电动汽车剩余电量检测软件设计.docx

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电动汽车剩余电量检测软件设计

电动汽车剩余电量检测软件设计

摘要

估算电池剩余电量不但可为电动汽车的可持续行驶历程提供精确的判断，还是管理电池科学充电和放电的基本条件，对提高电能利用效率和提高电池寿命均具有重要的意义。

本课题通过对汽车剩余电量检测系统的功能分析，提出了其基本的硬件结构框图以及软件系统设计方案。

方案中针对电动汽车工作电压高，工作电流大，剩余电量估算精度要求高的特点，采用了基于单片机的分组管理的理念和方法。

并以基本时安法为主体，辅助考虑电压、温度等多种环境参量的影响作用，以目前最常用的锂电池为对象，设计了可实现剩余电量检测计算的软件程序，完成了程序的仿真和调试。

关键字电动汽车；电池管理系统；SOC剩余电量；锂电池

THESOFTWAREDESIGNOF

ELECTRICCARSSOCDETECTION

ABSTRACT

Estimatingresidualbatteryelectricpowernotonlycanprovideaccuratejudgmentofscientificmanagementfortheelectricvehiclewhichcandrivesustainablecourse,butalsocanbethethebasicconditionsofbatteryscientificallycharginganddischargingforrunningbattery,whichcanimprovetheusingefficiencyofandbatterylife.

Thistopicputforwardthebasicstructureofhardwareanddesignschemeofsoftwaresystemthroughthefunctionanalysisofvehicleresidualelectricpowerdetectionsystem.Theschemeadoptsideaandmethodbasedonsinglechip'sgroupmanagementaimingathighworkingvoltageofelectricautomobilework,highworkingelectricityandhighaccuracydemandforestimatingresidualelectricpower.Atthesametime,theschemedesignssoftwareprogramofcalculationanddetectionofremainingresidualelectricpowerandcompletessimulationandtestofthesoftwareprogram,whichrelysonthesubjectofthebasicmethodoftime-ampere,auxiliaryconsideringenvironmentalparameterseffectofvoltage,temperatureandsoon,andtheobjectoftheusuallithiumbattery.

KeywordElectriccars，batterymanagementsystem，theresidualelectricpowerofSOC，lithiumbatteriy

1绪论

1.1项目背景

新能源汽车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢动力汽车、代用燃料汽车等。

通常人们所说的电动汽车主要是指混合动力汽车和纯电动汽车。

目前，在众多的新能源汽车当中，电动汽车以其优越的使用性能和相对低廉的销售价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。

汽车工业是国民经济的支柱产业，它与人们的生活息息相关，已成为现代社会必不可少的组成部分。

但是，以石油为燃料的传统的汽车工业，在为人们提供快捷、舒适的交通工具的同时，增加了国民经济对化石能源的依赖，加深了能源生产与消费之间的矛盾。

随着资源与环境双重压力的持续增大，为缓解石油资源短缺局面，降低汽车燃油对环境的污染，发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方向。

1.1.1国外电动汽车发展现状

从世界范围来看，具有高效节能、低排放或零排放优势的电动汽车受到世界各国的广泛重视，成为国际节能环保汽车发展的主攻方向，经过近四十年的发展，全球电动汽车产业已由产品开发期逐渐向市场导入期过度，各国政府纷纷投入巨额资金促进电动汽车的商业化[1]。

其中，混合动力汽车已形成了成熟商品，燃料电池电动汽车与纯电动汽车由于受到电池技术困扰，目前还没有一款非常完善可实现产业化的产品。

但从发展趋势来看，混合动力只是电动汽车的过渡产品，以燃料电池为基础的电动汽车是目前全球各汽车公司公认的发展方向。

通常人们所说的电动汽车主要是指混合动力汽车和纯电动汽车。

目前，在众多的新能源汽车当中，电动汽车以其优越的使用性能和相对低廉的销售价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。

在电动汽车产业全球大发展的环境下，各主要汽车生产国及生产企业都在加大电动汽车的研制与开发力度，美国的通用、福特公司，日本的丰田、日产及本田公司，欧洲的奔驰、雪铁龙公司都积极开展电动汽车的研制与开发工作，并取得了实质进展，电动汽车从研制试验阶段走向商品生产及应用阶段的步伐不断加快。

尤其是美国、日本、德国等发达国家对电动汽车技术高度重视，从汽车技术变革和产业升级的战略出发，颁布制定了优惠的政策措施，积极促进本国电动汽车产业发展，以期提升本国汽车工业国际竞争力。

