车载蓄电池智能放电管理系统设计.docx
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车载蓄电池智能放电管理系统设计
车载蓄电池智能放电管理系统设计
摘要：
电动汽车的无污染的优势，使其成为当代汽车发展的主要方向，而作为电动汽车的动力源泉电池却是一直制约电动汽车发展的关键因素。
目前车载蓄电池相比于燃料汽车还存在诸多方面问题，比如高成本，重质量，充电时间长和充电一次行驶里程短等问题。
本次设计主要介绍了电动汽车的发展历史及现状和车载蓄电池的基本性能指标且设计出一套完整的基于P87C591单片机的车载蓄电池智能放电管理系统，包括电源电路设计，电流电压检测电路设计，温度检测模块设计，可控放电模块设计，电量及状态输出显示和报警模块设计等硬件结构设计，完成了铅酸蓄电池电压，放电电流，剩余容量及电池温度等重要参数的检测，解决了传统的放电方式中电池的过放电、寿命低等缺点，实现了电动车的续航里程和寿命周期最大化，具有很好的应用前景。
关键词：
铅酸蓄电池；电动汽车；P87C591单片机；智能放电管理
Designofintelligentvehiclesbatterydischargemanagementsystem
Author
Chen
Instructor
LiuShilin
Abstract：
Pollution-freeadvantagesofelectricvehicles,makingitthemaindirectionofdevelopmentofcontemporarycars,butasthepowersourceofthebatteryelectricvehiclehasbeenrestrictedisakeyfactorinthedevelopmentofelectricvehicles.Comparedwiththecurrentvehiclebatteryfuelvehiclesarestillmanyaspects,suchascost,quality,longchargingtimeandchargingtimeshortermileageandotherissues.Thisdesignintroducesthedevelopmenthistoryandstatusquoofelectricvehiclesandthebasicperformanceindexesoftheon-boardbatteryanddesignedacompletesetofon-boardbatteryintelligentdischargemanagementsystembasedonP87C591microcontroller.IncludingPowercircuitdesignCurrentandvoltagedetectioncircuitdesign,thedesignofthetemperaturedetectionmodule,Designofcontrollabledischargemodule,Theoutputpowerandstatusindicationandalarmmoduledesignandsoonhardwarestructuredesign.Completedthelead-acidstoragebatteryvoltage,dischargecurrent,residualcapacityandthebatterytemperature,andotherimportantparametersofdetection.Solvedthetraditionalwayofdischargeofbatteryoverdischarge,lowlife.Toachievethemileageandmaximizetherangeofelectriccarsandlifecycle,hastheverygoodapplicationprospect.
Keywords:
LeadAcidBattery;ElectricVehicle;P87C591Microcontroller;IntelligentDischargeManagement
目录
1绪言1
1.1电动汽车发展及现状1
1.2电动车蓄电池基本性能指标2
1.3本论文的主要内容3
2总体结构设计4
2.1系统的主要功能4
2.2中央处理器4
3硬件设计6
3.1电源电路设计6
3.2电流电压检测电路6
3.3温度检测模块设计7
3.4可控放电模块设计8
3.4.1IPM智能功率模块特点8
3.4.2IPM电路设计9
