（电力电子与电力传动专业论文）串联电池组电压测量方法的研究与应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e r i a lb a t t e r yc l u s t e rw i d e l yu s e di nh a n d t o o l s ，l a p t o p ，c o m m u n i c a t i o nr a d i o ， p o r t a b l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，s p a c es a t e l l i t e s ，e l e c t r i cb i c y c l e s ，e l e c t r i c v e h i c l e sa n d e n e r g ys t o r a g ed e v i c e s i nt h i sp a p e r ，s e r i a lb a t t e r yc l u s t e ro ft h ee l e c t r i cc a l w i l lb e r e s e a r c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya sw e l la st h ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ts u c ha s e n e r g y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni s s u e s , t h ee l e c t r i cv e h i c l e si si n c r e a s i n gr e c e i v i n g a t t e n t i o na r o u n dt h ew o r l df o ri t sz e r o e m i s s i o n ，l o wn o i s ea n dh a sb e e nc a l l e dg r e e n c a r s t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so nt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e sa r et h ek e yt oe l e c t r i cv e h i c l e si n d u s t r i a l i z a t i o n t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s ，a n di t se n e r g ys o u r c e p o w e r e db a t t e r yp a c kh a s b e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s t h er e s e a r c ho fb a t t e r y t e c h n o l o g ya n db a t t e r ye n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) h a sb e c o m et h ek e y t os o l v e t h i sp r o b l e m 。a n da r ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mo fe l e c t r i ev e h i e l eb a t t e r yt e c h n o l o g yi s ah o t r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f b m si np u r el i t h i u mb a t t e r ye l e c t r i cb u s t h ed i s t r i b u t i o nt o p o l o g yi su s e do nt h i s s y s t e m e v e r yb a t t e r yb o xi se q u i p p e dw i t hd e t e c t i o nm o d u l ew h i c hw i l l s e n dt h e n e c e s s a r yb a t t e r yd a t at ot h em a i nc o n t r o lm o d u l et h r o u g hi n t e m a lb u s t h em a i nc o n t r o l m o d u l ea n a l y s e sa n ds t o r e sb a t t e r yd a t as u c ha sv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r e ，t h e ns e n dt h e s e d a mt ov e h i c l ed e v i c e sb yc a nb u s e s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e r c o m p a r e sw i t hs e v e r a le x i s t i n gc o m m o n l yv o l t a g e m e a s u r e m e n tm e t h o do fe l e c t r i cv e h i c l e s 。