（电气工程专业论文）基于电动汽车的电池数据记录仪的设计.pdf

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、2 3 2 与电池管理系统通信，实现数据的接收、处理、记录和发送，在 设计中采取了一定的硬件抗干扰措施保证了数据记录仪正常工作。本文以c 语言 搭建系统的软件平台，对系统的功能模块进行合理划分，以中断的方式实现数据 记录仪与电池管理系统和p c 机的通信。采用了两种存储器对数据分类记录，对数 据记录内容和芯片存储地址空i 日j 进行了合理分配。能实现数据通信、数据记录和 系统设置的功能。本文以l a b v i e w 作为上位机软件平台，设计了两个独立的上位 机程序，分别实现数据的存储和分析。存储程序将数据以一定格式存储到p c 机中， 方便用户查看，分析程序能将记录的数据做简单显示分析。数据记录仪有体积小， 易于安装，使用方便的特点。 本文设计的电动汽车电池数据记录仪可以深入电动汽车理论研究，具有很强 的实用性。 关键词：电动汽车；电池；数据记录仪 分类号：u 4 6 3 6 3 1 j 0 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：e l e c t r i cv e h i c l ea sak i n do fe n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yt r a n s p o r ti so f g r e a t s o c i a lc o n c e r n b e c a u s et h et e c h n o l o g yo ft h e b a t t e r yi s n o tm a t u r e ，t h e a p p l i c a t i o no fag r o u po fb a t t e r yn e e d st ob ep e n e t r a t e d i ti su r g e n tt od e s i g nab a t t e r y d a t a i o g g e rb a s e do nt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mt or e c o r d et h eb a t t e r yp a r a m e t e r s t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e dab a t t e r yd a t a l o g g e ra n db u i l d e di t sh a r d w a r ec i r c u i t p l a t f o r m t h ea r t i c l eu s et h ec p uw h i c hs e ta r m 7a st h ec o r ea st h ec o n t r o l l e ra n d d e s i g nt h ep o w e rs u p p l ya n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t i tc a nr e a l i z et h e4 8 5 ，、2 3 2 、 c a n c o m m u n i c a t i o nw i t hb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma n di m p l e m e n td a t ap r o c e s s i n ga n d s t o r a g ea n ds e n d i n g t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r eu s et h em e t h o dt or e s i s td i s t u r b a n c et o e n s u r et h ed a t ar e c o r d e rw o r kp r o p e r l y u s ec l a n g u a g ea st h es o f t w a r ep l a t f o r m ，m a k e t h es