混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)正文題 目基于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)專 業(yè)汽車工程班 級(jí)機(jī)械與汽車工程學(xué)院汽車工程0811班姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師職 稱2012年 5 月 25 日摘 要 隨著能源和環(huán)保問(wèn)題的日益突出，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）以其排放低，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國(guó)的高度重視，作為發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一的電池能量管理系統(tǒng)（BMS）,是電動(dòng)車商品化、實(shí)用化的關(guān)鍵，且混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的行駛工況十分復(fù)雜，對(duì)蓄電池的壽命影響很大，鋰電池的使用壽命又是有限的。因此，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)是很有必要的?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)是保證動(dòng)力電池性能的重要手段，它負(fù)責(zé)

2、監(jiān)控電池的各個(gè)工作參數(shù)，包括電壓、電流、溫度、電量等。同時(shí)還為能量的總成控制提供了必要的參數(shù)。本文介紹了電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)電池的要求，對(duì)電池管理系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要概述，并介紹了電池管理系統(tǒng)的基本功用，且對(duì)其進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。接著以鋰離子電池為例，介紹了鋰離子電池的工作特性及電池剩余容量（SOC）的估算。最后，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；荷電狀態(tài)AbstractCountries around the world attach great importance to energ

3、y and environmental issues become increasingly prominent, the hybrid electric vehicle (HEV) for its low emissions, noise and low, as one of the key development of electric vehicles, battery energy management system (BMS), is the commercialization of electric vehicles, the key to the practical, and h

4、ybrid electric vehicle driving conditions very complex, a great influence on the life of the battery, lithium battery life is limited. Therefore, the research and design of hybrid electric vehicle battery management system is necessary.Hybrid electric vehicle battery management system is to ensure t

5、hat an important means of the power cell, which is responsible for monitoring battery parameters, including voltage, current, temperature, power, etc. Also provides the necessary parameters to the energy of the assembly control.This article describes a battery management system, research status, as

6、well as hybrid technology requirements of the battery, the battery management system gave a brief overview and introduction to the basics of the battery management system, and its analysis, based on the battery management system design requirements. Followed by lithium-ion battery, for example, the

7、estimate of the operating characteristics of the lithium-ion battery and battery remaining capacity (SOC). Finally, the hybrid electric vehicle battery management system hardware and software design.Keywords:Hybrid electric vehicle; battery management system; state of charge目 錄摘 要IAbstractII目 錄I第一章

8、緒論11.1電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)電池的要求2第二章 電池管理系統(tǒng)概述42.1什么是電池管理系統(tǒng)42.2電池管理系統(tǒng)工作環(huán)境42.3電池管理系統(tǒng)的基本功能42.4電池管理系統(tǒng)的功能分析5電池參數(shù)檢測(cè)5電池狀態(tài)估計(jì)與輸出5電池充放電過(guò)程優(yōu)化5電池組熱量管理6電池故障診斷及安全預(yù)警62.5電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求6第三章 鋰離子電池的工作特性與SOC的估算73.1鋰離子電池的工作原理73.2鋰離子電池基本電特性7鋰離子電池充電特性7鋰離子動(dòng)力電池放電特性83.3鋰離子電池SOC的估算9第四章 電池管理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)114.1 電源及MCU114.2單體電壓測(cè)量114.3電池

9、組均衡124.4溫度測(cè)量134.5總電壓測(cè)量134.6總電流測(cè)量144.7絕緣測(cè)量154.8通訊部分164.9高壓控制及其他174.10硬件的布局17第五章 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)195.1從板程序設(shè)計(jì)195.2主板程序設(shè)計(jì)19總結(jié)21參考文獻(xiàn)22致謝23第一章 緒論1.1電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電動(dòng)汽車在廣義上可以分為三類，純電動(dòng)汽車（BEV），混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV），燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）。目前，這三種電動(dòng)汽車都處于不同的發(fā)展階段，面對(duì)著不同的困難和挑戰(zhàn)。BEV只適用于低速短距離的運(yùn)輸，而HEV既能滿足用戶的需求，又能實(shí)現(xiàn)低油耗、低排放。在目前的技術(shù)水平和發(fā)展條件下，HEV是比較

10、理想的交通工具，但它必須具備兩個(gè)動(dòng)力源，即發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池與電機(jī)混合應(yīng)用提供動(dòng)力?，F(xiàn)今，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。優(yōu)越的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)合了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，成功改善了尾氣的排放，提高了燃油消耗率，降低了油耗。并且不需要充電站等純電動(dòng)車所需的配套設(shè)施。這種優(yōu)點(diǎn)完全適應(yīng)了燃油緊張的今天，是一種準(zhǔn)綠色汽車。然而，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，即電池管理系統(tǒng)(BMS)，還不完善，需要進(jìn)一了解研究和設(shè)計(jì)。因而，很有必要先了解國(guó)內(nèi)外電池管理系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中越來(lái)越重要的關(guān)鍵部分，我國(guó)在這方面的研究剛剛起步，即使在美國(guó)等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，其研制工作也不完善。從有關(guān)資料來(lái)看，

11、美國(guó)一直站在世界汽車技術(shù)領(lǐng)域的最前列，在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)的研究方面也走在世界各國(guó)的前列。通用汽車公司的BMS 采用了一個(gè)微電腦，對(duì)電池組進(jìn)行管理。監(jiān)測(cè)和控制蓄電池組的充放電工作狀態(tài)，提高電池的充放電性能，預(yù)測(cè)蓄電池組的荷電狀態(tài)和剩余能量。在歐洲，法國(guó)是電動(dòng)汽車發(fā)展較快的國(guó)家。法國(guó)電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)的主要功能為：電池壽命的記錄、充電監(jiān)測(cè)、行駛過(guò)程中電池的管理、輔助電池的維護(hù)、剩余電量顯示。它防止對(duì)電池的有害使用，收集電池信息從而確定如何恰當(dāng)使用和更換電池，最大限度地提高電池的能量使用效率。在德國(guó)，西門子公司開(kāi)發(fā)的電池管理系統(tǒng)，其充電控制可以使系統(tǒng)跟蹤電池充電特性曲線。進(jìn)行充電，