t h e np u tf o r w a r dt h eo v e r a l ld e s i g no fv o l t a g e m e a s u r e m e n tm e t h o d t h eb a s i ci n f o r m a t i o no f t h ev a r i o u sm o n o m e r sb a t t e r yt h a tw a s c o l l e c t e dw a ss e n tt ob m sc o n t r o lc h i p ( m c 9 s12 d 6 4 ) t od e a lw i t ha n dc a l c u l a t a n d t h e nc o m et ot h ew o r ks t a t eo fb a t t e r y t h ec o m m u n i c a t i o no fc a nb u sa n de l e c t r i cv e h i c l e sa r ei n t r o d u c e dw h i c h i m p l e m e n tt h ec o n t r 0 1o fw h o l ev e h i c l e t h ed e s i g no fs m a l ls y s l t e m sa r ed e s c r i b e di n d e t a i li nh a r d w a r ed e s i g n ，t h ed e s i g no fv o l t a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ed e s i g no fc a n c o m m u n i c a t i o na sw e l la st h ed e s i g no fa n t i i n t e r f e r e n c ea n ds oo n t h es e l e c t i o no f s o m ei m p o r t a n td e v i c ea n dp a r a m e t e ra r ea s l od e s c r i b e d i ns o f t w a r e ，m e t h o d so f m e a s u r i n gv o l t a g ei nas e r i a lb a t t e r yc l u s t e ra r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y ，t h eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mf o r t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta r eg i v e dan u m b e ro f p r o s p e c t s c u r r e n t l y ，t h es t u d yo ft h et a s kh a sm a d eg r e a tp r o g r e s si nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，b a s e o nal o to fi m p r o v e m e n ta n dd e b u g g i n g ，b m sc a nw o r kw e l la n dr e l i a b ，a n dh a sa c h i e v e d g o o de f f e c t s a l lb a s eag o o df o u n d a t i o nf o rt h en e x tp h a s e 。 k e y w o r d s ：b a t t e r yc l u s t e r , v o l t a g em e a s u r e m e n t ，p h o t o e l e c t r i cr e l a y i i 溯班二堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立迸行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：婶舟丹 日期： 呻年6 月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：坤哥舟 日期9 7 年b 月巧日 指导教师签名：易锄叶 日期：口夕年 7 月日 湖北工业大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀下匕 1 1 课题研究的背景与意义 十九世纪末，第一辆汽车走入了人们的视线，那个时候，任何人都没有想到， 这种前轮小，后轮大的虬隆物会成为后来2 个世纪中代替马车而成为人类最重 要的代步工具，二十世纪初，美国人福特将生产线技术引入了汽车生产，将汽车 带入了千万个美国普通家庭，并很快在世界范围内流行开来。 