3.5电量及状态输出显示和报警模块11
3.5.1键盘扫描电路的设计11
3.5.2显示电路的设计12
3.5.3报警电路设计14
3.6辅助模块设计14
3.6.1复位电路的设计14
3.6.2时钟频率电路的设计15
3.7电池的剩余容量估算方法设计15
4软件设计17
4.1软件系统流程设计17
4.2电压、电流采集电路流程设计17
4.3温度检测流程设计18
4.4智能功率模块流程设计20
4.5键盘扫描流程设计20
4.6数码管显示流程设计22
结论23
致谢24
参考文献25
附录系统硬件功能图26
1绪言
1.1电动汽车发展及现状
在当前的全球环境问题和金融危机的严峻的形势下，汽车行业面临的能源问题日益受人关注，发展电动汽车能源动力系统，实现汽车的电气化，推动传统汽车产业的战略转型在国际社会上已形成了广泛的共识。
目前，中国已出台了多项政策，引导和支持电动汽车产业的快速发展，政府要加速提高国内电动车行业的竞争力，使成熟期缩短。
因此，电动汽车的发展已进入一个决定性阶段，挑战与机遇并存。
电动汽车是20世纪最伟大的20个工程成就的前两项技术的集成，即是“电气化”和“汽车”的融合产品。
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。
20世纪70年代的石油短缺和能源危机，使电动汽车获得了发展机遇，到了20世纪80年代，由于空气质量和温室效应被人们日益关注，电动汽车就理所当然成为了本世纪技术开发的宠儿，因为电动汽车直接采用电机驱动，本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少。
致使人们研究电动汽车的热情进入了空前高涨期。
近几年来，世界各国政府针对电动车的发展采取了各种措施。
一是各国政府相继发布电动汽车战略发展和国家计划，进一步指明了产业发展方向。
例如：
奥巴马美国政府绿色新政的实施，在国家战略中加入了电动汽车部分，计划实现100万辆动力混合电动汽车（PHEV）用户到2015年。
而在日本“低碳革命”的内容核心视为电动汽车发展，预计到2020年电动汽车普及达到1350万辆。
二是动力电池得到高度重视，急剧增加研发投入成本，增强了突破电动汽车技术瓶颈的预期。
比如美国奥巴马总统2009年8月宣布支持研发先进动力电池且使之产业化并安排20亿美元做经费。
德国斥资4.2亿欧元启动了开发车用锂电池计划，巨头能源和德国汽车业差不多全部携资加入。
日本政府提出“控制电池”为本源，并组织国家实施专项计划，在2011年之前为研究先进电池动力技术将400多亿日元投入，下一代电动汽车在2010年左右将应用大量新型锂电池。
三是各国政府加大力度支持新政策，推动产业化电动汽车的发展。
一方面，政府通过加大支持信贷等措施，针对相关企业推动电动汽车产业化进程。
美国政府用贷款资助支持生产电动汽车。
另一方面，政府加大激励对消费者的政策，加快电动汽车市场培育。
美国对PHEV实施优惠税收，减税在15000美元和2500美元之间额度。
从2009年4月1日起英国启用汽车新消费税，免缴纯电动汽车消费税。
法国对消费者电动汽车的购买最高给予奖励5000欧元，对高排放汽车的购买最高进行处罚2600欧元。
经过近20年的研究，电动汽车已经在其关键技术、系统集成、试验应用上实现了全面突破，目前世界上部分国家争相开展电动汽车产业化工作。
但是现在，燃料汽车全部被替代电动车是不可能的，因为大多数的电动车的电池的缺陷严重影响电池的性能，一直制约电动汽车发展的重要因素，就是铅酸蓄电池提供的的动力电源。
美国高新电池开发联合体USABC（Theunitedstatesadvancedbatteryconsortium）制定了一个开发目标专门针对电动车的蓄电池系统，如表1．1所示。
表1．1美国电池现代联合会（USABC）提出的目标
项目
中期目标
长期目标
能量比，Wh/kg（3C率）
80（100）
200
能量密度Wh/L（3C率）
135
300
比功率，W/kg（80%,DOG/30s）
150（200）
400
体积功率，W/L
250
600
寿命，年
5
10
循环寿命月次（DOG）
600
1000
最终价格，美元/Kwh（40Kwh电池组一万个）
<150
<100
工作环境，℃
30~65
40~85
充电时间，h
<6
3~6
1.2电动车蓄电池基本性能指标
电池电压包括理论充放电电压、电池的工作电压、电池的充电电压、电池的终止电压。
二次电池的理论放电电压和理论充电电压相同，等于电池的开路电压。
