電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計

1、 2015屆畢業(yè)設(shè)計說明書 純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 潘 輝 指導教師： 黃海波 職稱 實驗師 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1105班 完成時間： 2015年6月17日 摘 要 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電力電子設(shè)備的更新速度更是突飛猛進，然而傳統(tǒng)的能源煤，石油，天然氣的儲量卻在日漸減少，這樣帶來的能源問題就引起了廣大用戶的關(guān)注，作為生活中的重要組成部分，汽車越來越被稱為了生活得必需品,傳統(tǒng)汽車的動力消耗也會引起環(huán)境污染，所以導致新能源汽車的發(fā)展趨勢加快。而能源的減少也引發(fā)了汽車動力的改革，而以電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽油的汽車便走進了人們的視野中

2、，它污染小，對周圍的影響也小。電動汽車的主要特色就是它的電池工程，而對電池的管理系統(tǒng)也就成了試下研究的熱點。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車上不可缺少的一部分，在對電動車的電池管理，充放電控制，電池監(jiān)控等方面有著很重要的作用。 設(shè)計擬以中國長安純電動汽車的設(shè)計要求和主體設(shè)計規(guī)劃為藍本，設(shè)計一款以單片機C8051F040作為主要控制器的電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對電池的綜合檢測與管理的設(shè)計。設(shè)計主要做了對電池管理系統(tǒng)的單片機的選擇以及電壓檢測、電流檢測、充電檢測、放電檢測的電路設(shè)計，并針對性的設(shè)計了外圍CAN總線接口電路、及各個檢測程序的軟件設(shè)計。用外圍的CAN總線分別連接上級控制系統(tǒng)和下面的檢測電路。最終實現(xiàn)

3、了上級控制系統(tǒng)對設(shè)計的電池管理系統(tǒng)以上功能的檢測與控制。關(guān)鍵詞：電動汽車；充電管理；鋰電池； ABSTRACT With the economic development, power electronic equipment has been updating by leaps and bounds. However, the reserves of traditional energy sources, such as coal, petroleum and natural gas, have been decreasing with each passing day. The energ

4、y problems thus incurred have attracted extensive attention from the vast users. As an important constituent part, vehicle has also become a necessity in our daily life. The power consumption of traditional vehicle will also cause environmental pollution, which leads to the accelerated development o

5、f new energy vehicle. The decrease of energy has also triggered the reform of vehicle power. Consequently, the replacement of traditional gasoline with electric energy in vehicle has entered the publics vision with its limited pollution and influence on the surrounding environment. The primary chara

6、cteristic of electric vehicle lies in its battery engineering, and the system of battery management also becomes a hot topic in the existing research. As an indispensable part of electric vehicle, battery management system plays a critical role in battery management, charge-discharge control and bat

7、tery monitoring, etc.It is planned that the design requirements and main body design planning of Chinese Changan electric vehicle should be taken as the blueprint in the design of a battery management system which takes C8051F040 single-chip microcomputer as the primary controller. It is hoped that

8、the comprehensive detection and management of the battery can be realized through this design. The design mainly includes the selection of the single chip for the battery management system, as well as the detection of voltage, current, battery charging and discharging for circuit design. Furthermore

9、, peripheral CAN bus interface circuit and software of different detection procedures are designed pertinently. By virtue of the peripheral CAN bus, the superior control system and inferior detection circuit are linked up respectively. Finally, the detection and control of the above mentioned functi

10、ons of the designed battery management system are realized through the superior control system. Keywords electric vehicles；charge managementli；thium battery目 錄1 緒論11.1 選題背景及意義11.2 純電動汽車概況21.3 論文主要內(nèi)容的章節(jié)安排22 整體研究方案42.1 系統(tǒng)設(shè)計方案42.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案的確定43 硬件電路設(shè)計73.1 單片機的選擇73.2 電池管理芯片介紹83.3 電源模塊的選擇93.4 采樣電路設(shè)計10 3.

11、4.1 傳感器的選擇10 3.4.2 電壓采集電路的設(shè)計11 3.4.3 電流檢測電路的設(shè)計11 3.4.4 溫度檢測電路的設(shè)計12 3.4.5 絕緣電阻檢測電路的設(shè)計13 3.4.6 故障報警模塊電路的設(shè)計14 3.4.7 CAN通信模塊154 軟件系統(tǒng)設(shè)計184.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計思想184.2 主控程序軟件設(shè)計184.3 主程序設(shè)計流程194.4 初始化程序的設(shè)計214.5 溫度檢測子程序的設(shè)計224.6 電流檢測子程序的設(shè)計234.7 絕緣電阻檢測子程序的設(shè)計234.8 CAN總線通信子程序的設(shè)計25 4.8.1 CAN的 初始化25 4.8.2 CAN 的發(fā)送25 4.8.3 CA

12、N 中斷的接收265 系統(tǒng)仿真285.1 系統(tǒng)顯示界面介紹295.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果29結(jié)束語31參考文獻32致謝35附 錄.36附錄A 整機電路圖.36附錄B 程序清單.37 1 緒論1.1 選題背景及意義人們現(xiàn)在的生活越來越離不開汽車的存在。有當前調(diào)查的結(jié)果指出，當今，汽車以每一年三千萬輛的速度持續(xù)增長著。全世界汽車現(xiàn)在已超過十億輛，每一千人中間，就有著一百二十個人買了汽車的群體。在一定數(shù)量內(nèi)的汽車，它的尾氣排放到大氣中，由于大自然的平衡體系，能夠吸收一定量的有害氣體，防止對人類自身的健康造成危害，但隨著人們生活步調(diào)的加快，汽車的需求量也在不斷地增加，此時汽車排放的尾氣就會有可能超出大自然的