汽车的出现使得交通变得前所未有的发达，它大大方便了人类的日常生活， 提高了人们的生活品质，但是，汽车的广泛使用也带来了很多新的问题，比如交 通事故、环境污染等等，其中，环境污染是人类面临的头等大事，由于汽车尾气 中含有大量的二氧化碳，这种气体不仅带来了温室效应，还会破坏臭氧层，使得 紫外线能够长驱直入。 根据环境部门的估计，尾气排放目前已经超过工厂废气排放成为造成温室效 应的最大推手。而且趋势并不是下降，而是上升，汽车的大规模普及带来的还不 仅仅是这些，噪音污染也是汽车普及所带来的严重后果，现在，大街上的交通密 集地段的汽车噪音早已超过7 0 分贝，成为一个巨大的污染。 汽车的大量使用还造成了石油的供应出现断层，并且使得石油价格不断上升， 各国都在花大力气研究如何进行节能减排，以及找到新的能源取代石油作为汽车 的驱动燃料，比如太阳能、电能等等。自从改革开放一来，中国的经济增长一直 吸引着世界的眼球，但是伴随经济高速增长的是能源的巨大消耗与生态环境的破 坏，这是我国当前面临的主要矛盾，与我国和谐社会的目标不相符，我们必须解 决这个问题。 为了取代造成巨大污染的传统汽车，人们开始研究电动汽车技术，电车随后 诞生，但是电车也不是没有缺点，电车的运行需要消耗大量的电能( 电车出现的 年代科技没有现在这么发达) 。这样使得电车的使用成本非常之高。再加上当时 的环境污染没有现在这么严重，所以，并没有引起人们的关注。 进入了科技高度发达的2 1 世纪，如今，汽车的广泛使用带来了巨大的问题， 比如交通拥挤不堪、能源短缺、城市圈的扩张、环境的污染、巨大的噪音威胁， 所有这些使得人们的生活质量大打折扣，于是，人们将以前所抛弃的旧技术电动 汽车又拿了出来，进行新一轮的电动汽车的研制与开发。 湖北工业大学硕士学位论文 如今的电动汽车与其以前的电动汽车相比，无论在外形，使用成本上，都有 天壤之别。全世界各国都花了很大力气研制与开发新型电动汽车，其中以丰田公 司为代表，他们有一款电动汽车已经在全世界以低于传统汽车的价格进行出售， 再加上其时尚的外形与较低的运行噪音，使其受到不少年轻人的喜爱。 地球上最早的一辆电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 诞生于十九世纪八十年 代，当它出现在巴黎的街道上时，引起的是人们的惊呼与不解，因为当时的人们 不理解为什么现代工业所造就的是一个以马车为平台，动力却为一个有着巨大噪 音的电池的怪物，这辆车的实用性接近于零，但是，其思想确是一个伟大的创举。 电动汽车的研制随后进入了一个小高潮，早期的电动汽车由于电池的性能较 差、再加上当时的能量转换与能量存储技术远不如如今的技术这么发达，使得当 时的电动汽车的运行效率极为低下，而且使用成本与制造成本相对于传统汽车而 言及其高昂，使得人们对电动汽车的研究热情降低了不少，但是，随着环境污染 的目益加剧，再加上能源短缺危机与温室效应，人类需要研制出更加具有实用性 的电动汽车。 进入2 0 实际八十年代以后，人们发现，烧油的内燃机对人们的生活质量造成 了巨大的影响，汽车尾气的排放超过工厂废气的排放量，给人类的健康造成了不 可挽回的损失，这个时候，电能由于其巨大的清洁性与无污染性，使其重新吸引 了人们的眼球。当然，有的国家也在研制太阳能汽车。 电动汽车技术由于其本身的结构特点，它融合了电子技术与汽车技术，而这 两项技术都是上个世纪的最伟大技术。电动汽车相对于传统汽车，其不具有污染 性，噪音也很小，能源具有再生性、转换效率也很高，这些个优点使得电动汽车 成为一个应用前景十分广泛的新型汽车。 基于上述理由，人们将改变现有环境的所有希望都寄托在电动汽车的发展与 使用上面，电动汽车的研制、发展与实用化成为世界各国科学界、政界与民间关 注的焦点。 蓄电池作为电动汽车的动力来源，其性能受到各个科研机构与各国政府的关 注，但是现存的各种蓄电池在使用年限与使用花费上还不能与传统汽车相比，所 以电动汽车的普及的基础就是使用性强的汽车蓄电池。 现有蓄电池的很多关键问题需要得到解决，比如实现高效率的电池控制算法、 对电池的运行过程的监控、对电池的各个部件进行有效维护、电池的故障排除与 电池使用年限的延长等等都是电池的高效率使用的保证。 为了实现上述过程，开发出高效率、可靠性高的汽车蓄电池管理系统成为一 个有效方法，电池管理系统是种基于单片机微处理器的嵌入式电子系统，它分 2 湖北工业大学硕士学位论文 为上位机与下位机，上位机由纯软件实现，其主要功能就是将电池的所有数据， 比如电压、电流、温度、剩余电量等等完全的显示在用户桌面上，下位机的主要 功能是与汽车蓄电池相连接，将蓄电池内的所有数据进行读取与计算，估计电池 的运行效率，对蓄电池可能出现的故障进行判断( 判断依据为为下位机所读取的 各个数据) ，预防蓄电池可能出现的各种故障，总而言之，下位机相当于用户与蓄 电池之间一个连接的桥梁。 