y s t e mf u n c t i o n a lm o d u l e sr e a s o n a b l ea n du s ei n t e r r u p t st oc o m m u n i c a t ew i t h b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h ec o m p u t e r i tu s et w ot y p e so fm e m o r yt or e c o r d t h ed a t as ot h ed e s i g nd i s t r i b u t et h es t o r a g ea d d r e s ss p a c ea n dc h o o s et h er e c o r d i n g c o n t e n t t h es y s t e mr e c o r da n ds e n dt h ed a t aa n dd of u n c t i o ns e t t i n g s i tc h o o s e l a b v i e wa st h eu p p e rs o f t w a r ep l a t f o r m d e s i g nt w os e p a r a t ep r o g r a mt oi m p l e m e n t d a t as t o r a g ea n da n a l y s i s o n ep r o g r a mc o u l ds t o r et h ed a t ai nt h ep c ，t h eo t h e ro n ec a l l s h o wt h er e c o r da n ds i m p l ya n a l y s i st h ed a t a t h ed a t a l o g g e ri sc o n v e n i e n ta n do f s m a l ls i z e ，a n di ti se a s yf o ri n s t a l l a t i o n n ed a t a l o g g e rf o re l e c t r i cv e h i c l e sd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nc o n t r i b u t et ot h e f u r t h e rt h e o r yr e s e a r c ho fb a t t e r yf o re l e c t r i cv e h i c l e sa n di th a ss t r o n gp r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lv e h i c l e ；b a t t e r y ；d a t a l o g g e r c l a s s n o ：u 4 6 3 6 3 l r。 j-，j1 目录 目录 中文摘要。v a b s t r a c t 、，i i 1 绪论1 1 1课题背景和研究意义l 1 1 1 课题背景1 1 1 2 课题意义1 1 2国内外研究现状2 1 2 ，1车用电池研究现状2 1 2 2 电池管理系统研究现状3 1 2 3 电池数据记录仪研究现状4 1 3课题任务和和内容安排4 1 3 1 课题任务4 1 3 2内容安排5 1 4本章小结6 2数据记录仪总体要求与系统设计7 2 1 系统功能要求一7 2 1 1数据记录仪的功能要求7 2 1 2 上位机功能要求一8 2 2记录数据分类。9 2 2 1 温度一9 2 2 2电流9 2 2 3 电压9 2 2 4故障代码一lo 2 3记录数据分析1 0 2 3 1电池一致性分析1o 2 3 2电池性能衰减分析1 1 2 3 3温度场分析1 1 2 3 4 故障分析1 l 2 3 5 用户使用习惯分析1 2 2 4系统总体设计1 2 2 4 1数据记录仪结构设计1 3 北京交通人学硕七学位论文 3 2 4 2 上位机设计1 4 2 5本章小结。