13、承受力，然而,隨著人口增長和經(jīng)濟水平的提升，人們對于汽車的需求也越來越大，因此人們迫切需要尋找一種可以代替石油的新能源汽車，電動車就因此進入了人們的眼中。自十八世紀七十年代初，戴維遜成功地研制了第一輛電動汽車(Electric Vehicle,簡稱EV)后,然而電動車在十九世紀就有了一定的發(fā)展,但由于蓄電池性能差,汽車續(xù)航能力差,越來越不能達到人們的需求，這樣的汽車會逐漸的被新理念的車所代替1。從汽車的發(fā)展看來，無污染的車已經(jīng)成了汽車行業(yè)的關(guān)注焦點，現(xiàn)代的電動汽車技術(shù)是結(jié)合了多項工程技術(shù)成就的先進的技術(shù)，擁有電氣化的高性能車就應運而生了。它將成為人們交通工具的首要選擇,為人們的生活提供更多的便

14、利，它不僅在利用率上優(yōu)于傳統(tǒng)的汽車，它不存在尾氣排放問題，所以開發(fā)前景十分廣闊。就目前看來，發(fā)展電動汽車將是解決未來能源與環(huán)境問題的最有希望的措施之一,也是人們關(guān)注的焦點，它不僅會帶動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也會得到科研機構(gòu)的高度重視，對于改善環(huán)境問題起著不可估量的作用。中國純電動汽車最早開始于六十年代，然后再隨后的幾十年來也有不小的發(fā)展，但是真正的大發(fā)展的契機是開始于九十年代。進入新世紀后，在中國的“十五”中長期發(fā)展計劃中第一次電動汽車被提出，獲得了國家戰(zhàn)略層面的認可。提出“三橫三縱”研發(fā)布局。同時大氣污染也越來越嚴重，PM2.5指數(shù)受到人們的關(guān)注，汽油燃燒后產(chǎn)生的尾氣是大氣污染，是影響PM2.5的

15、主要指標，因此發(fā)展電動汽車對于大氣污染的治理也是非常重要的。在中國汽車群體里。人均汽車擁有量達到每 1000 人有 110 輛汽車，石油進口就成為了突出性問題。因此從國家安全戰(zhàn)略角度來講，擺脫對汽油的依賴也變得十分重要。最新的權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示截止到2015年，純電動汽車和油電混合動力汽車在世界汽車總產(chǎn)量上有望繼續(xù)高速的持續(xù)增長，預計可以達到近 70%增長率。而中國將是這個大幅度增長中的主力軍。從另一方面來說，為了環(huán)境環(huán)保問題，中國也必須大力發(fā)展電動汽車。在經(jīng)過了國家戰(zhàn)略層級的兩個五年規(guī)劃大發(fā)展以及北京奧運會和上海世博會的初步推廣，在電動汽車方面，中國的技術(shù)已經(jīng)獲得了很大的發(fā)展，初步建

16、立起了中國自己的產(chǎn)業(yè)體系。據(jù)最新統(tǒng)計，目前已有有超過75%的城市已經(jīng)開始推廣電動汽車，有將近200家汽車型號進入了推薦名錄，電動汽車的發(fā)展已經(jīng)進入了一個新的時代，在中國的發(fā)展也更是走上了更加輝煌的道路。到2011年的第三季度，汽車新品發(fā)布會上，有超過二百款新能源汽車進軍了領(lǐng)域，包括純電動汽車126款 ，以及混合動力汽車73款，還有燃料電池汽車9 款，就現(xiàn)在來看，大家都認為混合動力和純電動汽車以及燃料電動汽車是未來的汽車主要發(fā)展的轉(zhuǎn)型空間。隨著“十二五”規(guī)劃綱提出，中國的新能源汽車將會有巨大的突破性發(fā)展，也標志著能源汽車會是戰(zhàn)略的新型產(chǎn)業(yè)。會加強發(fā)展純電動汽車的發(fā)展，以及，可以預見到，在中國，新

17、能源汽車必將獲得長足的進步和發(fā)展。1.2 純電動汽車概況純電動汽車（BEV）：通過電能由電動機驅(qū)動的汽車。電動車的電能來自于內(nèi)部的蓄電池，純電動汽車基本上是采用車內(nèi)的電動機來進行牽引，當然也有例外的就是把電動機安裝在輪子中的特殊的電動汽車。對于燃油汽車和純電動汽車相比較而言，區(qū)別還是比較明顯的，其中純電動汽車最大的差異在于其中的四個主要結(jié)構(gòu)：電池、車載充電器、調(diào)速控制器、動力電機。純電動汽車性能的差異主要取決于這主要的四個部件，四個部件的品質(zhì)也起到?jīng)Q定了價值的意義。首先是驅(qū)動電機的功率，決定了車能提供多大的驅(qū)動能力決定了車的速度和負重能力；其次電池的容量決定了車的續(xù)航能力，容量越大續(xù)航能力越強

18、；同時充電器的好壞決定了充電速度的快慢，而調(diào)速控制器的性能也決定了車的基礎(chǔ)能力。目前純電動汽車驅(qū)動電機有直流有刷電機和永磁電機，另外還有交流同步 電動機，一個車的性能好壞，速度如何主要決定于電動機的選擇，同時也影響著車的用途，性價比高的車子在電機的控制方式上也有著自己獨特的特點，現(xiàn)階段的電機控制主要分為兩類，分別為調(diào)速控制器和不調(diào)速控制器。電動汽車也成為時下的一個研究的主題。1.3 論文主要內(nèi)容的章節(jié)安排 本文主要的研究內(nèi)容如下所示： 第1章 緒論,首先介紹純電動汽車電池管理系統(tǒng)的課題研究背景及其意義，純電動汽車的概念，并設(shè)計出對論文研究的章節(jié)安排。 第2章 整體方案,并根據(jù)需求提出了各種方案