蓄电池的所有数据都表示了电池的运行状况，由于现有的电动汽车主要是内 燃机与蓄电池的结合( 纯蓄电池汽车运行效率很低下) ，所以蓄电池管理系统相当 于是一个内燃机与蓄电池的协调人。我们主要通过对串联电池组的测量方法进行 研究与应用，所以本文着重在于研究串联电池组的电压测量方法以及其在电动汽 车中的应用。 1 2 串联电池组的研究现状 1 2 1 国外串联电池组的研究现状 相对于传统汽车，电动汽车无论是在尾气排放、生产噪音、能源消耗方面都 有着巨大优势，电动汽车的出现改变了汽车技术的发展格局，电动汽车的出现也 使得人们看到了解决日益严重的温室效应的希望，所以，电动汽车是一个前途很 光明的研究方向。 世界各国政府与科技界对电动汽车的研制、开发、应用、管理、维护等方面 倾注了很大关注，二十世纪九十年代初，美国政府与其国内的很多家大公司成立 了专门的组织，其目的是为了研究与开发出更为先进与实用性更强的电动汽车能 量存储与能量转换模块，为此，美国政府花大力气建立了专门的实验室与测试室。 通用公司的倒闭也与其对电动汽车的发展不够重视有着直接关系。 紧随美国人的脚步，世界其他国家的各个汽车制造商与汽车科研机构纷纷看 发出电动汽车，中国武汉理工大学汽车新技术研究所在2 0 0 3 年开发出一种完全由 电能驱动的小型汽车，其时尚的外形与良好的操控性得到了国内外科学界的一片 赞誉之声。 电池管理系统作为电池系统的重要组成部分，肩负着优化电池使用和延长电 池寿命的重要职责。在电动汽车发展的同时，电池管理技术也取得了长足的进步。 日本青森工业研究中心从1 9 9 7 年开始至今，仍在持续进行电池管理系统( b m s ) 实 际应用的研究脾1 。 蓄电池管理系统是电动汽车系统的一个很关键的实时监控系统，它的主要功 湖北工业大学硕士学位论文 能是对电池运行控制算法进行优化，并延长电动汽车系统的能量存储与能量转换 单元的使用年限，在电池管理系统的研究方面，日本人与美国人走在了世界的前 列，而中国在一些关键技术方面的研究也取得了重大突破。比如计算出各种基于 模糊控制逻辑预测的控制算法，以及对大型电动汽车的研制与开发倾注大量精力。 蓄电池管理系统主要对目标蓄电池的各项数据指标进行读取与运算，并将这 些数据指标放到上位机显示，使汽车专家对汽车的各项性能指标有一个全面的了 解，对故障做出判断，预防事故的发生。真正的做到将所有汽车安全隐患“扼杀 在摇篮里”。 国外蓄电池管理系统主要由传统汽车的故障显示仪器改进而成，其优点是节 省了成本，缺点是由于电动汽车与传统汽车在结构上有着很大的差别，使得其实 用效果不是特别理想。 国外蓄电池管理系统经过了近3 0 年的发展，已经日趋完善。 1 2 2 国内串联电池组的研究现状 我国对电动车的发展极为重视，早在1 9 9 2 年就把电动车的开发发展列入国家 的“八五 重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入 的研究开发，在b m s 方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近，研制的产品 在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用。但电池管理技术还并不成熟电动汽 车的发展及产业化，对动力蓄电池管理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上 也将提出更高的要求。 中国目前已经一跃成为全球汽车消费大国，而且这个趋势还在发展，但许多 人士对于采用汽油作为动力给人类环境造成的污染，及国际上愈演愈烈的能源危 机表现出前所未有的忧虑，此问题亦促使相关政府部门和科研人员加快研究其它 能源。因此内地于十五期间，在国家八六三计划电动汽车重大专项中，设置了动 力蓄电池研究课题，这是推动电动汽车实用化的关键技术之一。经过四年的时间， 内地高功率型动力蓄电池技术从无到有，形成了一定的产业基础，一举缩短了落 后国际先进水平十余年的差距。 但是，由于中国的经济增长过于迅猛，使得汽车产量迅速增加，再加上原来 中国科研底子不厚与对电动汽车的发展不够重视等原因，使得中国在电动汽车研 究领域大大落后于国外，目前，国内各大科研机构与政府部门正在加紧努力，力 争使中国在电动汽车方面的研究缩小与国外同类研究的差距，并在电动汽车的市 场化与实用化做出贡献。 4 湖北工业大学硕士学位论文 电动汽车重大专项总体组动力蓄电池责任专家吴锋教授透露，包括金属氢化 物镍动力蓄电池( 简称镍氢动力蓄电池) 和锂离子动力蓄电池的研究，是目前国 际该领域研究的热点和前沿课题。混合动力汽车有望最早实现产业化，因此，我 们特别将混合动力汽车( h e v ) 用高功率动力蓄电池作为研究中的重点，这项研 究当时在内地还是一个空白，因此它的每一个技术进步都具有创新意识。 据了解，在课题实旌前，中国镍氢动力蓄电池功率密度最高仅为二百三十瓦 每千克( w k g ) ，不能满足h e v 所需电池的基本性能。当时日本丰田公司的混合 动力轿车p r i u s 已经在国际上率先批量面世，它所采用的动力蓄电池为镍氢动力蓄 电池。 