1 4 数据记录仪硬件电路设计15 3 1硬件系统总体设计1 5 3 1 1硬件设计15 3 1 2 系统结构1 6 3 2 系统功能模块1 6 3 2 1 主控制器电路1 6 3 2 2 电源模块电路18 3 2 3复位和时钟电路19 3 2 4 f l a s h 存储器电路2 0 3 2 5f r a m 存储器电路2l 3 2 6 实时时钟电路2 2 3 3系统通信接口2 3 3 3 1c a n 通信接口设计2 3 3 3 2r s 2 3 2 通信接口设计2 4 3 3 3r s 4 8 5 通信接口设计2 5 3 4本章小结2 6 数据记录仪软件设计2 7 4 1系统的总体程序设计2 7 4 1 1设计思路2 7 4 2 主程序设计2 7 4 2 1 串口接收数据主程序一2 8 4 2 2c a n 接口主程序2 9 4 3数据接收程序设计2 9 4 3 1串口数据接收程序2 9 4 3 2c a n 数据接收程序31 4 4数据记录程序设计3l 4 4 1 存储程序流程图3 2 4 4 2 存储地址分配3 3 4 5数据发送程序设计。3 3 4 6系统设置程序设计3 4 4 6 1检测坏块3 4 4 6 2 系统参数设置3 5 x 目录 5 6 4 7本章小结3 6 上位机软件设计3 7 5 1上位机总体设计3 7 5 1 1上位机软件平台3 7 5 1 2 数据接收程序总体设计3 8 5 1 3数据存储方案的比较3 8 5 1 4 数据显示分析程序设计3 9 5 2数据接收程序设计4 0 5 2 1 数据接收主程序4 0 5 2 2 数据初始化4 l 5 2 3 数据存储4 1 5 2 4 复位c a n 4 4 5 2 5 系统设置程序4 5 5 2 6 接收程序界面4 5 5 3数据显示分析程序设计4 6 5 3 1数据读取程序4 7 5 3 2 数据显示程序4 8 5 3 3 数据查询程序4 9 5 3 4 故障分析程序4 9 5 3 5 显示程序界面5 0 5 4程序优化设计和打包5 l 5 4 1 程序优化设计5l 5 4 2 生成应用程序5 2 5 5本章小结5 2 实验与分析。5 5 6 1硬件电路图5 5 6 2上位机5 6 6 3数据记录分析5 6 6 3 1 电池充电数据5 7 6 3 2电池充电温度数据5 8 6 3 3电压充电极差数据5 9 6 3 4电池放电数据6 0 6 3 5 电池放电温度数据6 1 6 3 6 电池放电极差数据6 2 北京交通人学硕十学位论文 参考文献6 7 作者简历6 9 独创性声明7 0 果结 一结望 结小 一总展 验章望题题 试本展课课 巧七日 4 5 始2斛的舶饥他 绪论 1 1课题背景和研究意义 1 1 1课题背景 1 绪论 能源短缺、环境污染和气候变暖使传统汽车产业面临挑战。首先，在全球的 能源污染当中，汽车承担很重要的责任，汽车的不断增加造成对气候环境的污染。 其次，汽油的储藏量很快要进入红色区域，以目前的开采速度计算，地球上的石 油储量只够满足全世界石油消费4 0 年。据美国能源部门估计，今后2 0 年内，世 界石油还能供求平衡，2 0 年后就要面临缺油的局面。虽然目前世界还没有油荒， 但长远来看，世界越来越接近油源枯竭的日子。面临能源和环境的压力，目前， 人们不断地寻求清洁的代用燃料，以改善日益恶化的交通排放现状，电动汽车成 为各国政府和汽车制造商关注的焦点，几乎所有国家都在呼唤要求节能减排，降 低对石油的依赖程度，发展电动汽车成为一个必然的趋势【l 】。 当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、插入式混合动力电动汽车和混 合动力电动汽车正在引发世界汽车工业的一场革命，展现了汽车工业的光明未来。 我国对电动汽车的发展很重视，2 0 0 1 年新能源汽车被列入国家“十五的8 6 3 计 划，“电动汽车 重大科技专项。目前我国在电池、充电机、电池管理系统的研 究已经取得了一定程度的进展和突破【l l 】。 推动电动汽车需要三大因素：一个是要有好的产品，即要做到性能好、价格 低；第二要有好的基础设施，这一点对于纯电动汽车和插电式混合动力汽车非常 的重要；第三要有好的商业模式，这点需要政府、能源生产商、主机厂和主要零 部件厂商和消费者共同协作，让消费者改变原有观念来接受电动汽车。 1 1 2课题意义 目前，电池技术一直得不到突破性发展是电动汽车的技术瓶颈。电池的荷电 状态、健康状态等必须通过电池的电压、电流、内阻、温度等外部参数来判断， 为了研究电池及其应用技术，必须采集大量电池数据进行分析。