12、提高充電效率，節(jié)約電能。電池管理系統(tǒng)對(duì)電池組的工作狀況進(jìn)行監(jiān)控，檢測(cè)電池組的電量消耗和剩余能量等，將有關(guān)信息反饋到儀表板的儀表和信號(hào)裝置上。通過(guò) DC-DC 變換器保證電器系統(tǒng)的能源供應(yīng)和器件正常運(yùn)行。在亞洲，日本本田公司開(kāi)發(fā)的車用電池能量管理系統(tǒng)包括：管理控制模塊、車載充電器、慣性控制開(kāi)關(guān)、高壓系統(tǒng)安全檢測(cè)裝置、DC-DC 變換器等。如果電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)立即切斷電源，從而保證用電安全。在韓國(guó)，有人研究光伏系統(tǒng)中的蓄電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。鉛酸蓄電池作為獨(dú)立光伏系統(tǒng)的能量的儲(chǔ)存設(shè)備，可防止過(guò)度放電和過(guò)度充電，對(duì)延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)壽命非常重要。蓄電池組的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：?jiǎn)坞姵仉妷骸㈦姵亟M電壓、通過(guò)電池

13、組的電流及電解液的比重等。每一個(gè)被選擇的單電池電壓使用一個(gè)便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。這個(gè)系統(tǒng)中有一個(gè) 20 個(gè)通道的掃描器、一個(gè)數(shù)字多路選擇器及一個(gè)筆記本電腦。電解液的比重是通過(guò)數(shù)字比重計(jì)測(cè)量。研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要監(jiān)測(cè)以上這些內(nèi)容，而且采用了一種“電流中斷技術(shù)”，以測(cè)量電池組充電時(shí)電池的內(nèi)部電阻。根據(jù)單電壓和電流的關(guān)系，通過(guò)連續(xù)測(cè)量?jī)?nèi)部電阻以監(jiān)測(cè)電池的老化趨勢(shì)。國(guó)外有人研究 VMS（VRLABattery Management System）閥控密封鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)。這個(gè)管理系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)蓄電池，而是設(shè)計(jì)成具有管理和控制蓄電池的功能。此系統(tǒng)的目的是改變蓄電池“恒壓充電”的方法。因?yàn)楹銐撼潆?/p>

14、的方法不能滿足不同蓄電池所需的不同充電電流。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括：?jiǎn)坞姵仉妷骸㈦姵貎?nèi)部溫度、放電電流及放電過(guò)程中測(cè)量電池組總電壓。VMS 中包含了 BMS。它是在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)蓄電池進(jìn)行分析，并進(jìn)行管理和控制。這樣更有利于對(duì)蓄電池的維護(hù)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。 國(guó)外蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，并且研究發(fā)展了蓄電池管理系統(tǒng)。在蓄電池管理系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)的電池參數(shù)有所不同，研究的方法更復(fù)雜。國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及研究成果對(duì)我國(guó)進(jìn)一步進(jìn)行有關(guān)蓄電池管理方面的研究，可以起到借鑒作用。 我國(guó)從 70 年代開(kāi)始研制電動(dòng)汽車，曾經(jīng)制造出一些樣車進(jìn)行試驗(yàn)，但由于資金、人力有限，未取得什么進(jìn)展。1992 年，電動(dòng)汽車第一次被

15、列入國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目，由國(guó)家科委、國(guó)家計(jì)委、國(guó)防科工委、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委等資助研制微型電動(dòng)汽車、電動(dòng)大客車及與之配套的電池、電機(jī)、充電器等，使我國(guó)電動(dòng)汽車水平有了明顯的進(jìn)步。1996 年，國(guó)家科委把電動(dòng)汽車列入“九五”國(guó)家重大產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目，所列的 4 個(gè)課題全部啟動(dòng)，即電動(dòng)概念車的研制、電動(dòng)改裝車的研制、電動(dòng)汽車應(yīng)用示范區(qū)的建立和有關(guān)電動(dòng)汽車的政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)的研究。至此，我國(guó)全面拉開(kāi)了電動(dòng)汽車研究與開(kāi)發(fā)的序幕。 我國(guó)對(duì)電動(dòng)車的發(fā)展十分重視，在“十一五”規(guī)劃中被列為國(guó)家高科技攻關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)被列為國(guó)家“863”科技攻關(guān)項(xiàng)目，該專項(xiàng)確定了以燃料電池汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車三

16、種車型為“三縱”，以多能源動(dòng)力總成、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池三種共性技術(shù)為“三橫”的“三縱三橫”的研發(fā)布局。 盡管國(guó)內(nèi)的起步較晚，由于國(guó)家政策的推動(dòng)，以及國(guó)內(nèi)各汽車公司、高校和研究機(jī)構(gòu)的共同努力，混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的研究水平與國(guó)外的差距正在被逐漸縮小，正在慢慢接近世界先進(jìn)水平。 1.2混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)電池的要求 動(dòng)力電池的主要性能指標(biāo)包括比能量、比功率和使用壽命等。要使電動(dòng)汽車成為現(xiàn)實(shí)，所以其儲(chǔ)能源必須滿足以下四個(gè)條件：比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)和成本低廉。為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在技術(shù)性能上與燃油汽車抗衡這一目標(biāo)，動(dòng)力電池的基本要求如下：1. 高質(zhì)量比容量、高體積比容量； 2. 高

17、質(zhì)量比功率、高體積比功率： 3. 長(zhǎng)的循環(huán)壽命，充放電循環(huán)次數(shù)多，工作時(shí)間長(zhǎng)； 4. 較好的充放電性能，大電流充放電性能、抗過(guò)充和過(guò)放能力好； 5. 電池穩(wěn)定性好，整體電池性能重現(xiàn)性好，且在使用壽命期限內(nèi)，性能應(yīng)衰減緩慢； 6. 使用溫度范圍廣，應(yīng)能在-40 +125 范圍使用，特別是低溫放電性能應(yīng)衰減不大； 7. 價(jià)格較低，便于推廣應(yīng)用； 8. 從使用維護(hù)方便考慮，應(yīng)發(fā)展密封免維護(hù)蓄電池； 9. 使用安全，沒(méi)有腐蝕、易燃和易爆的危險(xiǎn)； 10. 生產(chǎn)和使用過(guò)程應(yīng)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，廢電池應(yīng)易于回收再生。 第二章 電池管理系統(tǒng)概述 作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池有很多種選擇，比如常見(jiàn)的包括閥控鉛酸電池