（1）电池的工作电压为电池的实际放电电压，它与电池的放电方法，使用温度，充放电次数等有关。
电池的充电电压大于开路电压，充电电流越大，工作电压越高，电池发热量越大，充电过程中电池的温度越高。
（2）电池的终止电压是指电池在放电过程中，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。
（3）电池容量是指在一定的放电条件下，可以从电池中获得的电能，即电池所能释放的电能。
电池容量分为理论容量、实际容量。
电池的理论容量是按照电化学反应计算而来的容量。
实际容量是指在一定放电条件下，电池实际所能放出的电量。
（4）电池比容量是指在一定的放电条件下，可以从单位质量（体积）电池中获得的电能，即电池所能释放的电能。
（5）电池的能量是指电池在一定放电条件下，对外做功所能输出的电能。
由于活性物质不可能完全被利用，而且工作电压总是小于电池的电动势，所以电池的实际能量总是小于理论能量。
（6）电池的比能量（能量密度）是指单位质量（体积）电池所输出的能量，即质量比能量或体积比能量。
实际比能量是指电池实际输出的能量与电池的质量（重量）或体积之比。
（7）电池的功率是指电池在一定放电条件下，单位时间内电池输出的电能，单位为W或kW。
电池比功率是指单位质量（体积）电池所能输出的功率，单位为W/kg
（8）蓄电池的使用循环寿命是指失效前蓄电池深放电所允许的次数。
深放电可定义为蓄电池放电到完全截止电压。
它严重影响电动车续驶里程的长短。
电池的温度和充放电深度等因素都影响其使用寿命，电池寿命的延长可以使用充放电深度的适当减小来实现。
1.3本论文的主要内容
本系统设计的车载蓄电池智能放电管理系统主要包括以下几方面内容：
（1）对蓄电池的温度实时监测，通过智能温度传感器与计算机信号传输，避免由于使用不当或蓄电池温度过高等因素缩短蓄电池的寿命。
（2）对蓄电池的端电压和电流实时监测，如果出现电池容量小于警戒阈值，立即启用保护电路或自动切换备用电池。
（3）经过分析检测参数，由控制系统算出蓄电池的剩余容量，且由数码管实时动态显示出来。
（4）系统可自动校正电池的内部参数，以适应使用蓄电池所带来的一些参数变化，也能够通过控制放电电路的放电，以取得更好的效果,来实现电动车的续航里程和寿命周期最大化。
2总体结构设计
2.1系统的主要功能
本设计系统不但要实时监测车载蓄电池的电流、电压、温度等参数以及系统运行状态，而且必须处理所采集到的数据，并对放电控制模块输出控制信号到单片机以实现对蓄电池系统的智能管理；同时，还负责实现系统状态输出显示和按键控制。
在设计上采用了P87C591型8位高性能CPU芯片为控制核心的系统，它以先进的CMOS（互补性金属氧化物半导体）工艺制造，并设计制造应用于汽车和通用的工业应用。
本设计充分利用P87C591的特点实现对动力电池组的放电深度，放电电压，电流等进行控制，以避免过放电。
蓄电池有恒流、恒阻、恒功率三种放电模式，在此选择恒流放电模式，对电池进行均衡的放电，并对低压蓄电池的放电进行管理，使各个电池发挥出最优性能。
本系统结构如图2.1所示。
图2.1系统结构功能框图
2.2中央处理器
本论文运用的P87C591芯片是来自MCS-51单片机家族衍生而来的，是一款高性能单芯片8位CPU。
具有强大的80C51指令集的核心结构，节电的扩展模式被提供于全静态内核。
除了具有8051标准的外部数字设备部件，其片内还集成了CAN控制器和其他功能部件的数字设备。
而80C51单片机内部由CPU、4KB的ROM，128B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。
单片微机内部最核心的部分是CPU。
CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。
控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。
它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。
运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。
和80C51单片机相比，P87C591主要拥有以下几方面特点：
（1）该芯片具有6输入10位模拟/数字转换器，低有效复位；
（2）改进的1:
1时钟内部分频器在为12MHz外部时钟频率时可完成500ns指令周期，加快了执行指令速度，振荡器能恢复和停止，而不会使数据丢失；
（3）拥有三个存储单元：