据不完全统计，到目前为止，发达国家累计用于电动汽车的科研开发和产业化发展的资金已达数十亿美元。

凭借雄厚的实力和巨额的资金投入，发达国家的汽车制造商已经在全球汽车工业新一轮竞争中占据了有利地位。

特别是以丰田为代表的日本汽车企业，已经在混合动力技术方面掌握了绝对优势，并在北美等国际市场上形成了相当的规模。

从全球主要汽车生产厂家的发展计划看，电动汽车的产业化时代正在到来。

目前，“低排放”汽车（主要指混合动力汽车）已进入大规模产业化阶段，在全球的累计销量已超过100万辆，“零排放”汽车（主要指纯电动汽车）的批量生产时间已提前到2015年，比原来预计的时间提前了10年至15年。

特别是去年爆发国际金融危机以来，面对严峻形势，发达国家的政府纷纷出台相关政策，加快了电动汽车的发展步伐。

据权威部门预测，未来10年，将是电动汽车产业格局形成的关键时期，电动汽车将成为拉动经济发展新的增长点[2]。

1.1.2国内电动汽车发展现状

我国电动汽车发展现状我国电动汽车发展始于上世纪九十年代。

中科院电工所、上海811所、清华大学、上海同济大学、北京理工大学等单位，在“863”计划和“十五”国家科技专项等国家项目的支持下，取得了阶段性的研究成果，培养了一支能力较强的研发队伍，人才储备体系正在日趋完善。

目前，我国许多科研机构、高等院校都增设了与电动汽车研发有关的机构和人员，并把电动汽车及相关零部件的研发列为重点课题，这为我国电动汽车产业的发展打下了良好的基础。

随着能源危机的不断加剧和大气污染的日益严峻，我国对具有显著节能环保特征的电动汽车的需求不断升温，我国政府对电动汽车相关技术的开发力度不断加大，各类电动汽车相继上市，电动汽车市场正在逐渐形成并不断扩大，电动汽车产业作为一个新兴产业日益受到中国的高度重视[3]。

电动汽车技术作为新兴领域，我国与发达国家水平却基本相近，加快发展电动汽车产业对于振兴我国汽车工业和掌握新一轮汽车革命竞争主动权具有十分重要的意义。

近年来，随着全球汽车工业重心开始向中国市场转移，电动汽车的产业化进程明显加快。

据不完全统计，目前，我国包括比亚迪、上汽、一汽、东风、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在内的整车企业超过150家，包括一汽、上汽、宇通等在内的从事混合动力客车研制和生产的厂家就有30多家[4]。

特别是随着我国电动汽车的制造体系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已开始涉足与电动汽车相关的电池、发动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。

当前，国际金融危机不断蔓延，各国汽车企业的发展都受到很大影响，企业生存面临着极大挑战。

针对这一形势，按照国务院指示，国家发展改革委组织制定了《汽车工业调整和振兴规划》，对我国汽车工业发展进行了全面规划部署，财政部、科技部等部门也制定了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》[4]，推出了“十城千辆”计划等一系列国家行动方案，加大了对电动汽车的政策支持力度。

在此激励政策的鼓舞下，国内汽车企业纷纷增加对电动汽车及相关零部件的研发投入，我国电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段。

我国在电动汽车技术领域科研实力雄厚，具有良好的产业基础，抓住机遇，顺势而上，加大电动汽车技术的研究、开发与产业化力度，实现我国汽车产业突破性发展，对于巩固和扩大我国汽车产业优势、推动全国经济结构调整、培育全国新的经济增长点具有十分重要的现实意义。

1.2电池作为汽车动力源的局限性

（1）电池由于技术上的限制，单体电压小，放电持续时间短，这表现在电动汽车上就是行驶距离的限制。

而且电池有一定的寿命，电池的老化程度对电池对外表现的特性也有巨大的影响，其次电池的工作模式分为充电模式和放电模式，这就要防止电池的过充电和过放电对电池造成的不可逆转的破坏[5]。

（2）另一方面电池稳定性差，电动汽车采用多节电池串联获得高电压，这就带来了另一个问题，电池与电池之间有许多差异，因为容量的不同在使用中可能对电池造成破坏，这就需要我们对电池进行分组管理以尽可能减少各节电池之间的差异，防止因为这种差异带来的损害，除此之外，动力电池还要适应快速放电的要求，并且尽可能不受环境温度的影响。

基于以上难点，要采用电池作为动力源，并达到要求，这就需要我们对电池做一定的管理。

1.3电动汽车对动力蓄电池的基本要求

（1）比能量高

比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，它是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，2h放电率时电池的比能量至少不低于44Wh/kg[6]。

