使用一个折中的方案。

一个庞大的电池包被12个单体的电池组成在一起的，BMU是由为每个电池包配备一个电池模块的监控单元，在这里，BMS是由一个主控单元（CMU）与多个BMU组成的，整个电池管理系统可以分成结构上层的主控模块以及下层中的监控模块[3]。

其中，监控模块与主控模块之间可以通过SCI的总线来进行系统内部的联系，其余，CAN总线和系统的外部间实现通讯组成的主控模块[4]。

图1系统总流程图

电池管理系统主要由以下几部分组成：

数据采集模块、MCU主控单片机模块、均衡模块，包括传递温度信息的温度传感器、监控电流的电流传感器和电压传感器，也包括连接这些器件的辅助器件，比如说漏电检测模块、显示单元一级需要实现控制功能的控制器件[5]。

采集模块主要是ADC采集，可以采集电池的电压、电池的放电电流，单体电池的电压等部分组成，用来测量电压信号。

温度检测电路：

对电池组的温度进行采集，温度采集非常重要，因为电池高温可能发生自燃，造成危险，因此在充电和放电过程中必须要对温度进行严格监控，才能把危险情况降到最低[6]。

绝缘电阻的检测电路：

绝缘数据的检测是为了保证电动车系统的安全工作的另一个关键点。

单片机通过ADC采集可以获得正负电源以及外壳等部分的电阻值大小，如果一旦发现有电阻值不正常，小于我们标定的电阻安全值，测出触发报警，从引脚输出电平从而控制输出相应电平，此时我们设计的报警电路就会工作，发出强烈的声音指示，同时还会发出LEd闪烁报警。

故障报警电路：

具有声音、光信号的报警功能，是单片机系统控制输出相对应的电平信号来控制输出。

当系统采集的数据信息超过规定范围时，立刻发出声光报警。

本系统采集的数据有电压数据、温度数据、电流数据以及绝缘电阻等。

通过报警，可以体现对出现异常情况时的处理和改善[7]。

电压检测电路：

可以对检测电池组的单体电阻电压数据，为了保证给纯电动车提供合适的电压。

CAN总线通信：

该模块是用于进行数据的通信[8]。

3硬件电路设计

3.1单片机的选择

结合此处的需求可知，纯电动汽车电池管理系统需要的是一款带有AD功能、具有CAN通讯功能的单片机，因此我们选择了基于增强型51内核的C8051系列的单片机C8051F040，C8051F040是Cygnal生产的一个集成性高效的信号处理性的单片机，依靠其丰富的片内资源，完全可以达到我们想要的几乎全部的要求，包括内存以及丰富的IO口等部分，他几乎是达到了目前8位单片机的最高水平[9]。

如图2所示为8051单片机的全部的内部资源的结构。

这种单片机具有以下特点和功能：

（1）采用高速流水线结构的新型增强型51内核。

（2）具有我们需要的CAN总线，CAN2.0B结构。

（3）具有防止破解的内部保护，以及片上调试端口。

（4）内部有12位的高精度ADC，速度可以达到100kbps。

（5）同时也具有8位的低精度ADC，速度可以达到500kbps。

（6）内部具有12位精度的DAC两通道，满足特殊需求。

（7）内部具有64K的可在线编程的Flash空间。

（8）SRAM的大小有4KB。

（9）和普通的51单片机一样，可以外部扩展内存大小。

（10）丰富的接口包括UART，SPI，I²C。

（11）片内16位定时器5个。

（12）片内有电源电压监控器，温度传感器，以及看门狗。

保证单片机在严酷的工业环境下可以稳定的运行是很重要的，因此看门狗，电源电压监控器，温度传感器这三者是很重要的，可以有效的避免程序跑飞，程序死机之类的问题，维持稳定性。

图2C8051F040内部结构

3.2电池管理芯片介绍

对12节电池进行管理，必须要使用专门的电池管理芯片，因为单片机是串行执行，不适合处理高响应要求的并行时间，电池12节需要实时的一直进行监控，因此需要使用电池管理芯片来进行管理，我们选择的是电池管理芯片OZ890，该芯片是由大名鼎鼎的集成电路公司O2Micro研发的。