19、，對方案做了對比，選擇了最終的方案。第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計，主要是設(shè)計了電池管理系統(tǒng)的各種的電路，包括單片機系統(tǒng)以及電壓電流檢測電路，溫度檢測電路。第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計，主要包括了ADC程序的編寫，以及CAN總線的通信等部分。第5章 系統(tǒng)的仿真，主要包括了系統(tǒng)顯示界面的介紹，以及顯示系統(tǒng)仿真的結(jié)果。2 整體研究方案現(xiàn)代電動汽車相較于傳統(tǒng)的燃油汽車的最大區(qū)別就是電動汽車的電氣化水平極高，需要很多傳感器采集很多的信息。電池管理需要收集數(shù)據(jù)來達到控制和管理的作用，主要需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)有電壓，電流以及溫度等，在系統(tǒng)設(shè)計初期，針對了電動汽車的需求，提出了系統(tǒng)設(shè)計方案，并根據(jù)需求確定了詳細的各模塊的設(shè)計方案，

20、查閱了相關(guān)的資料進行了匯總。2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案設(shè)計主要是設(shè)計一款電動汽車電池管理系統(tǒng)，電池使用了的普通的高能鋰電池單體12節(jié)組成了一個電池包，以管理此電池包為我們的需求來進行設(shè)計，并有如下具體的細致要求：（1）可以檢測單體的電壓，也可以檢測總體的電壓，并且也可以檢測通過的總電流；（2）具有在充電和放電時都有可以測量電流的能力，正負電流都要分別測量；（3）可以進行實時的溫度檢測，檢測電池的當前溫度值；（4）可以檢測絕緣性能，檢測電池當前的絕緣性能的好壞；（5）具有報警功能和故障處理功能，可以發(fā)出報警聲；（6）可以進行CAN總線的通信，通過CAN總線進行信息的交互；2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案的確定

21、對于電動汽車來說，它所使用的大量單體鋰電串聯(lián)一起組成的動力源，涉及到電池的體積以及重量的方面，若干個串聯(lián)的模塊被分散安裝在車體中組成了電動汽車的電池組2。對于電池系統(tǒng)來說，如果使用分布式的系統(tǒng)方案的話所耗費的成本就會過高，并且系統(tǒng)本身也會過于龐大 ；如果使用集中式的系統(tǒng)方案的話，BMS 的中心處理單元就會負擔過重，所以，現(xiàn)在如果使用電動汽車的話，在電池管理系統(tǒng)中通常會使用一個折中的方案。一個龐大的電池包被12個單體的電池組成在一起的， BMU是由為每個電池包配備一個電池模塊的監(jiān)控單元，在這里，BMS是由一個主控單元（CMU）與多個 BMU 組成的，整個電池管理系統(tǒng)可以分成結(jié)構(gòu)上層的主控模塊以及

22、下層中的監(jiān)控模塊3。其中，監(jiān)控模塊與主控模塊之間可以通過 SCI 的總線來進行系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系，其余， CAN 總線和系統(tǒng)的外部間實現(xiàn)通訊組成的主控模塊4。 圖1 系統(tǒng)總流程圖電池管理系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、MCU主控單片機模塊、均衡模塊，包括傳遞溫度信息的溫度傳感器、監(jiān)控電流的電流傳感器和電壓傳感器，也包括連接這些器件的輔助器件，比如說漏電檢測模塊、顯示單元一級需要實現(xiàn)控制功能的控制器件5。采集模塊主要是ADC采集，可以采集電池的電壓、電池的放電電流，單體電池的電壓等部分組成，用來測量電壓信號。溫度檢測電路：對電池組的溫度進行采集，溫度采集非常重要，因為電池高溫可能發(fā)生自燃，造

23、成危險，因此在充電和放電過程中必須要對溫度進行嚴格監(jiān)控，才能把危險情況降到最低6。絕緣電阻的檢測電路：絕緣數(shù)據(jù)的檢測是為了保證電動車系統(tǒng)的安全工作的另一個關(guān)鍵點。單片機通過ADC采集可以獲得正負電源以及外殼等部分的電阻值大小，如果一旦發(fā)現(xiàn)有電阻值不正常，小于我們標定的電阻安全值，測出觸發(fā)報警，從引腳輸出電平從而控制輸出相應電平，此時我們設(shè)計的報警電路就會工作，發(fā)出強烈的聲音指示，同時還會發(fā)出LEd閃爍報警。故障報警電路：具有聲音、光信號的報警功能，是單片機系統(tǒng)控制輸出相對應的電平信號來控制輸出。當系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息超過規(guī)定范圍時，立刻發(fā)出聲光報警。本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)

24、以及絕緣電阻等。通過報警，可以體現(xiàn)對出現(xiàn)異常情況時的處理和改善7。電壓檢測電路：可以對檢測電池組的單體電阻電壓數(shù)據(jù)，為了保證給純電動車提供合適的電壓。CAN總線通信：該模塊是用于進行數(shù)據(jù)的通信8。3 硬件電路設(shè)計3.1 單片機的選擇結(jié)合此處的需求可知，純電動汽車電池管理系統(tǒng)需要的是一款帶有AD功能、具有CAN通訊功能的單片機，因此我們選擇了基于增強型51內(nèi)核的C8051系列的單片機C8051F040，C8051F040是Cygnal生產(chǎn)的一個集成性高效的信號處理性的單片機，依靠其豐富的片內(nèi)資源，完全可以達到我們想要的幾乎全部的要求，包括內(nèi)存以及豐富的IO口等部分，他幾乎是達到了目前8位單片機的