18、(VRLA)、鎳-鎳電池(Ni-Cd)、鎳-鋅電池(Ni-Zn)、鎳基電池(Ni-MH)、鋅空氣電池(Zn-Air)、鋁空氣電池(AI/Air)、鈉硫電池(Na/S)、鈉鎳氯化物電池(Na/NiCl2)、鋰聚合物電池(Li-Polymer)和鎳離子電池(Ii-Ion)等多種類型。但由于鋰離子電池端電壓高、比能量大、充放電壽命長(zhǎng)、放電性能穩(wěn)定、自放電率低和無(wú)污染的特點(diǎn)，鋰離子電池如今已被用在混合動(dòng)力電動(dòng)車車上用作動(dòng)力能源，成為電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。故本文對(duì)鋰離子電池管理系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。2.1什么是電池管理系統(tǒng) 電池管理系統(tǒng)又稱為智能電池測(cè)量系統(tǒng)，是一個(gè)全面測(cè)量電池參數(shù)，可以根據(jù)當(dāng)前電池狀態(tài)

19、，完成相應(yīng)的控制動(dòng)作，并提供與其它系統(tǒng)的通訊能力的系統(tǒng)。帶有電池管理系統(tǒng)的電池稱為智能電池。對(duì)于智能電池的定義，不同的機(jī)構(gòu)有不同的闡述，著名的電池標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)SBSIF(Smart Battery System Implementer Forum)的定義是：至少要能提供電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)的電池。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)除了SOC和電壓、電流之外還非常關(guān)心電池的使用壽命，電池的使用壽命用健康狀態(tài)(State of Health)來(lái)表示。常用的鋰電池的使用壽命為300到500個(gè)充放電循環(huán)。電池管理系統(tǒng)控制著電池的充電和放電，負(fù)責(zé)精確的估算任意時(shí)刻電池的狀態(tài)和容量，估算電池的S

20、OC是電池管理系統(tǒng)的主要職責(zé)之一。電池管理系統(tǒng)的另外的功能是有效的利用可回收能量，增加電池系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。2.2電池管理系統(tǒng)工作環(huán)境 由于電池組用于混合動(dòng)力汽車，其放電環(huán)境與一般的電池放電不一樣，主要是以大電流脈沖放電為主并輔以小電流短時(shí)間持續(xù)放電，在汽車啟動(dòng)瞬間會(huì)有高達(dá)150安培左右的脈沖放電，放電時(shí)間一般在10秒左右，在加速時(shí)會(huì)有30安培左右的短時(shí)間持續(xù)放電，而在汽車正常行駛或減速時(shí)會(huì)對(duì)電池組進(jìn)行充電，充電電流一般為-30安培左右。由于汽車行駛具有不確定性，一般來(lái)說(shuō)脈沖放電對(duì)電池SOC的影響不大，但是大電流持續(xù)放電對(duì)電池SOC的影響是很大的，另外汽車在行駛過(guò)程中外部溫度會(huì)經(jīng)常改變，

21、這也會(huì)對(duì)電池的SOC有較大影響。再有就是電動(dòng)機(jī)的啟停會(huì)有很嚴(yán)重的電磁干擾，這些都會(huì)增加精確測(cè)量的難度。2.3電池管理系統(tǒng)的基本功能 綜合國(guó)內(nèi)外的研究工作，開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有如下幾方面的基本功能： 1.對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池組中的每組電池的端電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集； 2.對(duì)整個(gè)電池組的充放電電流進(jìn)行采集，建立每組電池的使用歷史檔案； 3.隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池的剩余電量，使駕駛員在行車過(guò)程中做到心中有數(shù)，配合整車控制策略良好運(yùn)行； 4.電池需要充電時(shí)，及時(shí)報(bào)警，以防止電池過(guò)充電而影響其使用壽命； 5.混合動(dòng)力汽車運(yùn)行時(shí)，如果電池組中有哪塊電池?fù)p壞了或因使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而老化，

22、能量管理系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并顯示有關(guān)信息，以便操作者及時(shí)更換舊電池，從而提高系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)其它電池的使用壽命； 6.高壓動(dòng)力電池組用電安全控制； 7.及時(shí)發(fā)送電池信息給整車控制單元，以實(shí)現(xiàn)整車的控制。2.4電池管理系統(tǒng)的功能分析2.4.1電池參數(shù)檢測(cè) 電池參數(shù)檢測(cè)是電池管理系統(tǒng)最基本和最重要的功用，荷電狀態(tài)及剩余電量的計(jì)算、充放電優(yōu)化及故障預(yù)警都是以各種電池參數(shù)為依據(jù)。要求能夠測(cè)量串聯(lián)電池組每塊電池的電壓、溫度、電池組電壓，充放電電流等參數(shù)對(duì)時(shí)間的參數(shù)。 電池檢測(cè)要求能夠滿足系統(tǒng)對(duì)采集精度和實(shí)時(shí)性要求，并能在任何電池狀態(tài)時(shí)連續(xù)采樣，采樣頻率取決于電池管理系統(tǒng)的控制策略和算法，檢測(cè)結(jié)構(gòu)部分盡量少