（2）充电技术成熟、时间短

电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够实现感应充电。

在充电时间上能够实现快速充电，电池的正常充电时间应小于6h，电池快速充电达到额定容量50％的时间应为20min以下[7]。

（3）连续放电率高、自放电率低

电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率可以达到额定容量的70％左右。

自放电率要低，电池能够长期存放。

（4）适应车辆运行环境

电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。

（5）安全可靠

电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱、外壳。

应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。

废电池能够回收处理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。

电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。

（6）长寿命、免维护

电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。

1.4电池管理系统

电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）是由微电脑技术，检测技术等构成的装置，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电量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态，达到延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性。

一般而言电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（StateofCharge，即SOC），即电池剩余电量[8]，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

（2）动态监测动力电池组的工作状态：

在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。

同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。

除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

1.5汽车电池剩余电量检测的研究

剩余电量检测作为汽车电池管理系统一部分，在整个系统中起着举足轻重的作用。

其外在表现能让驾驶员清楚地知道汽车的电量还能够使汽车跑多远，以便于安排行驶路线并选择及时充电，为电池充放电的管理与控制操作提供实时的参数，防止因为不清楚剩余电量而出现过充电或过放电的现象，而使电池造成破坏。

2汽车电池剩余电量检测系统硬件结构组成

2.1汽车电池剩余电量测量难点

由于目前单节锂电池的电压在2.5V-4.2V，汽车电池系统需要由多节电池串联组成，而电池的一致性，目前还没有做到很好，要保证电池剩余电量估算的准确就必须估算每节电池的工作状态，也就是如下的难点：

（1）如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即储能电池的SOC状态计量技术。

（2）汽车电池的剩余电量不是线性的，也不是由单一因素决定的，它是由许多外在因素决定，如：

温度，放电率等，这就给电池剩余电量计算带来问题。

要解决这些问题，就需要我们加入很多补偿。

要解决以上问题我们先来了解一下作为本文研究对象的锂电池。

2.2锂电池

2.2.1锂电池功能原理

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：

Li+MnO2=LiMnO2（2-1）

该反应为氧化还原反应，放电[9]。

由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。

所以，锂电池长期没有得到应用。

表2-1为各种电池性能比较，为电动汽车选择锂电池做技术依据。

表2-1各种电池性能比较

虽然锂电池作为电动车电源，虽尚有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以锂电池在动力电源中仍占有一席之地。

基于以上原因本设计以锂电池为研究对象，指出了影响蓄电池剩余容量的各种因素，预测剩余容量的测试方法以及通过软硬件设计达到测试剩余电量的目的，以便于更好的实现电动汽车的控制。

2.2.2锂电池分类

锂电池分成两大类：

不可充电的和可充电的两类。

不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能。

如锂二氧化锰一次电池、锂－亚硫酰氯一次电池。

而可充电的电池称为二次性电池（也称为蓄电池）。

它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如市面上常见的锂离子电池。

2.2.3锂电池结构

1、具有更高的重量能量比、体积能量比；

2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；

3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；

4、无记忆效应。

锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；

5、寿命长。

正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；

6、可以快速充电。

锂电池通常可以采用0.5～1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1～2小时[10]；

7、可以随意并联使用；

8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；

9、成本高。

与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。

2.2.4锂电池充放电特性

一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线为电池的放电特性曲线，如图2-1的曲线OEFG所示。

从图中可以看出，放电曲线基本上由3部分组成：

放电开始时，电池端电压沿着OE快速下降；然后端电压变成沿着EF缓慢下降；最后在曲线的G点以后，端电压急剧降低，一般认为，此时电压已经没有能量了，继续使用将会损坏电池。

图2-1中OABCD曲线未充电特性曲线，可见，充电过程也可分为充电初期电压急剧上升（OA段）、缓慢上升（ABC段）、快速上升（CD段）和端电压平衡段（D点后），到D点后，可认为电池已经充满了[11]。

以上电池的这些特性都与电池剩余电量的检测息息相关，这些参数也为剩余电量的检测提供依据。

图2-1锂电池充放电特性曲线

2.3电池剩余电量检测硬件结构模型

由前面关于电池管理系统的基本功能和电池剩余电量检测的出不介绍，设计该系统的硬件结构包括MCU模块、检测模块、通信模块。

其硬件电路连接图如2-2所示

图2-2硬件电路连接图

2.3.1MCU模块

MCU是系统控制的核心。

本文采用AT89S51型号的单片机。

下面是对AT89S51的一些基本功能介绍以及本设计要用到哪些基本功能。

AT89S51提供以下标准功能：

4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。

单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64K外部程序和数据的寻址空间。

程序存储器：

如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。

在AT89S51,假如EA接至VCC（电源+），程序首先执行地址从0000H----FFFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H----FFFFH（60KB）的外部程序存储器。