对电池做充放电 实验时，一般采用横流放放电的方式，并且电池处在一个稳定的环境中，而在车 辆实际运行时，电池处于一个复杂的电磁环境中，其通风状态，车辆颠簸等问题 北京交通大学硕士学位论文 都可能造成电池性能的差异，所以在理想状态下无法模拟实际运行环境。 电池管理系统上没有存储大量数据的设备，以往为了分析电池的实际运行参 数，采用一个可靠的在线监控系统通过与电池管理系统通信实现。但是由于车上 无法提供笔记本电源，因此在实际运行时，通过该监控系统只能记录2 小时左右 的数据。当分析电池的静态特性，观察电池的衰减变化时，需要得到电池长时间 运行状态，此时在线监控系统便不能够满足对数据分析的要求。本课题设计的数 据记录仪，通过与电池管理系统的通信接口，将所需要的数据存储在片上存储芯 片中，再转存到电脑中。能够为电池和电池管理系统的研究提供大量数据支持。 该数据记录仪所记录的数据一方面提供给电池厂商，电池厂商根据电池数据， 能从实际运行情况了解电池的性能，优化电池设计工艺。另一方面为电池管理系 统的研究提供数据，从而得到电池的实际运行状态，验证管理系统的工作情况是 否正常，能否达到期望的管理效果。同时也能省去了以往人为跟车的工作。 1 2国内外研究现状 1 2 1车用电池研究现状 纯电动汽车和混合动力电动汽车是以电池为动力源和动力源之一的交通工 具。电池是电动汽车技术中最核心的部分，电动车要具备优良的性能和高可靠性， 其动力电池需要具备能量密度高、输出功率高、充放电效率高、适用温度范围宽、 安全性高、可靠性高、成本低以及寿命长等特性。但是，目前电池技术还处于一 个不成熟的阶段，电池的比容量比功率都不大，导致电动汽车与普通燃油汽车比 较起来存在充电时间较长、一次充电行驶里程较短、电池价格高昂以及电池寿命 较短等问题。 目前电动汽车常用的动力电池大致分为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池三 类。比较三类电池，铅酸电池技术实际应用时间最长，技术也最为成熟，可是铅 酸电池的比容量和比体积都较小，致使电池的一次行驶距离短。上世纪9 0 年代推 出的镍氢电池在电池的比容量，比体积上都明显优于铅酸电池，使铅酸电池逐渐 被替代，镍氢电池充放电倍率大使镍氢电池广泛用于各种混合动力电动汽车上【1 1 】， 日产的各种混合动力汽车清一色的使用镍氢电池。直至锂离子电池的出现，人们 又逐渐将注意力投向锂离子电池，锂离子电池在性能上明显优于以往的电池，它 的使用使电动汽车的性能得到一个突破性的发展。 电动汽车在使用中更面临一些实际问题，主要包括： ( 1 ) 电池的串并联使用带来的一致性问题。为了提高工作电压和工作电流 2 绪论 以满足系统对能量和功率的要求，电池需要大量的串联和并联，这种使用方式会 电池的循环寿命和能量利用率大大的降低并且增大电池在使用时管理的难度。 ( 2 ) 电池在使用时空间狭小。电池集中摆放使电池长时间在高温情况下运 行，电池的性能下降快还有可能出现安全问题。并且增加电池管理和配备的均衡 系统摆放困难，使电池性能下降更快。 ( 3 ) 工作电压电流变化较快。当电动汽车在运行过程中启动、加速或爬坡 时其电池电流和电压变化较快，这使得电池在短时间内的发热，和过放电问题严 重，在一定程度上加速使电池性能的下降，增加管理系统在线检测的难度。 ( 4 ) 运行时环境恶劣。电动汽车在使用时运行碰撞和颠簸以及灰尘、雨水、 线路磨碎等情况可能时电池组出现短路等绝缘问题，并进一步影响电池的使用性 能【8 】o 电池性能问题是目前制约电动汽车发展的关键问题，电动汽车要发展，要与 燃油汽车竞争，最重要的是要开发出比能量高、比功率大、寿命长、更安全可靠、 成本更低的电池。 1 2 2电池管理系统研究现状 由于动力电池技术的不成熟，电池管理系统在使用过程中起到估算电池剩余 电量、延长电池使用寿命、保证电池使用安全的作用，是电动汽车的重要组成部 分，电池必须配备电池管理系统才能在电动汽车上使用。由于电池在大规模串并 联后不能当作为一个大电池一样简单使用，必须对各个单体电池进行有效的控制 管理，电池管理系统在这样一种情况下产生，作为电池系统的一个重要组成部分， 其主要目的是解决动力电池在大规模成组使用时存在的一系列问题，并且为电动 汽车的整车控制器和充电机提供各种控制参数【1 1 1 。 电池管理系统需具备单体电压测量、温度监控、故障在线分析、故障定位、 电池荷电状态估测、显示、故障输出、数据转储、远程监控等功能，以有效的完 成对电池组的管理。