23、消耗或不消耗電池電能。2.4.2電池狀態(tài)估計(jì)與輸出 電動(dòng)汽車必須能夠精確估計(jì)電池狀態(tài)，電池狀態(tài)包括荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)。并能據(jù)此及時(shí)通知駕駛者可行駛里程和電池壽命信息等，避免車輛因電量不足被迫停在路上 ，同時(shí)幫助駕駛者最大限度的利用電池的可用容量。對(duì)于無(wú)需充電的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，準(zhǔn)確估計(jì)電池的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)是進(jìn)行充放電能量管理的必要條件。因此電池狀態(tài)的估計(jì)一直是發(fā)展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點(diǎn)。 預(yù)測(cè)電池荷電狀態(tài)，必須考慮電池容量隨放電電量、環(huán)境溫度、循環(huán)壽命及自放電（車輛停駛時(shí)間）等條件的變化而變化。上述影響因數(shù)對(duì)電池容量的影響對(duì)多數(shù)化學(xué)電池而言，還沒(méi)有精辟的理論模型，使得電池荷電

24、狀態(tài)精確預(yù)測(cè)也成為電池管理系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 2.4.3電池充放電過(guò)程優(yōu)化 由于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓和功率的要求，動(dòng)力電池必須以串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合起來(lái)。實(shí)踐證明，在通常工作條件下，電池組的壽命與串聯(lián)電池?cái)?shù)呈接近指數(shù)下降的關(guān)系。造成這一現(xiàn)象的原因是，有制造工藝和所處溫度差異等因素的影響，電池間的容量、電壓和內(nèi)阻存在微小差異，這些差異在電池組充放電過(guò)程中，會(huì)逐漸放大，在遠(yuǎn)未達(dá)到單個(gè)電池循環(huán)壽命前，個(gè)別電池會(huì)出現(xiàn)過(guò)放電和過(guò)充電導(dǎo)致容量下降、甚至失效，加重其周期電池的負(fù)荷，造成串聯(lián)電池的損壞，電池管理系統(tǒng)要能夠在充放電過(guò)程中，采用優(yōu)化的充放電控制模式，并采用合適的方法均衡電池間的差異，保持個(gè)電池容量

25、的一致性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，降低混合電動(dòng)汽車的使用成本。2.4.4電池組熱量管理 環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響電池的性能。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上電池模塊一串聯(lián)或并聯(lián)的方式組成電池組，已達(dá)到容量和電壓的要求，并以某種方式 安裝在電池箱中，由于各塊電池內(nèi)阻的差異而引起在工作中發(fā)熱量的不一致性，以及電池在電池箱中所處位置的差異而引起的電池模塊傳熱效率的不一致，會(huì)造成電池組內(nèi)電池之間溫度的差異。溫度差異是造成電池容量和電壓不一致的重要原因，特別是對(duì)溫度比較敏感的電池。 為是電池組發(fā)揮良好的性能、具有更長(zhǎng)的壽命并保證使用安全，就要對(duì)電池組進(jìn)行熱量管理，使其保持在河里溫度范圍內(nèi)，并使的單塊電池間溫度均衡

26、。熱管理系統(tǒng)必須具有以下功能：電池組溫度過(guò)高時(shí)的有效散熱、低溫條件下的快速加熱，保證所有電池較好的溫度一致性和有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)。 2.4.5電池故障診斷及安全預(yù)警 由于道路行駛條件比較復(fù)雜，特別是雨雪天氣和交通事故條件下也要保證汽車的安全性，避免出現(xiàn)電路故障特別是短路故障。對(duì)于充電過(guò)程中的有害氣體析出或者出現(xiàn)溫度過(guò)高的電池，要采取措施避免發(fā)生爆炸。 電池管理系統(tǒng)的故障診斷和安全預(yù)警功能，用于診斷電池電路故障，并在出現(xiàn)過(guò)放、過(guò)充及超溫現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)采取措施并報(bào)警。2.4.6通信功能 電池管理系統(tǒng)和車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信是其重要功能之一，根據(jù)應(yīng)用需要，數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口，如CA

27、N總線或I2C串行接口等。 2.5電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 為了滿足混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)的需要，對(duì)電池管理系統(tǒng)的基本功能提出了以下要求： 1.監(jiān)測(cè)單個(gè)電池單體電壓 2.監(jiān)測(cè)整個(gè)蓄電池組電壓（誤差小于1%） 3.監(jiān)測(cè)蓄電池組溫度 4.蓄電池組通風(fēng)控制 5.計(jì)算蓄電池組壽命 6.監(jiān)測(cè)電池充放電電流（誤差小于1%） 7.蓄電池組最大允許充、放電流計(jì)算并輸出 8.蓄電池組容量計(jì)算并輸出 9.SOC計(jì)算并輸出（誤差小于5%） 10.避免蓄電池組的過(guò)充過(guò)放電 11.具有過(guò)流保護(hù)、高壓電路中有熔斷器 12.蓄電池組最低電壓和最高電壓13.監(jiān)測(cè)蓄電池組狀態(tài)，并在蓄電池組壽命受到影響時(shí)輸出信號(hào)，點(diǎn)亮壽命警告燈第三章

28、 鋰離子電池的工作特性與SOC的估算3.1鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正負(fù)極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成，正極采用鋰化合物L(fēng)ixCo2，LixNiO2或LiMn2O4,負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)ixC6,電解質(zhì)為L(zhǎng)iPF6和LiAsF6等有機(jī)溶液。電池通過(guò)正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極碳材中的嵌入與遷出 來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的充放電過(guò)程,當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí),電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有很多微孔,到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,充電容量與嵌入的鋰離子成正比。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運(yùn)動(dòng)回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多,放電

29、容量越高。 鋰離子電池的工作原理如圖3-1： 圖3-1 鋰離子電池的工作原理 由圖可知，該電池的工作過(guò)程僅僅是鋰離子從一個(gè)電極脫嵌，進(jìn)入另一個(gè)電極嵌入的過(guò)程。且電池的反應(yīng)式如下： 正極反應(yīng)：LiCoO2 Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- 負(fù)極反應(yīng)：C + xLi+ + xe-LixC 電池總反應(yīng)：LiCoO2 + CLi(1-x)CoO2 + LixC3.2鋰離子電池基本電特性查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可詳細(xì)的了解鋰離子電池的充放電特性：3.2.1鋰離子電池充電特性鋰離子動(dòng)力電池的充電試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3-2。 圖3-2 鋰離子電池的充電特性 在a圖中電池端電壓在充電初始時(shí)刻有比較大的上升