内部的16KB程序存储器，可扩展到64KB；内部拥有512B的数据存储器；外部拥有最大的64KB数据存储器，操作数由中央处理单元CPU使用。
由于内部集成了Ａ／Ｄ转换器和独立ＣＡＮ控制器，从而简化了系统硬件设计。
下图为P87C591的内部结构框图。
图2.2P87C591的内部结构框图
3硬件设计
3.1电源电路设计
本系统采用金快乐蓄电池公司生产的６Ｄ－８０型专用于电动车的铅酸蓄电池，单体电池电压为１２Ｖ，容量为８０Ａｈ。
采用了电池２组设计，即总电压为２４Ｖ。
系统分别对其电压、电流和温度进行检测采样。
本设计电路电源中，取被管理的蓄电池为系统电源。
因为电源来自于蓄电池，必须进行隔离采用ＤＣ－ＤＣ转换器，不然就要设计另外的电路电源，在此采用LT3010稳压器进行隔离。
系统电源电路原理图如图3.1所示。
LT3010稳压器简介：
LT3010是一款微功率低压差、高电压线性稳压器。
该器件能够提供一个300mV的压差电压和50mA输出电流。
LT3010专为在电池供电型或高电压系统中使用而设计，低静态电流（工作时为30μA，停机模式中则为1μA）使其成为一种理想的选择。
在压差条件下，静态电流也处于良好受控状态。
LT3010的其他特点包括在采用非常小输出电容器情况下运作的能力。
这些稳压器可在输出端上仅布设1μF电容器时稳定，而大多数老式器件则需要采用10μF至100μF电容器。
内部保护电路包括反向电池保护、电流限制、热限制和反向电流保护。
该器件可提供一个5V固定输出电压。
LT3010稳压器采用具裸露衬垫的8引脚MSOP封装，旨在增强热处理能力。
图3.1系统电源电路原理图
3.2电流电压检测电路
主要的监测对象是所述蓄电池的电压和电流。
由精密分压电阻测得电压，通过相应的放大电路放大后输送到芯片的A/D口。
通过由0.01Ω测量电阻采样放电电流、经放大电路放大，进而输送到芯片的A/D端口P01。
对车载蓄电池电压测量的精确程度是对蓄电池进行检测的关键所在，因此设计测量电路适当与否对整个设计的系统至关重要。
由于P87C591嵌入式A/D转换器能够工作在5V参考电压下，所以使用的电流和电压测量电路如图3.2所示。
该电路不仅可确保当前采样的电压电流检测电路数值可随着电池的端电压的变化相对应的实时变化，还可以使数据更准确和可靠。
图3.2电流电压检测电路
3.3温度检测模块设计
温度的测量对于电动车蓄电池管理系统来说无疑是很重要的一个环节，通过单节电池温度的变化，反映了蓄电池的状态，若温度过高，则应该停止电池的放电工作，来保护电池不受损害。
本设计采用美国Dallas公司制造的DS18B20数字单总线智能温度传感器，物理量温度直接转换成数字信号，并通过总线方式传输传送到控制器进行处理数据。
该器件的主要特点为：
独特的单线接口，只需一个接口引脚即可通信；可用数据线供电；不需要外部元件；不需要备份电源；非易失性的，用户可定义的报警温度装置。
DS18B20对实测的温度提供了10位的数据和温度报警寄存器，测温范围为-60~+140℃，其在-15~+90℃的范围内测量精度为±1℃。
此传感器可适用于各种环境、各种领域的系统控制及测量自动化，具有微型化、低功耗、高性能、强抗干扰能力、微处理器宜配等优点。
DS18B20测温原理如图3.3所示。
图中由于受很小温度影响产生振荡频率的低温度系数晶振，因此用计数器1接收固定频率产生的脉冲信号。
有显著的温度变化的高温度系数晶振其振荡率也有很大幅度的变化，计数器2用作接收其所产生的脉冲输入的信号。
计数器1和温度寄存器被置放在一个基数值所对应的-55℃温度下。
对低温度系数晶振产生的脉冲信号计数器1用减法计数进行处理，当计数器1的预置值减到0时，使得温度寄存器的值加1，重新装入计数器1的预置，对低温度系数晶振产生的脉冲信号计数器1进行开始重新计数，依次进行循环下去直到计到0数值出现在计数器2时，温度寄存器停止其值的加累，这时所测温度的数值即为温度寄存器中的值。
在图3.3的测温过程中产生在修正和补偿的非线性用斜率累加器处理，计数器1的预置值用于其输出修正。
图3.3DS18B20测温原理图
如图3.4所示是测温电路设计。
本次设计系统采用具有热传导性能的粘合剂将DS18B20器件在蓄电池的表面上粘附，蓄电池表面温度与其管心温度之差大概在0.1℃左右。
当被测量的蓄电池温度与周围环境温度不同时，应将引线和器件的背面隔离周围空气。
通向管芯的最重要的热量路径是接地引脚，我们一定要确保被测温的蓄电池和接地引脚也有良好的热接触。
图3.4测温电路图
3.4可控放电模块设计
本系统主要是针对电动车蓄电池组进行管理，使续航里程和寿命周期最大化。