25、最高水平9。如圖2所示為8051單片機的全部的內(nèi)部資源的結(jié)構(gòu)。這種單片機具有以下特點和功能： （1）采用高速流水線結(jié)構(gòu)的新型增強型51內(nèi)核。 （2）具有我們需要的CAN總線，CAN2.0B結(jié)構(gòu)。 （3）具有防止破解的內(nèi)部保護，以及片上調(diào)試端口。 （4）內(nèi)部有12位的高精度ADC，速度可以達到100kbps。 （5）同時也具有8位的低精度ADC，速度可以達到500kbps。 （6）內(nèi)部具有12位精度的DAC兩通道，滿足特殊需求。 （7）內(nèi)部具有64K的可在線編程的Flash空間。 （8） SRAM的大小有4KB。 （9） 和普通的51單片機一樣，可以外部擴展內(nèi)存大小。 （10）豐富的接口包括UA

26、RT，SPI，I²C。 （11）片內(nèi)16位定時器5個。 （12）片內(nèi)有電源電壓監(jiān)控器，溫度傳感器，以及看門狗。 保證單片機在嚴酷的工業(yè)環(huán)境下可以穩(wěn)定的運行是很重要的，因此看門狗，電源電壓監(jiān)控器，溫度傳感器這三者是很重要的，可以有效的避免程序跑飛，程序死機之類的問題，維持穩(wěn)定性。圖2 C8051F040內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.2 電池管理芯片介紹 對12節(jié)電池進行管理，必須要使用專門的電池管理芯片，因為單片機是串行執(zhí)行，不適合處理高響應要求的并行時間，電池12節(jié)需要實時的一直進行監(jiān)控，因此需要使用電池管理芯片來進行管理，我們選擇的是電池管理芯片 OZ890，該芯片是由大名鼎鼎的集成電路公司O2Mi

27、cro研發(fā)的。電池管理芯片 OZ890 是由凹凸科技采用結(jié)構(gòu)重組的形式研究的，具有很多別的芯片沒有的有的功能，它可以支持最高13節(jié)的電池，我們只需要12節(jié)，顯然滿足要求，同時它還具有普通的鋰電池保護ic的全部功能，包括過流保護，過壓保護，欠壓保護等，是一個十分好的選擇10。OZ890 芯片采用TQFP-64的封裝，具有如下性能特點： （1）和普通的鋰電池一樣，需要一定的保護措施來實現(xiàn)它的安全和可靠性， 包括充電時的過壓過流，以及溫度檢測保護，短路檢測保護等。 （2）可以通過I²C總線和單片機進行連接，包括使用I²C讀取各項數(shù)據(jù)等情況。（3）如果電池發(fā)生短路斷路，則會第一時間

28、進行切斷，保護電池或者用電器的安全。（4）實施顯示電壓情況，內(nèi)置溫度傳感器，顯示溫度。（5）最重要的功能是具有均衡功能，對于多節(jié)鋰電池的串聯(lián)系統(tǒng)來講，由于電池有差異性，因此使用均衡技術(shù)進行充電是非常有必要的，OZ890 恰好支持使用均衡技術(shù)監(jiān)管充電，保證每一個系統(tǒng)都可以運行。3.3 電源模塊的選擇電源部分是極為重要的，因此我們需要認真進行設(shè)計，使電源部分盡可能的穩(wěn)定。電動車的整車供電采用的是12V輸出，單片機部分需要一個5V的可靠電源，OZ890 芯片需要進行電池檢測，因此需要一個盡可能寬的電壓，需要±15V，風扇和蜂鳴器電壓+5V。各個芯片通過 DC-DC轉(zhuǎn)換獲得供電電壓，并能起到

29、隔離抗干擾的作用。+5V 電壓通過LM2956 轉(zhuǎn)換，電源模塊電路如圖3所示。圖3 電源模塊電路因此我們需要先把電源降壓到5V，此處使用Ti的LM2956作為降壓芯片。Ti的LM2956是一款非常經(jīng)典的開關(guān)電源的芯片，內(nèi)部集成開關(guān)，提供最高峰值電流3A的電流輸出能力，電路簡單易用，并且資料成熟，便于使用。 圖4 MAX743升壓電路通過查閱相關(guān)的資料，了解到MAX743升壓電路的知識，MAX743電源的相關(guān)電路只能輸出兩個等級的電壓正負15V及正負12V的電壓。無法滿足電路的設(shè)計，提出兩個改進方法，一個是采用不一樣的電阻來分壓網(wǎng)絡(luò)，第二個是從它反饋的電路入手，調(diào)整輸出電壓，研究表明，通過改進的

30、方法可以得到輸出電壓可調(diào)的電源。通過改進電壓的調(diào)節(jié)來向OZ890這個元器件提供高電壓。3.4 采樣電路設(shè)計3.4.1 傳感器的選擇傳感器的選擇要求和作用:傳感器是借助于檢測元件接收一種信息,并且按照一定的規(guī)律把它轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置,其獲取的信息,可以是各種物理量,化學量和生物量,而且其轉(zhuǎn)換后的信號也有多種形式11。傳感器是我們控制系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，只有傳感器精準的提出了相應的采集,才可以做出精準的結(jié)果。所以,對傳感器有以下要求:（1）必須要有足夠量程。傳感器的量程應該足夠大;應該有一定的負載能力。 （2）響應速度快,工作的可靠性高。（3）與測量或控制系統(tǒng)匹配性好,并且轉(zhuǎn)換靈敏度高,線性程