30、率,而隨著充電過(guò)程 的不斷進(jìn)行,電池端電壓逐漸趨于平穩(wěn)。由b圖可以看出,鋰離子動(dòng)力電池在智能模式充電方式下,充電電流在開(kāi)始時(shí)迅速達(dá)到比較大的值,而后幾乎線性下降,在420 min時(shí),電池基本已經(jīng)到達(dá)滿充狀態(tài)。電池在充電始末溫升在3之內(nèi)(環(huán)境溫度為15),說(shuō)明在智能模式充電的方式下鋰離子動(dòng)力電池的電流接受能力良好,充電效率較高。3.2.2鋰離子動(dòng)力電池放電特性鋰離子動(dòng)力電池的放電試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3-3： 圖3-3 鋰離子電池的放電特性 由圖a和圖b可以看出,鋰離子動(dòng)力電池恒流放電情況下的工作電壓變化分3段:在放電初始階段,電池工作電壓下降迅速,最大可達(dá)1.5 V/h以上;而后進(jìn)入線形下降區(qū),也就

31、是鋰離子電池動(dòng)力電池的工作階段,持續(xù)工作時(shí)間隨放電率的不同而有所不同,電壓下降速率也會(huì)因?yàn)榉烹娐实牟煌兓?在放電接近終止時(shí),電池工作電壓又開(kāi)始急劇下降,下降速率迅速上升,如果沒(méi)有很好的防護(hù)措施,有可能損壞電池。 由圖b可知,鋰離子動(dòng)力電池的工作電壓變化與放電深度存在著密切關(guān)系,在放電深度20%DOD85%內(nèi)存在近似的線形關(guān)系,由此通過(guò)檢測(cè)電池電壓特性可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池電量狀態(tài)。同時(shí),由圖c可知,電池釋放的能量與放電深度之間也是成正比例關(guān)系,而且?guī)缀跖c電池放電率沒(méi)有關(guān)系,所以,在使用過(guò)程中,借助電池的放電深度就可以準(zhǔn)確計(jì)算電池剩余能量,從而計(jì)算出車輛的剩余續(xù)駛里程。 第1次放電采用30 A恒流

32、放電,放電電量171 Ah,放電能量649.762 Wh,體積比能量377.82Wh/L。第2次放電采用50 A恒流放電,放電電量173.16 A h,放電能量647.385 W h,體積比能量376.53 Wh/L。30A放電在80%的放電深度時(shí),電池釋放能量為463Wh,質(zhì)量比能量為118.72 Wh/kg;50A放電在放電深度達(dá)到80%時(shí),電池釋放能量為460Wh,質(zhì)量比能量為117.95 Wh/kg,鋰離子動(dòng)力電池比較高的體積比能量和質(zhì)量比能量能夠降低動(dòng)力電池質(zhì)量占電動(dòng)車整車質(zhì)量的百分比,從而提高電動(dòng)車的續(xù)駛能力,并解決動(dòng)力電池在電動(dòng)車上的布置問(wèn)題。由于鋰離子動(dòng)力電池對(duì)的溫度變化比較敏

33、感,在試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)鋰離子電池表面的溫升進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖2d所示。在恒流放電模式下,鋰離子動(dòng)力電池表面溫度以線形關(guān)系上升。在環(huán)境溫度為15的條件下,30 A放電的溫升速率為 2.5/h左右,50 A放電的溫升速率為4.9/h左右。為了保證鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)車上的安全使用,應(yīng)該注意設(shè)置電池的溫度監(jiān)測(cè)功能,并注意電池箱的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)。3.3鋰離子電池SOC的估算 電池荷電狀態(tài)(SOC一State of Charge)的計(jì)算，始終是BMS的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。因?yàn)殡姵毓ぷ鞯母叻蔷€性，電池工作環(huán)境的難預(yù)測(cè)性，電動(dòng)汽車工作的過(guò)程也是一個(gè)多變的過(guò)程其放電倍率可能隨時(shí)變化，電池本身的狀態(tài)還要受其壽命影響，這

34、些因素都促成SOC的估算很難達(dá)到理想化的效果。SOC是電池管理系統(tǒng)的重要參數(shù)，它是電池電量的直接反映，一方面為司機(jī)提供續(xù)駛里程的重要信息，另一方面也為電池的管理和維護(hù)提供重要依據(jù)，因?yàn)殡姵氐倪^(guò)沖、過(guò)放都會(huì)導(dǎo)致電池壽命的下降，甚至發(fā)生燃燒或爆炸，造成嚴(yán)重的后果。因此嚴(yán)格監(jiān)控電池組的SOC是電池管理系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)。 常見(jiàn)的SOC算法包括安時(shí)法、電壓法、內(nèi)阻發(fā)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法卡爾曼濾波法等。其中安時(shí)法產(chǎn)生累積誤差且無(wú)法消除;電壓法和內(nèi)阻法是根據(jù)電池電壓和內(nèi)阻與SOC的固定函數(shù)關(guān)系來(lái)對(duì)SOC進(jìn)行估計(jì)，也得到廣泛使用;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法是最近幾年才應(yīng)用于SOC估計(jì)中的智能算法，原來(lái)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起

35、來(lái)有 一定的難度。理論上，SOC的定義如下: （31） 式中:Qt一蓄電池在計(jì)算時(shí)刻的剩余容量; Qo一蓄電池的總?cè)萘? 考慮到電池總?cè)萘渴芊烹婋娏鞯挠绊懞艽?，因此?shí)際上SOC的定義如下: （32） SOCI一蓄電池恒流I放電時(shí)在計(jì)算時(shí)刻的SOC;QIt一蓄電池恒流I放電時(shí)在計(jì)算時(shí)刻的剩余容量;QI0一蓄電池恒流I放電時(shí)的總?cè)萘?估算方法有如下幾種：1、安時(shí)計(jì)量法 安時(shí)計(jì)量法實(shí)質(zhì)是將電池看作一個(gè)黑箱，認(rèn)為流進(jìn)電池的電量與流出電池的電量相等，它不考慮電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和外部的電氣特性，因此這種方法可以用于各種電池。在電流測(cè)量準(zhǔn)確，溫度、放電倍率等因素補(bǔ)償良好，初始SOC估計(jì)準(zhǔn)確的條件下，安時(shí)法在短時(shí)