课题组在电池结构设计、电池材料设计与改性和电池制备工艺设计等方面进 行了创新性研究，显著提高了电池的功率密度，实现了高倍率放电，使功率密度 攀升到一千零六w k g ，提高了四倍以上。高功率动力蓄电池关键是解决大电流充 放电的问题。混合动力汽车在运动中有一个不断充电和放电的过程。在起动、加 速时需要大电流放电，这样汽车提速就快；刹车时，能量回馈可进行大电流充电。 提高镍氢动力蓄电池的功率密度，成为研究中的重要指针。 经过多年的研究、经验的总结以及实际运行数据的分析，北京交通大学的电 池管理系统取得重要的发展。特别是承接了北京奥运电动汽车电池管理系统的设 计研发工作以来，北京交通大学投入了更大的人力物力，以奥运锂电池为试验对 象，着手搭建电池及其管理系统的试验平台，对电池进行更加深入的试验，采用 将电池的内在化学机理和外特性相结合的研究方法，对电池进行建模，对电池的 优化充电算法进行研究，并将模型和算法嵌入电池管理系统，推出新一代产品， 相信届时的电池管理系统会再在现有的基础上体现出更加优异的管理性能h 1 。 1 3 课题的来源及研究内容 本课题来源于国家自然科学基金“油电混合车用动力蓄电池管理系统核心关 键技术及可靠性研究”，主要研究内容有嫡3 ： 1 研制出适用于混合动力车辆的车载电池管理系统。 2 研究混合动力汽车用大功率镍氢电池的工作原理、参数、充放电特性及各 种模型。 3 在混合动力车中进行安装调试，保证电池管理系统在整车上的可靠运行。 4 配合整车进行各种试验，包括高、低温试验，可靠性试验，高原试验等， 对电池的故障阀值和重要参数的设定进行完善和修正，验证s o c 估算的准确性。 湖北工业大学硕士学位论文 由于蓄电池之间是串联连接的，使得各单体电池电源端不共地，而且当蓄电池 数量较多时，蓄电池的信号电位将超过一般模拟电路芯片所能承受的电压范围，这 些问题为电压检测模块的设计带来困难。如果采用传统的电压检测方法，当蓄电 池单体数目较多时，整个管理系统的设计与实现会有成本高、一致性差等缺点。 目前虽有一些解决方案，但都存在着各种各样的缺点，本课题是延续以前的研究成 果，在原有的基础上进行了改进，提出了一种可靠且具有实际意义的电压检测方 案，从而解决上述的问题。 串联电池组电压的测量又是电池管理系统中的关键部分，所以课题主要就串 联电池组电压的测量方法以研究与应用加以讨论。单节电池电压较低，很多场合 一般都需要大量的串联使用，而电池组的性能取决于最差的那节电池。因此测量 串联电池组单节电池的电压成为必要而又关键的技术。我们采用一些新方法来提 高电池电压的测量性能，从而为组合优化的电池组提供了技术参数。 本文主要研究串联电池组电压的测量方法，介绍了几种的测量方法。然后进 行对比选择了一种各方面都比较好的方法，最后介绍了此种电压测量方法在混合 动力汽车中的应用。 本文主要分为4 个章节，第一章为绪论，介绍了电动汽车的发展历史与电动 汽车在国内的研究发展历程与不足。第二章则深入研究了几种常用的电池电压测 量方法，对比这些方法的优缺点，随后选择适合本课题的电池电压测量方法，第 三章则通过开发实例展示本人的在蓄电池管理系统里所做的研究工作，第四章则 对电动汽车未来的发展趋势做出展望并确定本人未来的研究方向。 6 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 共模测量法 第二章电压测量方法 共模测量是相对同一参考点，用精密电阻等比例衰减测量各点电压，然后依 次相减得到各节电池电压。该方法电路比较简单，但是测量精度也等比例降低。 比如，2 4 节电压为1 2 v 的蓄电池，单节电池测试精度为o 5 的测试系统，单节电 池测试绝对误差为6 0 m v ，2 4 节串联积累的绝对误差可达1 4 4 v ，其相对误差达到 了1 2 ，这经常会造成误报警，所以不能满足应急电源系统的要求。这种方法只 适合串联电池数量较少或者对测量精度要求不高的场合。如图2 。1 采用的电阻分压 方案。 r 1 b 3 b 2 b l 图2 1 电阻分压方案 由图可知，u 1 为b 1 的电压转换而来，u 2 为b 1 - - i - b 2 的电压转换而来，u 3 为 8 1 + b 2 + b 3 的电压转换而来，u 4 为b 1 + b 2 + b 3 + b 4 的电压转换而来，同理可得， 即读取到的转换电压通过计算后乘以衰减倍率就可以得到测量值。因转换电路产 生的u 1 、u 2 、u 3 、u 4 为共地信号，因此测量较为方便。该方法成本低，寿命 长，但是存在累计误差，且无法消除。随着电池节数的增多，单体电池电压测量 误差会随着共模电压的增大而增大。共模电压所产生的干扰幅度大、频率高， 7 湖北工业大学硕士学位论文 还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。 2 2 差模测量法 差模测量是通过电气或电子元件选通单节电池进行测量。当串联电池数量较 多而且对测量精度要求较高时一般应采用差模测量方法。由于两个测量端存在较 高的共模电压，所以不能采用模拟开关选通，也不能直接测量。 下面本文主要介绍已有的几种共模测量法。 2 2 1 继电器切换提取电压 用两片高差模增益放大器设计了一种硬件直接相减的电路，其原理 电路如图2 2 所示。 图2 2 采用硬件直接相减法测量单体电压的电路 如图2 2 中，为n 号蓄电池的高端电位，为r l 号蓄电池的低端 电位。