31、度好。 （4）傳感器其精度適當且穩(wěn)定性良好,靜態(tài)響應和動態(tài)響應的準確度能達到要求還可以長期穩(wěn)定。 （5）適應性強，不因惡劣環(huán)境損壞，干擾小，噪聲低，可適應我們的使用。 （6）傳感器性價比高。在盡可能低的成本下保持盡可能長的壽命，并且易于維修更換?，F(xiàn)在能達到上述要求傳感器是非常少的,所需的傳感器應該參考其目的、使用環(huán)境、被測的對象狀況、精度的要求和信號的處理等，具體條件來選擇進行處理。3.4.2 電壓采集電路的設(shè)計OZ890 芯片含有電池電壓巡查電路，這些電路集成了多路單體才構(gòu)成，根據(jù)圖5的設(shè)計，主要是把轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)借助 I²C 總線傳送到C8051F040。鑒于OZ890 芯片巨頭能

32、夠自動平衡的功能。電路由兩部分組成，單體電壓的采集電路，還有另一種電路叫做均衡電路12。圖5 電壓采集電路如圖5所示 BATn+1 和 BATn 為 OZ890 芯片的入口端，反饋電阻起到的作用是檢測電流，以防止過流。同時OZ890具有均衡功能，當電池充電完成或者單節(jié)電池電壓過高后，MOS管閉合來分走電流，避免過充。3.4.3 電流檢測電路的設(shè)計電流作為估計電池相關(guān)的容量以及參數(shù)，所以系統(tǒng)對電流的采集有很高的要求，不僅要保證采樣中電流由高精度，同時要求必須具有較強的抗干擾能力，也就注定了電流傳感器的選擇是相當重要，目前的電流傳感器大體有以下幾種，互感器，分流器，以及光纖和霍爾電流傳感器，光纖的

33、性能是最好的，但是它的價格非常昂貴，一半只用于一些不可避免的，無法替代的通信領(lǐng)域中，很少用到控制中，霍爾電流互感器由于具有很好的抗震性，但是它的機械性能卻很差，一般不容易檢修和更換，分流器的測量范圍很廣，耐機械性能良好，相對來說造價便宜經(jīng)分析比較后,選擇分流器比較適合本系統(tǒng)的電流檢測。本文采用超光儀表公司生產(chǎn)的FL一2型分流器(75mA一100A)作為電流檢測傳感器OZ8920芯片自身帶有溫度傳感器，如FL2型分流器圖6所示。圖6 FL2型分流器3.4.4 溫度檢測電路的設(shè)計本文溫度信號采集是采用DS18B20來完成的,18B20是最常用的一種數(shù)字型的溫度傳感器，價格低，體積小，操作易，被廣泛

34、使用在各個領(lǐng)域。區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，他可以不用ad采集，直接輸出溫度值。它能夠在很短的時間內(nèi)完成數(shù)字量的交換，交換12位的時間可以達到幾百毫秒，而交換9位的幾乎只需要幾十毫秒。DS18B20芯片有兩種供電方式，分別為外部電源和寄生電源13。當其采用寄生供電方式時,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線,內(nèi)部結(jié)構(gòu)框如圖7所示,溫度測量電路如圖8所示。當采用寄生電源供電時,需要把其中的兩個輸入端接地。當處于寫存儲器操作和溫度變換操作時,這是總線上必須有一個向上拉的電壓，啟動時間大約幾微秒。 圖7 DS18B20芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖8 溫度檢測電路硬件處理需要其他相對軟件的配合使用,對于該DS18B20和單

35、片機之間是使用的1-wire總線通信,因此對讀寫時序要求極其嚴格，必須要遵循時序,否則讀取到數(shù)據(jù)會失敗。3.4.5 絕緣電阻檢測電路的設(shè)計絕緣電阻檢測是非常重要的一環(huán)，關(guān)系著駕駛員的生命安全，如果一旦出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，會產(chǎn)生嚴重后果，乃至威脅性命14。因此我們設(shè)計的絕緣電阻檢測裝置，可以有效的檢測車輛的絕緣電阻的大小，如果一旦電阻大小不對，馬上停車報警。其高壓部件（如高壓直流電池組，驅(qū)動部分，功率部分，電機部分等等）絕緣性變差后，電阻變低，因此可能會產(chǎn)生漏電（可能漏電流很?。?，使車身帶點電，嚴重情況下產(chǎn)生漏電，非常有可能產(chǎn)生事故，危害乘客的安全，損壞電動車的設(shè)備，因此我們要防患于未然將漏點問題提早

36、檢測出來，才可以滿足我們電動車漏電檢測的要求。當今，全世界很多學者對電動汽車直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測方法做了大量研究工作，其中檢測方法多部分采用外接測量電阻的方法。此方法只有母線端接地的條件下才準確檢測出絕緣故障，但在正負母線雙端對稱接地時無法精確計算出絕緣電阻。電動汽車運行中，由于電機控制器等高壓零部件電磁輻射較強，可能絕緣檢測單元在車輛運行中的嚴格電磁干擾狀態(tài)下，所以我們考慮到可能會出現(xiàn)因為干擾問題出現(xiàn)了錯誤的檢測，因此我們需要加入一些錯誤狀態(tài)判別的方案。故選擇有源絕緣電阻檢測方法。有源絕緣檢測方法原理如圖9所示，我們通過高頻的磁隔離變壓器給車身之間諸如短暫的高壓電，然后我們使用單片機對這個