其主要任务是：首先，监控电动汽车运行时电池外部变量以 保证电池使用时的安全，第二是正确估算电池的剩余电量并配合充电机实现电池 的正常充放电，第三是实现电池的最合理利用以保证电池使用的效率和提高电池 的使用寿命，降低电池的使用成本。 电池管理系统集检测、控制、管理等功能与一体，电动汽车的各种技术中最 重要的就是s o c 的估算问题，这也是对保证电池寿命和电池的使用效率直观重要。 电动汽车控制系统需要时刻根据电池的s o c 作出工作方式的调整，根据电池容量 的不同和电压的不同检测电池的性能差异，根据此作出电池健康状态的判断，并 北京交通大学硕士学位论文 根据此作出是否均衡的判断。电池管理系统的技术要保证电池的整体性能，防止 电池过冲过放、延长电池组使用寿命就需要对s o c 进行准确估算。而电池的s o c 必须通过电池的外部特性：电压、电流、内阻、温度等外部参数来估算，这是一 个很复杂的对应关系。 1 2 3电池数据记录仪研究现状 电动汽车目前还是一个新兴产业，并没有大规模普及使用。为了深入对电动 汽车及其应用技术的研究，很多研究院， 电动汽车上的进行电池数据记录的设备， 高校等科研机构，都在设计专门安装在 但是很多研究成果还没有公布。市面上 出现的少量电池数据记录仪，品质、功能及适用范围等都不统一。一些电池数据 记录仪是安装在小型储能设备上的，没有隔离电源，不符合系统对稳定性和安全 性的要求。一些电池数据记录仪可以直接做电压电流等数据采集也有显示界面， 功能与电池管理系统和车载监控的功能重叠，且体积大小不符合要求，不易于安 装。一些数据记录仪存储容量不符合对海量数据存储的要求。业内对电池数据记 录仪并没有一个统一的设计标准，没有一款完善的安装在电动汽车上，专门用于 记录电池数据的记录仪器。 本文针对电动汽车研究的实际需求，设计了一款数据记录仪，该数据记录仪 是搭建在电池管理系统基础上的，通过与电池管理系统通信记录电动汽车实际运 行时电池的外部状态( 如：电池电压、电流、温度等) ，一方面为了研究电池的工 作特性，一方面为了对电池管理系统的工作情况做验证。为电动汽车用动力电池 的理论研究提供数据支持。 1 3课题任务和和内容安排 1 3 1课题任务 本课题的任务是设计一个电池数据记录仪，对象是以电池为动力源的各种新 能源电动汽车，包括各种应用混合动力电动汽车、插入式混合动力电动汽车和纯 电动汽车。该数据记录仪是在电池管理系统的基础上搭建起来的，主要任务分为 三个： ( 1 ) 硬件电路设计：目前电动汽车电池管理系统主要应用的数据接口为c a n 接口，也存在一些以往的以r s 2 3 2 为数据接口的电池管理系统，奥运会使用的部 分纯电动汽车用电池管理系统使用r s 4 8 5 为数据接口。为了使系统具有通用性， 4 绪论 数据记录仪设计了三个通讯接口适应系统的不同需要。在硬件中需要设计实时时 钟，以准确记录系统时标。并且需要选用大容量存储器以适应系统海量数据存储 的需求。在方案中需要充分考虑到电动汽车中复杂的电磁环境，在其硬件电路和 软件程序中设计一些抗干扰和滤波的措施以适应系统的需要。 ( 2 )系统软件设计：软件设计分为两个大类，一个是为以串口为数据接口的软 件程序，一个是以c a n 为数据接口的软件程序。两个程序在结构上有一定区别， 串口接口程序以判断每帧数据的帧头帧尾和对数据帧的验证实现数据接收，c a n 接口程序直接通过判断数据标识符来实现数据的接收。并且以串口为数据接口的 管理系统为保证程序执行的效率，一般需要先对管理系统发送读取各种数据命令。 接收到的数据一般会有一些裕量，为了充分利用数据存储空间，在程序中需要选 择数据的存储内容，合理分配存储地址，需要预留存储地址进行数据配置。在程 序中需要设计与上位机的通信协议，并且设计接口程序处理上位机发送的各种命 令，使记录仪通过各种命令方便实现对记录仪的初始化和配置，如：数据清零、 设置系统时间、设计存储时间间隔。 ( 3 )上位机软件设计：上位机需要实现数据的记录和显示分析。为了保证数据 执行的效率，将上位机软件程序执行分两个程序执行。一个程序实现上位机与数 据记录仪的通信，包括数据处理和记录，并实现对数据记录仪的简单设定。一个 程序实现数据的显示分析，能将记录的数据显示并且做简单的处理和分析。能通 过该软件实现对电池的一致性分析、性能衰减分析、故障分析、实际工况和用户 使用习惯分析。 ， 1 3 2内容安排 第二章：详细论述电池数据记录仪的性能要求和系统总体设计方案。