i c l 7 6 5 0 是差模增益高达10 5 m v 的运算放大器，其同相输入端 和反相输入端的电位相等，都为地电位。尺印为保证运算放大器工作的平 衡电阻。其基本原理如下：运算放大器a 构成了一个反向放大器，即： = 一竺 ( 2 1 ) r 月1 运算放大器b 构成一个加法器，即 ：一( 坐v n b + 坐) ：丝坐一坐以。( 2 2 ) 、r n 5r 口3r 。ir ”3r 5 、。 8 湖北工业大学硕士学位论文 由式( 2 - 2 ) 可以看出，我们只要合理的选择凡- 、此2 、r 。3 、亿。和尼5 的阻值，让其满足条件： 磐坐：坐：1 ，即胍：凡。：r n l r 3( 2 3 ) 见】尼3 尼5尼2 、 则式( 2 - 2 ) 可以化为： = 一 ( 2 4 ) 从而实现了硬件的直接相减，避免了误差的累积。 然后把输出的送到模拟多路开关，再通过光电隔离，模数转换后到处理 器进行测量阳3 。 2 2 2v f 转换无触点采样提取电压 v f 转换法们1 的原理图如图2 3 所示。 蓄 电 池 图2 3v f 转换法的原理图 如图2 3 所示，信号采集采用v f 转换的方法( v f 转换就是将被测信号先转 换成电压( 或电流) 量，再转换为对应的的脉冲频率) ，单节蓄电池分别采样，取单 节蓄电池的端电压经降压后送到v f 转换系统，v f 转换信号的输出通过光电隔 离器件送到多路模拟开关，再送到m c u ，处理器是通过控制多路模拟开关采集频率 信号的。数据采集电路与数据处理电路采用光电隔离和变压器隔离技术。 2 2 3 浮动地技术测量电池端电压 下面介绍只用一路测量电路，进行切换来测量蓄电池组的每个电池，为保证 测量电路正常工作而采用的浮动地技术n 胡乜们的原理及实现。如图2 4 所示的原理 9 湖北工业大学硕士学位论文 图。 图2 4 浮动地技术原理图 系统开始工作时，通过模拟开关选通控制到模拟开关，使其被测电池两端的 电位信号进入测量，此信号分别进入差分放大器和窗口比较器，在窗口比较器中 与v ，相比较，如果与v ，刚好相等，则可以启动a d 进行测量。如果太高或太低， 则通过控制器到浮动地调整电路对其进行调整。这时控制器将需要调整的地电位 增量送入d a 转换器，d a 形成的相应模拟增量将改变地电位，直到地电位调整 到恰当数值，整个调整速度较快，然后再由模拟开关选通到差分放大电路再启动 a d 测量。 2 2 4 线性电路直接采样法 线性电路直接采样法是为每个蓄电池配置块采集板，就近完成信号的采集 和转换，将转换后的数字信号传输给单片机进行处理和传输。如图2 5 所示。 图2 5 线性电路直接采样法原理框图 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 如图2 5 中线性电路是由运算放大器组成，然后送到电压跟随器，再送入a d 转换器，转换后的数字信号传输给单片机系统达到测量的。 虽然此电路简单实用，适用范围广，测量精度高，很好的解决了电池检测难 的问题，总的来说当蓄电池组中蓄电池的数量较少时，以上的方法都是可行的口。 2 2 5 运算放大器和m o s f e t 管相结合的方法 电压测量电路陋2 2 3 2 钔如图2 6 所示，电路主要由运算放大器a ，和p 型m o s f e t 管( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 凹5 1 q l 组成，外围电路只需3 个 电阻即可。其中b n + 为第1 1 节电池的正极电压，b 。为第n 节电池的负极电压，v n 为 第n 节电池的电压，v l 为参考电源。 图2 6 电压测量电路原理图 电路开始工作时，如果运算放大器的反向输入端电压大于正向输入端电压， 则输出为低电平，从而使m o s f e t 管源极和栅极的电压差大于开启电压，开始导 通；运算放大器反向输入端的电压因电阻r 3 的分压下降，使它的反向输入端的电 压低于正向输入端，则输出电压上升，达到平衡后，运算放大器的正向输入端的电 压和反向输入的电压相等，则有： 1 1 - b + - b - ( 2 7 ) 一 i z - ，l r 2 、 由于运算放大器的高输入阻抗以及m o s f e t 管的源极和栅极的电流非常小，所 以有： ，l = 1 2 ( 2 8 ) 而输出电压为： 阮= 1 2 x r 3 ( 2 9 ) 湖北工业大学硕士学位论文 把式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 得： 碥：b n + 一b r l - r 3 ( 2 1 0 ) 尺2 电路设计中选择r 2 、r 3 阻值相同，即r 2 = r 3 ，则： 玩= 岛+ 一廓一 ( 2 1 1 ) 为了保证此电路的正常工作，v 1 的电压应大于b 。+ 电压的一半以上。因为要 保证m o s f e t 管q 1 导通后，电阻r 2 和r 3 的分压值要小于b n ，这样才能使运算 放大器达到平衡，处于放大状态。 这种以运算放大器和m o s f e t 管相结合的电压测量电路测量精度高，相对 于其他电压测量电路，有着电路简单、体积小、成本低的优点。通过对电路原理的 分析能够使其适用于各种串联电池组的电压测量。