37、壓降進行測量，根據(jù)電壓值即可測量出導通的電阻率，進而獲得我們想要的電阻值。 車體通過開關(guān)S1 ,S2 將電阻R1 ，R2 ,R3 ,R4 R5 ,R6 ,R7 ,R8 與正負直流母線相連，S3 ,S4為MOS管，MOS管S3 ,S4 的通斷由單片機發(fā)出PWM信號控制，當MOS管導通后會在變壓器副邊形成700V的高壓。 圖9 絕緣電阻檢查電路3.4.6 故障報警模塊電路的設(shè)計在該系統(tǒng)設(shè)計中，當鋰電池組單體電壓、總電壓被檢測到為方便人們了解電池組運行情況,主控單元中電路板上設(shè)置了指示燈及蜂鳴器來顯示不同的電池故障。如報警電路圖10所示，發(fā)光二極管可以作為指示燈選用。選用LED燈來代表的故障顯示。故

38、障分為的兩級是臨界故障及嚴重故障。如果發(fā)生臨界故障的情況下,對應的故障指示燈將會閃爍。如果發(fā)生嚴重故障時,對應的故障指示燈將常亮。如果無故障發(fā)生時額情況下,所有的指示燈都熄滅。圖10 報警電路3.4.7 CAN通信模塊（1） CAN總線基本原理德國Bosch公司最早提出關(guān)于CAN總線的概念，之后經(jīng)過一段時期的研究，開始出現(xiàn)了它的成品，嚴格的說作為這種工業(yè)性的串行總線，它在電子領(lǐng)域有著廣泛的應用15。CAN總線具有如下的特點：1) 在CAN總線中，短幀結(jié)構(gòu)是CAN總線中基本的結(jié)構(gòu)，然后每一幀的數(shù)據(jù)都進行了CRC校驗，一旦錯誤即可補發(fā)，因此可以大大的保證在任何情況下的傳輸?shù)恼_率，并且就算是干擾大

39、，因此補發(fā)的機制也可以降速來做的準確率。2) 只需要兩個線就可以實現(xiàn)總線結(jié)構(gòu)，總線上可以掛很多的子節(jié)點。3) 有優(yōu)先級的概念，因此如果出現(xiàn)了不同的節(jié)點的總裁問題，可以優(yōu)先解決高優(yōu)先級的。4) 數(shù)據(jù)通信速率非?？?。5) 可靠靈活多樣是他的特點，可以進行點對點的通信，也可以將進行點對面的通信，是一個非常好的總線。6） 系統(tǒng)的柔軟性。在多數(shù)情況下，在與總線相連的單元不存在能夠識別的信息來確保其他單元能夠找到信息的位置。當總線增加單元時，它因為沒有地址信息，對其他單元不構(gòu)成影響，與他連接的其他單元只需要保持原有的配置即可。7） 通信速度，每個系統(tǒng)都有適合它的通信速度，但是在同一網(wǎng)絡(luò)中，必須保證所有的通

40、信速度是一樣的，不然數(shù)據(jù)傳輸會存在問題，CAN是以雙絞線為傳輸介質(zhì)的，它的傳輸性能非常好，傳輸距離相對來說很遠。8） CAN總線連接單元數(shù)量。CAN總線連接的單元在理論上是沒有限制的，它能夠同時接連多個單元，能夠提高處理的速度，但是由于所有的總線都是依靠電力電子設(shè)備實現(xiàn)的，他就必然存在一些問題，如果連接的單元在總線上存在時間推移以及延遲，帶有電氣負載限制，比如可調(diào)控范圍。所以可以通過提高電力電子控制通信的速度來使連接的單元數(shù)量減少提高通信速度，同時，通過降低通信速度來達到單元數(shù)量的增加，使其具有更好的功能。9） 遙控發(fā)送。CAN總線可以通過“遙控幀”來進行所有的遙控指令。10） CAN還具有錯

41、誤檢測功能，可以檢測錯誤，分析錯誤的類型，并且每個錯誤都是有不同的編碼，他會通知其他單元有關(guān)于這個錯誤信息的功能，當有一個單元正在發(fā)送信息時，恰好被檢測出錯誤，那么這條信息指令會被禁止發(fā)送，如果錯誤的信息沒有恢復功能，那么單元一定會再次強行結(jié)束發(fā)送指令，這樣無限次的循環(huán)，知道錯誤恢復功能才停止，這樣檢測出來的錯誤更具有可信度。（2）CAN通信系統(tǒng)設(shè)計下圖所示為我們使用的CAN總線控制器。CAN 最先是由德國Bosch 公司在上世紀設(shè)計的，專門應用于汽車電子的一種新型總線。經(jīng)過了三十多年的驗證，可以知道CAN總線是一個非常好的總線標準，硬件的電路如圖 11 所示。主要應用了控制器、光耦隔離電路和

42、 收發(fā)器ic等部分構(gòu)成了CAN總線的接收電路。我們使用的C8051F040 單片機是支持CAN總線的，s輸出后的信號經(jīng)過了我們外部的驅(qū)動器連接了CANH和CANL。同時因為汽車電子的干擾是很大的，因此我們使用了光耦進行了信號的隔離。對于芯片的選擇，我們使用的是最經(jīng)典的方案，CAN 收發(fā)器采用 82C250 芯片，工作電壓為5V。能夠?qū)AN 控制器提供接收功能，同時對總線也有差動發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，作為控制器上的物理總線之間的接口，限流電阻為電阻 R5、R6、R7、R8，終端匹配電阻為R10 。去耦電容為C7、C8、C9 ，82C250 復位端通過 R9 接地。圖11 CAN通信電路（3） C80