第一节 说明系统的功能要求。第二节说明数据记录仪记录的数据类型及记录该数据的意 义。第三节介绍了数据记录仪需要分析的内容。第四节说明系统的总体设计方案。 第三章：详细介绍了数据记录仪的硬件电路设计。包括硬件总体结构，和各 个功能模块的电路设计，通信接口电路设计。 第四章：详细介绍了数据记录仪的软件结构设计。将程序大致分为c a n 接口 程序和串口接收数据接收程序。设计了数据记录仪总体软件流程、数据接收程序 流程、数据存储流程、数据发送程序流程和功能设置程序流程。 第五章：详细介绍了与数据记录仪配套的上位机软件设计。第一节介绍了上 位机的总体设计，上位机包括数据接收程序和数据显示分析两个程序。第二节详 细介绍了上位机的数据接收程序。第三节详细介绍了上位机的数据显示分析程序。 北京交通大学硕士学位论文 第四节节介绍了程序的优化设计和打包。 第六章：展示了研究成果并用实验记录的数据分析显示整个数据。 第七章：对工作进行了总结和展望。说明在设计过程中还不完善的地方。 1 4本章小结 本章介绍了本课题的应用背景，电动汽车的发展状况和应用价值，说明了本 课题的研究意义和所要完成的任务。本课题的任务主要是记录电动汽车的数据并 且将数据进行简单分析处理，为现有的纯电动汽车和混合动力电动汽车的研究提 供数据支持。 6 数据记录仪总体要求与系统设计 2 数据记录仪总体要求与系统设计 数据记录仪的主要功能是完成对数据的转存和对数据的简单分析。整个系统 设计可以分为两个部分：数据记录仪设计和上位机软件设计。为保证系统的通用 性，数据记录仪硬件设计了r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 通信以适用于不同车型的需要。 数据记录仪软件设计大致可以分为串口通信和c a n 通信两类，软件程序设计根据 管理系统通信协议的不同，对数据接收，数据处理，和上位机数据发送协议都进 行了改动。上位机程序设计了两个程序分别完成数据的存储和数据的分析两部分 的功能，根据通信协议的不同，对数据有不同的处理方式。 2 1系统功能要求 2 1 1数据记录仪的功能要求 根据功能需求，该数据记录仪应具有以下几个基本功能： ( 1 ) 上电自检功能 记录仪在上电后能进行自检，上电成功有指示灯指示。工作时，能通过指示 灯判断数据记录仪的工作状态。当绿色指示灯闪烁时表示，数据记录仪正在记录 数据，当黄色指示灯闪烁时标明数据记录仪正在向p c 机发送数据。当红色指示灯 闪烁时，标明数据记录仪闪烁时标明程序运行故障。 ( 2 ) 提供准确时间 记录仪能够提供准确的时间，能提供年、月、日、时、分、秒的准确信息时 间，用于记录每条信息的标准日期时间。 ( 3 ) 数据通信的功能 能提供各种数据接口，进行数据的接收和发送。包括c a n 总线、r s 4 8 5 接口 和r s 2 3 2 接口三种。 ( 4 ) 电池数据的记录 记录电池的电压、电流、温度、s o c 、故障代码等信息。需要合理分配数据 存储地址，选择合适存储芯片进行数据存储。 ( 5 ) 能对数据记录仪进行设置 根据数据记录的不同需要，系统需要能够记录存储数据时间间隔。当需要观 察电池数据的动态特性时，数据记录时间间隔可以设置为最小l o o m s 记一次。当 需要观察数据的静态特性时，可以将数据记录时间间隔设置更长，以秒为单位或 7 学位论文数据集 者以分为单位。 2 1 2上位机功能要求 上位机分为两个部分，一个部分实现数据存储，另一个部分实现存储数据并 的显示进行简单处理分析。 数据接收程序需要具备以下几个功能： ( 1 ) 数据通信 能够与数据记录仪通信，在系统中统一使用c a n 作为记录仪与p c 机的通信 接口实现数据的接收和命令的发送。 ( 2 ) 功能提示 数据完成的各个功能都有指示灯和提示框指示。如：有指示灯显示数据正在 接收，并有传输完毕提示。 ( 3 ) 设置c a n 通信 能初始化c a n 通信，选择c a n 通信类型，波特率。 ( 4 ) 数据处理存储 发送到记录仪中的数据，需要经过一定的处理才能转换为我们常用的单位格 式，整理数据并将数据按照一定格式打包存储下来。 ( 5 ) 数据记录仪设置 能通过发送命令，对数据记录仪进行简单设置。如：当接收完数据，能发送 指令将记录仪的数据的数据清空，下次数据记录仪能从起始地址开始接收新的数 取系统的当前时间，设置时间等。 