结合光电继电器不仅减少了测 量电路对电池组一致性的影响，而且使其在非测量时处于断电状态，节省了电能， 所以该测量电路凭其特点有着很好的实用价值。 2 3 几种差模测量法的缺点 继电器切换提取电压的方法此电路虽然精度较高，但是一次只能测量一路电 压，需要测量的时间较长，在a n 3 转换过程中，电容上的电压能发生变化，使精 度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯等器件动作延迟决定采样时间长 等缺点。 v f 转换无触电采样提取电压的测量方法采用转换作为a d 转换器的缺 点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。 浮动地技术测量电池端电压的方法由于地电位经常受到现场干扰发生变化， 而该方法不能对地电位进行实时精确控制，因而影响整个系统的测量精度。当蓄 电池数量较多时，电路会变得复杂，而且占用的单片机i o 口也较多。 线性电路直接采样法目前应用较多，此方法原理简单，但测量精度容易受到 电阻阻值影响，测量精度不高；而且当蓄电池数量较多时，电路将变得非常复杂， 造成系统体积打、成本高，甚至不能正常工作。 运算放大器与三极管结合的方法成本较低，它采用了分立元件，但由于对应 的三极管对的参数需要匹配，否则会造成比较大的偏差。 2 4 光电继电器电压采样法 以上介绍的五种共模测量法都有其优缺点，本文主要介绍一种光耦继电器电 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 压采样电路，采用的电压测量电路简单、成本低，且性能优良，在实际使用中有 着很大的优势。 图2 7 是所提出的光耦继电器电压采样电路2 铂的电路图。电路主要由译码电 路芯片7 4 h c l 3 8 和光耦继电器a q w 2 1 4 组成。 p 1 p l p 1 b 1 b 2 b 8 图2 7 光耦继电器采样电路 7 4 h c l 3 8 的真值表如表2 所示。7 4 h c l 3 8 译码电路的输入端a ，b ，c 由单片 机的p 1 o 1 2 口进行控制，通过编程可依次将输出端y o y 7 置为低电平，使相应 的蓄电池被选通。由表2 可以看出，当g 1 为高电平，g 2 为低电平( 其中 g 2 = g 2 a + g 2 b ) 时，芯片才会被选通。换言之，要使芯片被选中，其使能端的状 态必须如下：g 1 - - 1 ，g 2 a = o ，g 2 b = 0 。因此，可以通过单片机对7 4 h c l 3 8 使能输入 g 1 ，g 2 a ，g 2 b 的控制来选通多片7 4 h c l 3 8 芯片。 湖北工业大学硕士学位论文 7 fo p 1 3 和p 1 4 是单片机的两个v o 口，可以分别选通3 片7 4 h c l 3 8 ，如表3 所 表3 单片机对7 4 h c l 3 8 的选通控制 这样，在一个电压巡检模块中使用3 片7 4 h c l 3 8 芯片，就可以对最多2 4 个蓄电 池进行采样。对于蓄电池数量较多的情况，可以使用多个模块，通过单片机分别选 通各个模块，就能实现对( 2 4 x n ) 个蓄电池的切换( n 为电压巡检模块的数量) 。 为了解决蓄电池信号电位过高的问题，采用了光耦继电器来实现蓄电池端电 压的采样。光电继电器选用日本松下电工生产的a q w 2 1 4 ，具体参数为：耐压4 0 0 v ， 驱动电流l m a ，连续负载电流1 0 0 m a ，平均动作时间0 3 m s ，导通电阻约3 0 q ， 开路泄漏电流 3 0 m s ，开关次数 1 0 0 m a ，开关噪音随容量的增大而增大；普 通模拟开关耐压 1 5 v ，导通电阻约3 0 0 f 2 。 由于a q w 2 1 4 的负载能力高达4 0 0 v ，足以让蓄电池的电压直接通过。当电路 中某个光耦继电器被选中时，相应的蓄电池的负端接到测量电路地，正端经缓冲器 进入a d 转换器，这样便完成了单个蓄电池端电压的采样。同样道理只要依次选 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 通各个蓄电池，就能达到电压巡检的目的。虽然随着蓄电池数量的增加，所需的 光耦继电器也不可避免地增加，但由于光耦继电器的体积比一般机械触点式继电 器的小得多，即使采用大量的光耦继电器也不会对整个电压巡检模块的体积有太 大的影响。 此方法采用了模块化的设计，不但使电路简化，同时又可以对由较多蓄电池组 成的串联蓄电池组进行电压巡检。另外，光耦继电器解决了强电与弱电隔离的问题， 而且其体积小的优点也使得方案具有实际意义。 2 5 本章小结 本章是论文的重点，主要陈述了已有的串联电池组电压测量方法，每种方法对 其系统的结构和硬件电路的设计进行了分析和介绍，对各种方法的参数进行了比 较，并指出了每种方法的优缺点。最后介绍了本文采用的测量方法。 湖北工业大学硕士学位论文 第三章串联电池组电压测量在混合动力汽车中的应用 目前世界上通用的电动汽车主要分为如下的三类。 1 完全电力汽车 完全电力汽车是由可重复使用的电池来提供动力的汽车，也就是我们所数值 的“电车 。