43、51的 SM Bus 接口原理C8051F040 是一個雙向總線，它集成了 SM Bus的 接口，并且兼容 I²C總線，能夠達到與系統(tǒng)總線管理的特點。目前的 系統(tǒng)控制器為通過字節(jié)實現(xiàn)的讀寫操作，總共是五個寄存器來管理SMbus接口的：控制寄存器表示為SMB0CN、時鐘速率寄存器表示為SMBOCR、地址寄存器表示為SMB0ADR、數(shù)據(jù)寄存器表示為SMB0DAT和 狀態(tài)寄存器表示為SMB0STA16。4 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計思想隨著新能源的出現(xiàn)，電力電子子技術(shù)也伴隨著變化，任何一個控制系統(tǒng)想實現(xiàn)他的功能，都必須是有硬件系統(tǒng)建立的電路設(shè)計，同時兼有軟件系統(tǒng)的設(shè)計，來達到控制

44、的完整性，軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，相當于對硬件的一個擴充，它的設(shè)計也是關(guān)系著整個控制系統(tǒng)是否能夠有很好的控制作用。在軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中，由于每個模塊都有不同的功能，加上使用分類居多，在設(shè)計中一般采用分塊設(shè)計，這樣能夠使設(shè)計有邏輯，能夠邏輯清楚的設(shè)計和驗證每一步設(shè)計，以免大而多的任務設(shè)計混亂不清，有所遺漏，方便查漏補缺，給調(diào)試過程節(jié)省了大量的時間，但是每個設(shè)計板塊并不是完全獨立的，設(shè)計程序一般包括主程序和子程序 ，在通過主程序調(diào)用子程序的時候，各模塊的作用又是協(xié)同的，他們之間相互影響來作用于整個硬件系統(tǒng)這樣如果有問題出現(xiàn)，可以很明朗的確定哪個設(shè)計環(huán)節(jié)出了問題，這種模塊化的設(shè)計對于軟件設(shè)計起

45、著不可估量的作用，它將成為軟件設(shè)計部分的一個重要理論基礎(chǔ)。在本次設(shè)計中，采用上述的設(shè)計理念，根據(jù)設(shè)計要求，電池管理系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計可以分五部分進行設(shè)計，首先是對主控制程序的設(shè)計，它是調(diào)控系統(tǒng)的一個主體程序，CAN總線通信模塊充當了它的連接脈絡(luò)，其他的就相當于子程序的設(shè)計，主要有電壓測量模塊、電流測量模塊、絕緣電阻測量模塊。硬件工作模式下，因OZ890的工作模式必須選擇為硬件工作模式，可以通過OZ890獨立完成對鋰電池的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實驗性采樣，值得注意的一點是在軟件編程初始化時進行設(shè)置。4.2 主控程序軟件設(shè)計作為系統(tǒng)設(shè)計的重要組成成分之一，發(fā)揮著重要的作用，在本次設(shè)計中，是設(shè)計單片機系統(tǒng)中

46、的一個軟件，依據(jù)軟件的分類，它應該屬于固件程序軟件單片機固件程序設(shè)計通常分為三個步驟：系統(tǒng)定義、軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、程序設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)軟件和硬件的功能，首先應該是給出系統(tǒng)的定義，要實現(xiàn)什么樣的功能，在此次設(shè)計中要實現(xiàn)OZ890 通信的功能、串行通信功能、SOC 估算、風扇控制和蜂鳴器控制功能。OZ890向單片機提供輸入信息，比如說電池電壓、電流和溫度；OZ890初始化設(shè)置的信息也要傳送到 PC 機上 ；單片機采集的外界溫度。輸出信息有發(fā)送到 OZ890 的參數(shù)設(shè)置信息；發(fā)送給 PC 機的電池信息；控制風扇和蜂鳴器的控制信息；發(fā)送給整車控制器 HCU 的電池狀態(tài)參數(shù)、故障標志信息，如總體設(shè)計圖 12

47、所示。 圖12 總體設(shè)計4.3 主程序設(shè)計流程對于系統(tǒng)的主程序是順序執(zhí)行和無限循環(huán)程序和不斷的查詢各種軟件的標志，已達到處理日常事務的目的。整個程序執(zhí)行的控制或協(xié)調(diào)任務都是由諸多程序來承擔的。而我們所用的電池管理系統(tǒng)因為其是一個實時監(jiān)控系統(tǒng)，因此要實時查詢電壓、電流及溫度等電池的信息，以及對各類通信的實時響應，這樣系統(tǒng)就可以對以上響應實施控制操作，所以主程序的協(xié)調(diào)的控制的要求性就要高。為了使固件程序達到有較好的可移植性和可維護性，我們采用了采用模塊化思路，所謂的模塊化思路就是主體程序由主程序和中斷程序這兩個部分組成。初始化子程序、單片機溫度采集子程序和 OZ890 的 SMBus 通信子程序、

48、SOC 估算子程序是主程序的調(diào)用程序。而CAN的中斷程序和串口接收中斷程序則是中斷程序17。圖13為主程序執(zhí)行流程。圖13 主程序設(shè)計流程圖4.4 初始化程序的設(shè)計在單片機系統(tǒng)正常運行下，單片機的初始化部分非常重要，初始化是單片機執(zhí)行的一段代碼，它必須在主程序執(zhí)行之前，其目的就是為主程序執(zhí)行創(chuàng)造良好的運行環(huán)境目，是系統(tǒng)能夠保證正常運行，初始化主要是使一些特殊寄存器先初始化。本系統(tǒng)的初始化 如圖14所示。 圖14 單片機初始化程序系統(tǒng)采用的是12MHZ的時鐘，并且其內(nèi)部晶振最大震蕩頻率也為12MHZ為。C8051F040的端口配置著優(yōu)先權(quán)開關(guān)譯碼器動態(tài)的方式，所以其各個端口都可以被當成通用 I/