36、間內(nèi)可以保證SOC估計(jì)的準(zhǔn)確，是一種簡(jiǎn)單可靠的方法。安時(shí)計(jì)量法實(shí)際上是一種開(kāi)環(huán)預(yù)測(cè)，隨著汽車運(yùn)行時(shí)間的增加，會(huì)產(chǎn)生估計(jì)誤差并使誤差逐漸累積，最終使誤差越來(lái)越大，偏離正確的SOC值越來(lái)越遠(yuǎn)。另外在使用安時(shí)法的時(shí)候必須考慮溫度、充放電效率、自放電、SOH等影響電池容量的因素，需要事先做大量的實(shí)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式或表格，這就增加了方法的復(fù)雜度。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將安時(shí)法與其它方法結(jié)合使用，可以得到較好的精度。2、開(kāi)路電壓法與電動(dòng)勢(shì)法 電池在長(zhǎng)時(shí)間靜置的條件下，其端電壓與SOC有相對(duì)固定的函數(shù)關(guān)系，所以根據(jù)開(kāi)路電壓可以估計(jì)SOC，特別是在充放電的初期和末期，電池端電壓變化較大，開(kāi)路電壓法可以取得較好的效果

37、。開(kāi)路電壓法的缺點(diǎn)是需要電池長(zhǎng)時(shí)間靜置，鋰離子電池一般要求靜置半小時(shí)到一個(gè)小時(shí)，電動(dòng)勢(shì)法克服了開(kāi)路電壓法需要長(zhǎng)時(shí)間靜置的缺點(diǎn)，這種方法需要事先根據(jù)電池的外部電氣特性建立合理的電池模型，模型必須能夠反映電池工作時(shí)的端電壓和電池電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系，從而能夠根據(jù)電池的電流電壓計(jì)算出電池的電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而根據(jù)電動(dòng)勢(shì)和SOC的關(guān)系確定電池的SOC。第四章 電池管理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 由于整車設(shè)計(jì)要求，電池是分箱安裝的，每個(gè)電池箱安裝在車體的不同位置，考慮到連接線和系統(tǒng)可靠性，整個(gè)系統(tǒng)采用分布式的電池管理系統(tǒng)，分為從控模塊和主控模塊兩部分，從控模塊主要用來(lái)采集測(cè)量單體電池的電壓和溫度，兼做分箱熱管理的控制，主控模塊主

38、要用于分析、計(jì)算電氣部分控制和整車進(jìn)行通訊兼顧采集電流和總電壓等信息，并分析絕緣性能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。模塊間通過(guò)內(nèi)部CAN總線進(jìn)行通信。圖4-1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 通過(guò)以上整體結(jié)構(gòu)布置，下面介紹電池管理系統(tǒng)的硬件部分。4.1 電源及MCU汽車上低壓供電是由蓄電池供給的，一般為12V或24V，但電壓會(huì)隨使用過(guò)程中而變動(dòng)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，供電電壓將會(huì)很低，所以對(duì)車載電氣設(shè)備要求能適應(yīng)寬電壓輸入波動(dòng)的要求。電源部分采用LM2576開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器，它的輸入電壓很寬，從8V至40V都可以提供較為穩(wěn)定的5V輸出，且外圍電路簡(jiǎn)單，可以有效的縮減電路的體積，符合汽車上的使用。圖4-2 電源部分電路根

39、據(jù)計(jì)算量的大小，主控模塊的MCU采用Freescale的16位單片機(jī)，從控模塊的MCU采用Freescale的8位單片機(jī)，F(xiàn)reescale的單片機(jī)具有很好的電磁兼容性和不錯(cuò)的運(yùn)算速度，很適合在汽車電子中應(yīng)用。4.2單體電壓測(cè)量 多組電池串聯(lián)而成的蓄電池組電壓測(cè)量的方法有很多，在測(cè)量時(shí)，既要考慮干擾與高低壓隔離問(wèn)題，又要考慮成本與精度問(wèn)題，因此電壓的精確采樣比較困難。 考慮到電壓采集的時(shí)間，本方案采用LTC6802專用電池組測(cè)量芯片進(jìn)行單體電壓的測(cè)量。LTC6802是Linear公司推出的一款專門用于串聯(lián)電池組的單體電壓測(cè)量芯片。其主要性能有:(1)一片最多可以測(cè)量12路單體電池;(2)可以通

40、過(guò)菊花鏈的結(jié)構(gòu)串聯(lián)使用，最高可以測(cè)量1000V的系統(tǒng);(3)最大測(cè)量誤差只有0.25%;(4)測(cè)量全部系統(tǒng)最快只需13ms;(5)自帶電池均衡功能;(6)最快支持1MHz的SPI通訊頻率;(7)很好的電磁兼容性;(8)內(nèi)置的12位一AD轉(zhuǎn)換器自帶濾波功能;(9)芯片自帶開(kāi)路檢測(cè)功能;(10)具有低功耗休眠模式。該部分的硬件原理圖如圖4-3所示。圖4-3 LTC6802硬件原理圖 硬件電路十分簡(jiǎn)單，基本無(wú)需外圍電路，管腳CSBO、SD01、SCKO是用來(lái)和其它LTC6802進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用的，C1一C12是電池電壓測(cè)量管腳，S1一S12是均衡控制管腳。4.3電池組均衡 本系統(tǒng)的均衡方法采取體積小，成