这种技术的应用现在已经非常之广泛，我们在大街上随处可见完全电 力汽车，这种汽车的使用在降低环境污染的同时还节省了不少能源，可是，这种 汽车也有不少缺点：购置费用高、能量转换效率低、重量大。所以研究新型的电 动汽车对其进行更换显得至关重要。 2 多动力汽车 多动力汽车采用动力结合与匹配的模式进行动力输出，它的运行时间与行驶 里程较之完全电力汽车高出很多，而且其环保性能也大大高出完全电力汽车，多 动力汽车的地污染性使其成为未来电动汽车研究的一个重点方向。 3 蓄电池汽车。 蓄电池汽车通过将其内部蓄电池里的电能转换成动能进行动力输出，现在蓄 电池汽车的应用前景也十分光明，但是，由于蓄电池巨大的质量与其效率转换的 不稳定性，使其应用受到一定的局限。 3 1 混合动力汽车的关键技术 混合动力汽车的所实现系统的关键技术主要如下所示汹儿捌： 1 系统能量单元与管理单元 出于实际应用的考虑，汽车的蓄电池必须有可靠的性能，与此同时，检测系 统也必须有较高的精度来对数据进行准确的读取与计算。系统能量单元的主要功 能是存储与释放大量的电压，进而增加汽车的行驶距离，所以，我们对能量单元 的要求是大能量，大功率与高精度输出。由此可见，系统能量单元的技术要点是 使用正确的原材料，这种材料不仅可以实现大规模的电能输入与输出，而且可以 循环使用。 其次，我们还对系统能量单元进行了如下的研究：第一，对系统能量单元的 设计与制造工艺进行改进，进一步缩小成本、延长系统的使用年限，使得对其各 种性能的研究更加方便。第二，对系统能量单元的内部布线进行设计优化，并改 进控制算法，提高系统控制效率，由于系统能量单元是汽车的动力输出的心脏， 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 所以对于该部分的研究显得非常重要。 s o c 部分主要提供汽车能量单元输出的管理，所以对与s o c 如何对系统能量单 元进行设计以及对于整个系统运行效率之影响的研究显得至关重要。由于系统能 量单元的购置费用比较高( 相对于电动汽车价格而言) ，所以高效率的s o c 可以 加长系统能量单元的使用年限，从而缩小电动汽车的购置费用。 2 系统动力控制 现在，电动汽车系统动力的来源分为热能电机与汽车蓄电池，出于对提高系 统动力控制效率的考虑以及降低汽车蓄电池的成本，我们在进行系统研究与设计 时需要对系统控制方面格外注意。 3 系统电机及其控制 系统电机的功能是将将电机所产生的电能变成机械能进行功率输出，从而推 动电动汽车前进。在对系统电机的研究工作里，驱动电路的设计与实际运行情况 较为复杂。 我们通过使用优化的控制运行算法来合理搭配系统电机运行与电动汽车的启 动。现在汽车蓄电池主要使用交流电机进行动力输出，而今年来，一些新兴的电 机驱动技术越来越多的出现在电动汽车里，但是，这些技术的降噪性与控制效率 还是不如传统的交流电机。 4 控制算法 就一辆普通的电动汽车而言，如何将动力进行集成是进行高效率控制的关键， 实现动力集成的关键技术有很多种，比如通信技术、电机技术、软件技术与集成 电路技术等。 系统控制单元的左右是根据所采用的各类数据( 比如电压、温度) 计算出对 应的数值，再根据这些数值得出本系统最高效率的功率输出与输入，最后根据系 统里各个部分的参数设计控制算法，从而使系统得以高效率运行。 出于提高汽车蓄电池运行效率的考虑，现代电动汽车里的蓄电池应该有很大 的电能存储量、简单维修、长时间不间断使用等特点。为了降低汽车的成本，从 而达到批量的效果，实现这一效果主要通过研究与制造新一代的汽车蓄电池来实 现。 通常在实际的使用过程中，系统能量单元与系统动力输出单元所做的工作是 高密度的、较小的电能输入与输出的不间断循环，所以，软件所测的电池各个重 要数据会有变化，所以，我们在系统设计时，对汽车蓄电池有如下2 点要求： 1 高功率动力输出与输入 电车的重量是评估系统能量单元快速输出与输入功率的一个重要数据( 比输 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 出功率更主要) 。系统能量单元的可靠性要求非常高，我们要就系统能量单元可以 在瞬时输入与输出大量的功率，而随之却可能带来一些可靠性的问题，所以，如 何进行功率与可靠性的匹配是我们今后在这方面的重点研究方向。 2 系统的使用年限 高密度与大功率的动力输入与输出会造成系统的损坏，从而降低系统的使用 年限，如何提高系统使用年限也是我们今后重点的研究内容。 3 系统的控制效率 如前文所描述，控制算法的优化是提高系统运行效率的关键点所在。 本文主要研究混合动力汽车关键技术中的蓄电池，对其电压的测量做主要的 研究与应用。 由于电池的良好的充放电性能及电池状态与s o c 的准确计算是混合动力汽车 研究的关键。所以本章只在于研究串联电池电压的测量方法在混合动力汽车中的 应用。 3 2 电池组的测量方法在混合动力电动汽车系统中的实现 混合动力电池管理系统2 儿3 3 1 的功能是对电池组的各种信号进行集中采样与输 出，从而达到对电池组的整体情况进行监控的效果，该系统的输出功率可利用汽 车在发动和加速是产生的巨大动能提供，当汽车忽然停止运行时，该系统可以转 换更大的功能来保证自身的运行，本课题会对电池组测量系统的硬件、软件进行 详细的研究与实现，出于实际应用的考虑，我们在设计系统是将提高测量精度放 在了首要