49、O 或著也可以是模擬輸入。并且寄存器和引腳通過程序來實現(xiàn)一一對應的控制，這種 I/O 端口是系統(tǒng)配置方式變得更加靈活，并且能夠使硬件布線更加方便。4.5 溫度檢測子程序的設(shè)計C8051F040的最大的一個特點就是在MCU的內(nèi)部有溫度傳感器，因此，系統(tǒng)不需要任何的外部測溫點路，就可以進行溫度的檢測，并且精準度還不錯。如下圖所示，我們使用的是12位SAR的ADC0，通過配置 AMUX0，ADC0 可工作在差分方式或單端方式，同時該通道也可以被配置為溫度傳感器、或者VDD 或外部ADC。圖 15 為 ADC0 的功能框圖，及ADCO的初始代碼見附錄所示。圖15 ADC0 的功能框圖4.6 電流檢測子

50、程序的設(shè)計首先進行ADC的初始化，初始化后開始進行相關(guān)的后續(xù)動作，主要包括進入ADC檢測時序，通過ADC檢測過后，將結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電流值，將電流值存儲并進行顯示，存在全局變量匯總，如果需要繼續(xù)用過CAN總線上傳的話，則進入相應的上傳程序，開始進行上傳工作。電流檢測子程序流程圖如圖16所示。圖16 電流檢測子程序流程圖4.7 絕緣電阻檢測子程序的設(shè)計如下圖所示，是我們的絕緣電阻檢測的，程序流程圖如圖17所示，其程序見附錄所示。單片機工作后，開始我按照我們需要的程序開始檢測。進入ADC檢測時序，通過ADC檢測過后，將結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為阻值，如果此時發(fā)現(xiàn)阻值小于我們設(shè)定的安全界限，此時需要進

51、行報警指示，告訴使用者此時的情況很危險，有漏電的可能性，同時伴隨著發(fā)光二極管和蜂鳴器的聲光報警系統(tǒng)。圖17 絕緣電阻檢測子程序流程圖4.8 CAN總線通信子程序的設(shè)計4.8.1 CAN的 初始化CAN 總線模塊由協(xié)議引擎與報文緩沖和控制模塊組成，再使用之前，必須進行初始化塊。CAN的初始化設(shè)置，在復位模式下設(shè)置CAN為單濾波，正常模式，PeliCAN模式，不屏蔽字節(jié)數(shù)據(jù)，通過ALE,RD,CS的配合控制完成初始化流程如圖 18 所示。圖18 CAN的初始化流程圖4.8.2 CAN 的發(fā)送主要是要檢測發(fā)送區(qū)是不是滿了，同時完成先準備相應sja_addr地址，再在相應的sja_addr地址操作送s

52、ja_data數(shù)據(jù)的過程，注意我們需要通過ALE切換地址與數(shù)據(jù)位的操作。CAN發(fā)送的流程圖如19所示。圖19 CAN發(fā)送的流程圖4.8.3 CAN 中斷的接收對于CAN總線，我們主要是使用CAN總線的中斷進行接受，這樣才能保證實時的接收數(shù)據(jù)，以提高接收的實時性，并盡量的減少系統(tǒng)的時間浪費和開銷。我們使用了SJA1000進行外圍擴展，初始化后開始操作。SR寄存器讀取的值為0x0c，can發(fā)送數(shù)據(jù)子程序中寫入發(fā)送寄存器的值可以從SJA1000地址96108中讀出。但一旦置位CMR寄存器的自發(fā)送請位+終止發(fā)送位（0x12)，SR讀取值為0x44,錯誤捕捉寄存器值為0x03，中斷接收流程圖如圖20所示

53、。 圖20 中斷的接收流程圖5 系統(tǒng)仿真5.1 系統(tǒng)仿真界面介紹設(shè)計的仿真采用的是VB語言編寫的電池管理系統(tǒng)。 Visual Basic是一種由 Microsoft 公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮摹瑓f(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動為機制的可視化程序設(shè)計語言18。從任何標準來說，VB都是世界上使用人數(shù)最多的語言不管是盛贊VB的開發(fā)者還是抱怨VB的開發(fā)者的數(shù)量。它源自于BASIC編程語言。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO、RDO、ADO連接數(shù)據(jù)庫，或者輕松的創(chuàng)建ActiveX控件19。 該仿真程序以十個電池作為電動車電池組模型，電來進行仿真，電池電壓實時顯示界面如圖21所示。分別可以測出對1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號、9號、10號電池的電壓，再測出電池組的總電壓，總電流以及管理芯片的內(nèi)部溫度和單片機的溫度。.9，圖21 電池組實時顯示界面圖5.2 系統(tǒng)仿真過程 通電后，系統(tǒng)仿真界面如下圖，圖22為系統(tǒng)仿真界面。圖22 系統(tǒng)仿真界面5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果 建立程序文件，加載目標代碼文件， 進入仿真環(huán)境，執(zhí)行程序， 分別調(diào)節(jié)按鍵來預設(shè)1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號、9號、10號電池的電壓，再測出電池組的總電壓，總電流以及管理芯片的內(nèi)部溫度和單片機的溫度，電池狀態(tài)信息顯示