显示分析程序设计： 选择数据文件和要显示的数据 择文件路径，将文件的全部时间点的数据读出，或者将选择所选文件中 间点数据读出，并且能根据显示需要选择希望显示的数据类型。 显示数据 数据显示成各条曲线，能显示数据的最大值、最小值和对应特定点的其 值。有游标指示曲线点并能拖动数据曲线，详细显示部分数据值。 分析数据 单分析各种数据，设置各种数据分析功能，如能进行电池一致性分析、 分析、故障分析、实际工况和用户使用习惯分析等。 数据记录仪总体要求与系统设计 2 2记录数据分类 电池管理系统主要关注电池的温度、电压、电流等数据。这些数据直接关系 到电池的使用寿命和估算剩余电量的准确度，是影响电池性能的主要因素，也是 设计该系统需要重点记录分析的量。 2 2 1温度 电池温度与环境温度、工作电流、通风量和热管理等密切相关。电池的温度 高使得电池的活性增加，能量能更有效的发挥，但是温度过高会使电池容量急 剧衰减。电池温度低时电池的活性明显降低，电池的内阻、极化电压增加， 实际可用容量减少，电池的放电能力下降，电池的能量利用效率下降。温度 过低会严重降低电池的充放电倍率甚至导致电池无法充电。电池在其最适宜工作 的温度范围内使用也是保证电池安全可靠的条件。 2 2 2电流 电池都存在一定的内阻，当电池的工作电流太大时，电池内部的发热明 显增加，电池的温度升高，从而导致电池的热稳定性下降，并形成正反馈。另外 锂离子电池的正负极的脱嵌锂离子的能力是有限的，对应的就是电池的最大允许 充放电电流，当电池的充放电电流大于电池的脱嵌能力的时候，势必导致电池的 极化电压明显增加，电池提前达到充放电截止电压，电池的实际容量减小，电池 的能量利用效率下降，严重的时候还会导致锂离子的沉积，从而影响电池的安全 性。 2 2 3电压 电池的电压是衡量电池是否正常工作的一个标准，过高或者过低的电池 电压都会影响电池的性能加速电池的老化，甚至还会导致电池出现一些安全 问题。电池在使用的过程中，需要对电池的上限电压进行监控，当电池电压 高于电池的限制电压的时候，电池将产生大量的热，使得电池热稳定性下降， 容易发生热失控。当电池的充电电压超过电池的最大允许充电电压时，会使 电池内部短路并出现热失控的可能性。因此电池在使用的过程中，电池的电 压超过电池的上限电压是绝对禁止的。在电动汽车等成组电池使用的时候， 9 学位论文数据集 需要保证所有单体电池的电压不超过上限电压。同样电池也存在下限电压。 在使用的过程中，当电池的电压低于下限电压时，所以当电池会出现严重过 放电问题，严重影响电池的寿命甚至会损坏电池。 2 2 4故障代码 系统的故障代码能表征电池是否发生故障，发生哪种故障。根据故障程度的 不同，故障代码将故障分为一级故障、二级故障和三级故障。通过查看故障代码 能直接得到电池的健康状态，是否能通过管理系统调控回到正常运行状态，电动 析各种故障的出现概率， 温度等，保证电池的正常 是否正常工作，管理系统 括对电池充电状态和放电 、故障和用户使用习惯的 到一定的电压、功率和能 能不一致问题，使得在充 电，使得电池组不能继续 电池组内的部分电池先于 继续放电，使得电池组存 之间的差异而采用基于电 或者放电，则会导致部分 全隐患；如果为了保护这 和能量利用不充分，车辆 ，容量和性能差的电池更 性能以更快的速度衰退， 一致性越来越差。连续的 数据记录仪总体要求与系统设计 充放电循环导致的单体电池的差异放大，将使某些单体电池容量加速衰减，从而 使电池组过早失效。因此电池的组合应用不仅要求单体电池的性能指标达到规定 的要求，对参与配组的单体电池性能的匹配也有严格的要求。在分析数据时，可 以根据其极差电压简单对电池的一致性进行分析。 2 3 2电池性能衰减分析 电池经过多次充放电循环后存在容量衰减问题。电池容量损失分为可逆损失 和不可逆损失。可逆损失一般为自放电，可通过再充电得以恢复。不可逆容量损 失主要为电池材料的破坏引起，再充电不能得到恢复。引起锂离子电池循环容量 衰减的因素有很多，不仅与电池材料有关，而且与电池使用环境温度、充放电倍 率、放电深度等诸多因素有关。动力电池的重要特性一循环寿命，直接关系到动 力电池和电动汽车的性价比以及电动汽车的整体性能，是电动汽车能否被广泛应 用的关键因素之一。对锂离子动力电池的循环寿命进行快速准确的评估也是电动 车用锂离子动力电池研究领域亟待解决的关键问题之一。 通过对电池数据长期记录，能分析电池的衰减状态，考虑各种因素对电池衰 减性能的影响，有利于对电池衰减状态正确评估的分析研究。 