41、本低的耗能均衡方法，通過(guò)MOS管來(lái)切入與切出均衡電阻，MOS管旁配有保護(hù)作用的穩(wěn)壓管。 均衡部分的硬件原理圖如圖4-4所示，通過(guò)芯片的S1一S12管腳控制導(dǎo)通MOS管，放電電阻根據(jù)均衡電流的大小來(lái)選取適當(dāng)?shù)碾娮瑁⑶遗溆卸O管指示，當(dāng)某一MOS管導(dǎo)通，這一節(jié)電池就進(jìn)行均衡，二極管就會(huì)點(diǎn)亮作為指示。 當(dāng)均衡電路工作時(shí)，電阻上的發(fā)熱量并不是很大，只有50左右，其溫度可以控制在管理系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)，不會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 圖4-4 均衡硬件原理圖4.4溫度測(cè)量在測(cè)控模塊的設(shè)計(jì)中，需要連接多個(gè)溫度傳感器，考慮到溫度傳感器是連接到電池箱內(nèi)部的，所以要與其他電路進(jìn)行隔離，保證整體系統(tǒng)的安全性，僅僅

42、光耦是不能滿足驅(qū)動(dòng)電流的要求，因此使用一片7407作為驅(qū)動(dòng)電路。其電路如圖4-5所示。圖4-5 溫度部分電路由于DS18BZO與CPU之間的通訊采用的是其獨(dú)創(chuàng)“1-Wire”通訊結(jié)構(gòu)，只需要一根信號(hào)線就可以連接多個(gè)傳感器。這樣可以減少對(duì)CPU管腳的要求，同時(shí)也減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的布線數(shù)量，提供了很大的方便，可以靈活配置溫度測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量。4.5總電壓測(cè)量總電壓的測(cè)量是通過(guò)電阻分壓，然后通過(guò)線性隔離光耦HCPL7800放大后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，最后將數(shù)據(jù)上報(bào)給處理器，再通過(guò)CPU換算成實(shí)際的電壓值，電路如圖4-6所示。 圖4-6 總電壓測(cè)量電路考慮到正負(fù)極之間的絕緣要求和功耗的要求，以及自身的測(cè)

43、量范圍，選取5個(gè)510k的電阻串聯(lián)后分壓，作為采樣電壓。HCPL7800是具有高共模抑制的隔離光耦，其在存在1000V共模電壓的情況下可以有每微秒巧千伏的共模抑制率，溫漂只有4.6uV/，輸入端只有0.9mV的零漂，并且有85kHz的帶寬，僅有0.1%的非線性度，自身內(nèi)部有先進(jìn)的藝的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，它自身可以提供8倍的放大倍數(shù)。AD轉(zhuǎn)換器采用的是德州儀器生產(chǎn)的16位AD轉(zhuǎn)換器ADS1110，該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn):1.封裝小，所占電路板的空間很少; 2.芯片集成了基準(zhǔn)電壓，精度可以達(dá)到士0.05%，溫飄只有5ppm/; 3.內(nèi)置晶體振蕩器; 4.具有16位的錯(cuò)誤校驗(yàn)碼; 5.具有自校準(zhǔn)功能; 6.

44、I2C的通訊總線; 7.2.7V至5.5V的寬電壓供電范圍; 8.低功耗，只有240uA的工作電流。ADS1110本身也自帶發(fā)達(dá)功能，但是隨著放大倍數(shù)的增加，輸入阻抗會(huì)相應(yīng)的降低，有考慮到測(cè)量范圍是01000V，所以ADS1110自身只選取一倍的放大倍。 HCPL7800本身也有離散性，其自身的放大倍數(shù)也有區(qū)別，從7.85至8.01，分壓電阻本身也有離散性，所以電壓測(cè)量回來(lái)以后需要軟件做進(jìn)一步的處理校正，需要在測(cè)量之前做電壓的校準(zhǔn)。4.6總電流測(cè)量電流測(cè)量的測(cè)量方法有分流器和電流傳感器兩種。分流器是通過(guò)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，即測(cè)量電流通過(guò)分流器的電壓。一般分流器的滿度值為75mV，

45、當(dāng)通過(guò)滿度電流時(shí)，在分流器兩端將產(chǎn)生75mV的壓降，并且這壓降是線性變化的，這樣就可以通過(guò)測(cè)量分流器兩端的電壓來(lái)計(jì)算得出電流值。電流傳感器是基于霍爾原理的閉環(huán)電流傳感器，可以很好的做到電器的隔離，因?yàn)槠浔旧硎欠墙佑|式的，但是由于它是根據(jù)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的，所以其對(duì)電磁環(huán)境十分的敏感，因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場(chǎng)干擾。 (1)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化; (2)外部導(dǎo)線與傳感器的距離、外部導(dǎo)線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電極的位置; (3)安裝傳感器所使用的材料有無(wú)磁性; (4)所使用的電流傳感器是否屏蔽。 另外，電流傳感器需要有一個(gè)磁場(chǎng)建立的過(guò)程，所以其線性度也不是很好

46、。 所以，本系統(tǒng)采用規(guī)格為300A/75mV的分流器進(jìn)行電流測(cè)量，結(jié)合雙積高分辨率的ADC模塊CS5460進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其余CPU通訊部分采用光耦隔離，該種方法較為有效地克服了電流傳感器檢測(cè)時(shí)帶來(lái)的溫漂、零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，具有測(cè)量精度高，溫度新能穩(wěn)定，易于安裝調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，尤其在大電流流經(jīng)電池時(shí)有良好的測(cè)量效果，符合電流測(cè)量的精度要求。 電流測(cè)量的原理如圖4-7所示，分流器將電流轉(zhuǎn)換為075mV的電壓信號(hào)，濾波聯(lián)接到儀用放大器AD620，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器CS5460轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)過(guò)光耦隔離電路傳給CPU。 圖4-7 電流測(cè)量電路4.7絕緣測(cè)量 因?yàn)殡姵亟M的電壓比較高，超出了人體所能承受的電壓，一