为此，选择了基于IGBT的智能功率模块IPM进行智能放电管理。
IPM能根据控制电路发出的指令，实现对车载电池的智能放电，且有自动断电保护的功能。
3.4.1IPM智能功率模块特点
IPM是先进的混合集成功率器件，由低功率、高速的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）芯片和优选的门级驱动及保护电路构成,因此具有集成度高、开关速度快、体积小、功耗低的特点。
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件简单、可靠,使得开发系统的时间大大的缩短了,自保护的性能在故障下也得到了很大的提高。
每个IGBT模块的最佳驱动条件都设计在了驱动电路之内。
与普通IGBT模块相比,IPM进一步改进了IGBT的可靠性及系统性能方面。
IPM内部框图功能如图3.5所示,IPM内部包含四种保护电路能够提供的保护有:
过流保护OC、过热保护OH、欠压保护UV和短路保护SC。
由于采用有电流传感功能的IGBT芯片，能连续监测功率器件的电流，从而实现快速的短路保护和过流保护。
也正是由于IPM的这些性能及结构特点，进一步使系统的可靠性提高了。
当任一故障出现在保护电路中时，内部电路会封锁驱动信号并向外传送故障信号Fo，以便外部的控制单元及时进行处理故障信号，避免功率器件进一步受到损坏。
图3.5IPM的内部功能框图
3.4.2IPM电路设计
IPM电路内部主要提供了驱动电路部分以及保护电路部分。
（1）驱动电路
所述驱动电路为控制电路和主电路的IPM之间的接口，设计驱动电路上优良的系统对可靠性、运行效率和安全性都有巨大作用。
以一种R型的IPM即PM75RSE120为例,工作在1200V/75A条件以下,装置内部包装了7个IGBT,最大功率开关的频率为20kHz。
IPM内置电路驱动和IGBT电路驱动设计作比,电路驱动外围的设计比较简单,IPM电路的光耦接口设计电路和电源驱动是其重点的设计所在。
IPM对电压输出的驱动电路有严格要求,内容如下:
①电压驱动以
为范围,高16.5V电压可能将导致内部部件损坏,低于13.5V电压欠压保护将启动；
②IPM反向极间压耐值最多是驱动绝缘电压电源的1/2倍；
③驱动电流要拿器件给出的要求电流驱动作参考,根据频率开关进一步实际修正；
④隔离彼此之间的驱动电压,来使地线噪声的干扰减少；
⑤输出端驱动电流不可以有过大滤波电容,由于当产生超过100pF寄生电容时,会产生干扰噪声将有可能使内部驱动电路误触发。
必须采用光耦作为IPM接口电路,应尽量缩短引脚IPM和输出脚光耦之间的走线,最好采用高速光耦，因为其具有共模抑制比高。
因为较大的
常加初、次级间,因此为避免增加耦合电容布线不能太靠近初、次级。
高速光耦的要求规格为
或
（3.1）
（3.2）
其中,
为保持高时输出光耦所能承载的共模电压最大上升率；
为保持低时输出光耦所能承受的共模电压最大下降率；
为下降沿光耦延时；
为延时光耦上升沿；
为传输比光耦电流。
图3.6所示为一种用途较多的可信性高的智能功率器件外部驱动电路。
光电耦合器的输入用10μF和0.1μF滤波电容器C1，C2来保持稳定的电压控制和稳定的阻抗线路的校正。
输入的控制信号
端子和输入端应连接到20k的上拉电阻R，上桥臂控制路用15V直流电源分别提供电源，然而下桥臂用一路电源共享的方式来驱动。
图3.6IPM外部光耦驱动电路图
（2）保护电路部分
①欠压保护
由15V电源直流供电内部IPM控制电路。
如果出现某种原因，在电源电压下降到低于指定的电压动作值（
），将关闭电源的移动设备和产生一个故障输出信号。
小于指定
的小毛刺并不影响工作的控制电路，将不工作去保护欠压电路。
故障之后，正常恢复运行，欠压复位值（
）一定要低于电源电压。
欠压保护在电路电源上电和掉电期间必须保持控制。
②过热保护
在绝缘基板上，温度传感器安装在靠近IGBT芯片上。
如果衬底温度超过过热值（
），IPM控制内部电路关断，直到正常恢复温度，从而功率器件保护的驱动器栅极不影响输入信号控制。
当温度下降到复位值（OTR）之下，而且输入控制为高（关闭状态），电源IPM将接受一个低级别的信号输入（打开状态），并恢复运行正常。
③过流保护
当电流值流过IGBT超出动作过流的数值（
）且大于
时间，将关断IGBT。
值在当前短脉冲时间小于
是没有危险的，电路过电流保护将不会被处理。
当检测到过电流，软关断IGBT，故障信号输出。
控制软关断在关断时
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