2 3 3温度场分析 不同的温度下，电池的直流内阻，极化电压，充放电能力都有所不同。电池 的温度过高或者过低都会影响电池的性能。对电池的各部分温度差，简单分析 实际运行时温度对各部分性能的影响，包括电池寿命和一致性问题等。 2 3 4故障分析 电池在运行过程中可能出现一系列故障，某些故障出现的频率比较高，某些 故障的频率出现比较低。一些故障值能够通过管理系统的控制策略调节使故障在 一段时间后恢复到正常值，这些故障称为一级故障。一些故障可能出现后不能通 过调节回复到正常值，此时调节最小限度使用电池，这些故障称为二级故障。当 电池出现严重损坏时，此时必须将车返厂检修，这类故障为三级故障。行车时常 出现的故障有电池温度过高、温度过低、电压过高、电压过低、s o c 过高、s o c 过低等。 通过对故障的分析可以检测电池的运行情况，分析电池容易出现什么样的故 学位论文数据集 障，需要针对易发故障对电池提出性能改进的方向，同时适当调整管理系统的控 制策略适应电池的运行需要。程序中将显示系统会出现的各种故障和各种故障的 出现频率。 2 3 5用户使用习惯分析 为了保证电池的高效使用和长寿命，用户应合理使用电池，防止电池长时间 大电流放电，并且电池充足电后在环境中开路搁置后，其容量会有一定损失，应 定期对电池进行充电。但是在实际使用时用户往往不会按照最理想的使用方式使 用电池，定期检测维护电池。根据记录的数据能够对用户使用电池的习惯进行简 单分析，根据用户使用需要提出对电池的性能的改进要求，调整管理系统的控制 策略。主要分析一下两点： ( 1 )电池的s o c 达到2 0 的时候，如果电池再继续放电，会造成电池过放问 题，严重影响电池的使用寿命。但是在实际使用时，可能一部分用户会在剩余电 量不多时继续放电运行，这将给电池造成恶劣的影响。 ( 2 ) 如果电池一直保持均匀低速运行，是最理想的使用方式，但是实际应用时， 一部分用户并不会考虑这个问题。如果电池长时间大电流放电会大大影响电池的 数据记录仪总体要求与系统设计 电池与其它设备之间联系的桥梁。在该课题服务的纯电动汽车和混合动力电动汽 车上，电池管理系统一般采用主从方式工作，通常以几节到十几节电池为一个模 块，用一个小的测控单元( 称为从板) 对应检测一个模块的电池，测控单元通过 内部总线将数据发送到电池管理系统中央控制模块( 称为主板) 上，由主板监控 整个电池系统的运行工作。 在图2 1 中，方框内为电动汽车中的电池检测控制单元，数据记录仪通过数据 接口与电池管理系统中央控制单元通信，记录由各个测控单元测得的数据，再把数 据发送至上位机，实现数据的转储。 2 4 1数据记录仪结构设计 为实现系统的各部分功能，系统硬件的结构主要包括数据处理模块、数据通 信模块、数据存储模块、电源模块和其他功能模块几个部分。 数据处理模块：此模块为行驶记录仪的核心部分。负责整个程序功能的实现， 对采集来的数据进行打包保存，并能将数据传送到输出接口。同时数据处理模块 可以控制显示灯等开关量的通断。 数据通信模块：包括与管理系统的通信和上位机的通信。包括c a n 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 三种通信接口。 数据存储模块：此模块负责对通过主处理器处理后的数据进行存储。 电源模块：负责提供系统所需要的各种电源。 其他功能模块：包括看门狗电路、实时时钟电路、系统调试模块和指示灯等。 设计为下图所示的结构。 图2 2 系统结构图 f i g2 2s y s t e ms t r u c t u r e 学位论文数据集 2 4 2上位机设计 数据记录仪需要保证数据记录的准确性实时性，将数据按照格式直接存储在 存储器中。上位机设计则需要将数据重新打包整理为便于查看的形式。系统需要 具备数据通信、数据存储、数据显示，数据分析四个部分。由于功能较多，将整 个程序分为两个子程序。 厂 i i i i 图2 3 上位机程序结构图 3u p p e rc o m p u t e rp r o g r a ms t r u c t u r e 和上位机软件的功能要求，对影响电池性能的主要因 的主要问题进行了简单理论分析，并设计了系统的总 1 4 器高 数据记录仪硬件电路设计 数据记录仪硬件电路设计 数据记录仪安装在电动汽车上，与电池管理系统通信记录数据。根据记录仪 的功能要求，数据记录仪硬件主要