47、般在300700V范圍內(nèi)，并且還和其他強(qiáng)電設(shè)備相連，包括有電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等，處于對(duì)乘客安全方面的考慮，應(yīng)當(dāng)對(duì)車體與電池組正負(fù)母線之間的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，保障乘客的乘坐安全。 在我國(guó)的國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車安全要求中，對(duì)電動(dòng)汽車絕緣狀況的定義、測(cè)量方法與安全要求都做出明確的規(guī)定。電動(dòng)汽車的絕緣狀況由直流正負(fù)母線對(duì)車體的絕緣電阻來(lái)衡量。定義為:如果動(dòng)力蓄電池與地(電底盤(pán))之間的某一點(diǎn)短路，最大(最壞情況下的)泄漏電流所對(duì)應(yīng)的電阻。電動(dòng)汽車的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:絕緣電阻值除以電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓U，結(jié)果應(yīng)大于100才符合安全的要求。這個(gè)值是通過(guò)下列條件來(lái)選定的:“如果人或其他動(dòng)物構(gòu)成動(dòng)力電池系統(tǒng)與

48、地之間的外部電路，最壞的情況下泄漏電流不超過(guò)2mA，這是人體沒(méi)有感覺(jué)的閥值”。 絕緣電阻的測(cè)量原理如圖4-8所示，Rp和RN分別為假設(shè)的正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻，Un和Up分別為正負(fù)母線對(duì)地電壓，U為電池總電壓，Rp1、Rp2、RN1、RN2為已知電阻值的偏置電阻，設(shè)開(kāi)關(guān)S開(kāi)通時(shí)測(cè)得正負(fù)母線對(duì)地電壓為Up、UN，S閉合時(shí)測(cè)得的正負(fù)母線對(duì)地電壓為Up、UN值。 圖4-8 絕緣電阻測(cè)量原理根據(jù)電路原理知：當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，有： （41）當(dāng)S閉合時(shí)，Rp1被短路，有： （42）聯(lián)立以上二式解方程： （43） （44）為簡(jiǎn)化電路選擇Rp1=Rp2=RN1=RN2，則有: （45） （46） 從公式可知，只要測(cè)出

49、S開(kāi)通和閉合時(shí)正負(fù)母線對(duì)地電壓，就可以測(cè)出正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻。當(dāng)Rp或RN有一個(gè)值低于最低絕緣電阻要求時(shí)，電池管理系統(tǒng)發(fā)出絕緣報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)將正負(fù)母線對(duì)地的電壓經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)而輸入放大器INA2126后輸入給CPU自帶的AD進(jìn)行測(cè)量，最后計(jì)算出絕緣電阻。 INA2126是微功耗，雙路儀表用放大器，其特點(diǎn)如下: (1)低靜態(tài)電流:每路175uA (2)寬電壓范圍:士l.35V士18V (3)輸入失調(diào)電壓:最大250uV (4)輸入失調(diào)漂移:最大3uV/ (5)低噪音:38mV/ (6)低輸入偏置電流:士25uA4.8通訊部分 電池管理系統(tǒng)全部采用CAN總線進(jìn)行通信，主要有三路通信通道，分別是

50、內(nèi)部CAN，與整車控制器通訊的CAN，還有與充電機(jī)或其他外設(shè)通訊的CAN，這一路是預(yù)留的，有時(shí)或用不到。 CPU本身自身帶有msCAN12模塊，可以和驅(qū)動(dòng)芯片82C250配合使用，對(duì)于CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都已由這些硬件來(lái)完成，82C250提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，msCAN12模塊具有收發(fā)引擎、報(bào)文過(guò)濾與緩沖、控制與狀態(tài)管理、時(shí)鐘、低通濾波器等功能。 根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)量的計(jì)算，CAN總線的負(fù)載率在30%以下，滿足使用要求，證明這樣分配的CAN總線是符合標(biāo)準(zhǔn)的，不會(huì)影響到通訊的質(zhì)量。4.9高壓控制及其他電池管理系統(tǒng)還要對(duì)電池包的一些電氣部分進(jìn)行控制，其控制信號(hào)較為簡(jiǎn)單，不會(huì)涉及量的測(cè)量

51、，僅僅是一些開(kāi)關(guān)量的控制，因此，電池管理系統(tǒng)還要有一些外設(shè)的開(kāi)關(guān)量輸出口。考慮到驅(qū)動(dòng)外部器件的功率較大，又不能因此增加系統(tǒng)的體積，所以采用低壓繼電器驅(qū)動(dòng)高壓繼電器的方法。高壓繼電器安裝在車身的高壓箱內(nèi)。繼電器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是CPU通過(guò)MC1413驅(qū)動(dòng)繼電器的。如下圖所示。4-9 繼電器電路圖4.10硬件的布局 硬件的布局也是十分關(guān)鍵的，它關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在整體布局上要考慮高低壓的隔離問(wèn)題，二者之間的距離不宜過(guò)近，因?yàn)楦邏核哪芰勘鹊蛪核哪芰看?，這樣高壓部分會(huì)干擾到低壓部分，如果排列過(guò)近也會(huì)有安全隱患。布局方面還要考慮絕緣的問(wèn)題，因?yàn)楦邏盒盘?hào)是要引到電路板上，然后轉(zhuǎn)化測(cè)量的，所以要考慮

52、輸入端之間的絕緣特性，輸入信號(hào)間的距離應(yīng)該盡可能的大，根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境來(lái)選擇適當(dāng)?shù)呐离姳染?，在一些有必要的情況下進(jìn)行了開(kāi)槽處理。考慮到機(jī)械震動(dòng)的存在，整體電路板的布局應(yīng)該在質(zhì)量上均勻分配，這樣可以減少電路板所受到的機(jī)械應(yīng)力，將一些質(zhì)量較大的器件安排在固定孔周圍，這樣可以將少機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力。整塊板的散熱也是布局時(shí)要考慮的，易發(fā)熱的器件不要布置在一起，盡量遠(yuǎn)離，發(fā)熱較大的器件周圍不要安置其他較高的器件，以免影響器件的散熱，安排出一條空氣通道，便于發(fā)熱器件的散熱。 電路板的布線會(huì)影響到整體系統(tǒng)的電磁兼容性。導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)盡可能的短，導(dǎo)線的拐彎應(yīng)成圓角，電路板上下兩層走線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免平行，以減小寄生藕合，電路的輸入及輸出用的印制導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)