数据存储器：

AT89S51具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。

看门狗定时器（WDT）：

WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。

外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H），当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。

使用看门狗（WDT）：

打开WDT需按次序写01EH和0E1H到WDTRST寄存器（SFR的地址为0A6H），当WDT打开后，需在一定得时候写01EH和0E1H到WDTRST寄存器以避免WDT计数溢出。

14位WDT计数器计数达到16383（3FFFH），WDT将溢出并使器件复位。

WDT打开时，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，这意味着用户必须在小于每个16383机器周期内复位WDT，也即写01EH和0E1H到WDTRST寄存器，WDTRST为只写寄存器。

WDT计数器既不可读也不可写，当WDT溢出时，通常将RST引脚输出高电平的复位脉冲。

复位脉冲持续时间为98xTOSC，而TOSC=1/FOSC（晶体振荡频率）。

为使WDT工作最优化，必须在合适的程序代码时间段周期地复位WDT防止WDT溢出。

AT89S51引脚图如2-3所示：

图2-3AT89C51引脚图

AT89S51中没有内部AD转化，所以需要外加的AD转化芯片，在此我们根据数据采集的具体要求选用AD1674。

AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。

该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。

与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。

AD1674可实时地采集各传感器的模拟参量，以进行快速、精确的数据转换并传给CPU进行处理，从而有效地控制整个系统的精度。

AD1674引脚图如图2-4所示：

图2-4AD1674引脚图

AD1674为单＋5V工作电源，拥有12位分辨率；符合本设计数据采集AD转化要求，8个模拟输入通道分配给8个电池组，10μs转换时间，100ksps采样速率；可采用内部或外部采集控制模式；两种电源关断模式；内部或外部时钟。

　AD1674的核心部分是一个采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路。

2.3.2检测模块

检测模块中将对电压检测、电流检测和温度检测模块分别进行介绍。

（1）电压检测模块

锂电池每节电池的正常电压为3.6v，最大终止电压为4.2v，最小终止电压为2.5v。

而电动汽车的总电压一般在200v到300v，本文将锂电池分为8组（故需要8通道AD转化器），那么每组电池的电压变化范围为20v-33.6v，那么我们可以根据这算出需要多大精度的AD转换，因为剩余电量精确度为0.01，（33.6-20.0）/0.01=1360

，为了防止显示数据的抖动，最终确定AD转化需要12精度[12]。

（2）电流采样电路

   电流采样时，电池管理系统中的参数是电池过流保护的重要依据。

（3）温度检测

电池组在充、放电过程中，一部分能量以热量形式被释放出来，这部分热量不及时排除会引起电池组过热。

如果电池温度超过一定得温度，电池特性就会变质，电池组充、放电平衡就会被打破，继而导致电池组永久性损坏或爆炸。

为防止以上情况发生，需要对电池组温度进行实时监测并进行散热处理。

另一方面剩余电量与温度有着密切的关系。

2.3.3硬件接口

硬件连接示意图如图2-5所示：

图2-5硬件接口图示意图

AT89S51的P0口负责处理AD1674采集的电流，电压，温度信号，P3口的前4个引脚用来作为8个电池组的选通开关P2口的前四位用来做显示的选通开关，P1口作为七段数码管的显示信号。

3电动汽车电池剩余电量的计算

3.1影响汽车电池剩余容量的因素

早期锂电池主要用电压作为限制条件来防止过充或过放，目前已经不能满足电动汽车的要求。

一方面，电动汽车要求准确估计电池SOC，从而充分发挥电池能力和提高安全性两个角度对电池进行高效管理，以进一步提高整车性能；另一方面，电池在使用过程中表现的高度非线性，使准确估计SOC具有很大难度。

两方面的结合，促使电动汽车电池SOC估计的研究工作不断开展，新方法不断出现[13]。

在前几章，我们已经详细的介绍了电池数据是如何采集、传输、存储与显示。

本章我们建立在已有数据的基础上，结合时安法、开路电压法计算电池剩余电量SOC，为电动车安全运行提供决策依据。

目前，国内外较为普遍采用电池的荷电状态SOC作为电池容量状态描述参数，反映电池的剩余容量，其数值定义为电池的剩余容量占电池容量的比值：

SOC=Q

/C

（3-1）

式中，Q

是电池的剩余能量，C

为电池标称容量，即在规定电流和温度下处于理想状态时的所能放出的容量