电池管理芯片OZ890是由凹凸科技采用结构重组的形式研究的，具有很多别的芯片没有的有的功能，它可以支持最高13节的电池，我们只需要12节，显然满足要求，同时它还具有普通的锂电池保护ic的全部功能，包括过流保护，过压保护，欠压保护等，是一个十分好的选择[10]。

OZ890芯片采用TQFP-64的封装，具有如下性能特点：

（1）和普通的锂电池一样，需要一定的保护措施来实现它的安全和可靠性，

包括充电时的过压过流，以及温度检测保护，短路检测保护等。

（2）可以通过I²C总线和单片机进行连接，包括使用I²C读取各项数据等情况。

（3）如果电池发生短路断路，则会第一时间进行切断，保护电池或者用电器的安全。

（4）实施显示电压情况，内置温度传感器，显示温度。

（5）最重要的功能是具有均衡功能，对于多节锂电池的串联系统来讲，由于电池有差异性，因此使用均衡技术进行充电是非常有必要的，OZ890恰好支持使用均衡技术监管充电，保证每一个系统都可以运行。

3.3电源模块的选择

电源部分是极为重要的，因此我们需要认真进行设计，使电源部分尽可能的稳定。

电动车的整车供电采用的是12V输出，单片机部分需要一个5V的可靠电源，OZ890芯片需要进行电池检测，因此需要一个尽可能宽的电压，需要±15V，风扇和蜂鸣器电压+5V。

各个芯片通过DC-DC转换获得供电电压，并能起到隔离抗干扰的作用。

+5V电压通过LM2956转换，电源模块电路如图3所示。

图3电源模块电路

因此我们需要先把电源降压到5V，此处使用Ti的LM2956作为降压芯片。

Ti的LM2956是一款非常经典的开关电源的芯片，内部集成开关，提供最高峰值电流3A的电流输出能力，电路简单易用，并且资料成熟，便于使用。

图4MAX743升压电路

通过查阅相关的资料，了解到MAX743升压电路的知识，MAX743电源的相关电路只能输出两个等级的电压正负15V及正负12V的电压。

无法满足电路的设计，提出两个改进方法，一个是采用不一样的电阻来分压网络，第二个是从它反馈的电路入手，调整输出电压，研究表明，通过改进的方法可以得到输出电压可调的电源。

通过改进电压的调节来向OZ890这个元器件提供高电压。

3.4采样电路设计

3.4.1传感器的选择

传感器的选择要求和作用:

传感器是借助于检测元件接收一种信息,并且按照一定的规律把它转换成另一种信息的装置,其获取的信息,可以是各种物理量,化学量和生物量,而且其转换后的信号也有多种形式[11]。

传感器是我们控制系统中最基础的部分，只有传感器精准的提出了相应的采集,才可以做出精准的结果。

所以,对传感器有以下要求:

（1）必须要有足够量程。

传感器的量程应该足够大;应该有一定的负载能力。

（2）响应速度快,工作的可靠性高。

（3）与测量或控制系统匹配性好,并且转换灵敏度高,线性程度好。

（4）传感器其精度适当且稳定性良好,静态响应和动态响应的准确度能达到要求还可以长期稳定。

（5）适应性强，不因恶劣环境损坏，干扰小，噪声低，可适应我们的使用。

（6）传感器性价比高。

在尽可能低的成本下保持尽可能长的寿命，并且易于维修更换。

现在能达到上述要求传感器是非常少的,所需的传感器应该参考其目的、使用环境、被测的对象状况、精度的要求和信号的处理等，具体条件来选择进行处理。

3.4.2电压采集电路的设计

OZ890芯片含有电池电压巡查电路，这些电路集成了多路单体才构成，根据图5的设计，主要是把转换好的数据借助I²C总线传送到C8051F040。

鉴于OZ890芯片巨头能够自动平衡的功能。

电