（电力电子与电力传动专业论文）蓄电池管理系统批量生产用校准系统的研制.pdf

a bs t r a c t u n d e rt h ep r e s s u r eo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to f e l e c m cv e h i c l e sh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n do fa u t oi n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，a n dw i t h as e r i e so fn a t i o n a lp o l i c i e sw e r ei n t r o d u c e dr e c e n t l y , t h ep r o c e s so ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o n o fe l e c t r i cv e h i c l e si sg r a d u a l l ys p e e d i n gu pi no u rc o u n t r y , a n di t a l s ol e a dt ot h e i n d u s t r i a l i z a t i o no ft 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 ) w h i c hi so n e o ft h ek e y t e c h n o l o g i e so fe l e c t r i cv e h i c l e s mo r d e rt om a k et h eb m sb a s i cd e t e c t i o nf u n c t i o nc a nt r u l yr e f l e c tt h eo p e r a t i o no f e l e c t r i cv e h i c l e s ，a n dm a k es u r et h a tb m sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm e a s u r e m e n t a c c u r a c y , i ti sn e c e s s a r yt oc a l i b r a t eb m sb e f o r ea n da f t e re x f a c t o r y t h i st h e s i si s r e s e a r c ho nt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m si n s t a l l e do nt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s a n dp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，e v a l u a t i o na n da n a l y s i so nt h eb a s i cd e t e c t i o nf u n c t i o no f b m sw a sc o n d u c t e d ，a n dt h e nas e to fd e v i c e sa n dp l a t f o r m s w h i c hc o u l d v o l u m e c a l i b r a t eb m sw a sd e v e l o p e d t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e dt h em e a s u r e m e n t m e t h o d sa n dc o n f i g u r a t i o no ft h eb a s i cd e t e c t i o nm o d u l e s ，a n ds u m m e du pt h ef a c t o r s i m p a c t e do nt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y , a n dt h e nas e to fd e v i c e sa n dp l a t f o r m s w a s i n t i o d u c e dt oa c h i e v ef a s t c o n v e n i e n ta n da c c u r a t eo n l i n e - c a l i b r a t i o nt h r o u g hs e t t i n gu p h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，a n df i n i s h e dg e n e r a ls c h e m ed e s i g nb a s e do nt h i s a t t h es a m et i m e ，d u et ot h eu r g e n c ya n dh e a v i n e s so ft h et a s k ，t h ep a p e rf o c u s e do nt h e b m ss i n g l eb a t t e r yv o l t a g em e a s u r e m e n to n - l i n ec a l i b r a t i o ns y s t e m ，h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g nb a s e do nm c 9 s 12 d t l2 8m i c r o c h i pw a sf i n i s h e d ，a n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g w a sc o n d u c t e di ncl a n g u a g eu n d e rc o d e w a r r i e rd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t s u b s e q u e n t l y c o m m i s s i o n i n go ft h es i n g l ec e l lv o l t a g eo n l i n e c a l i b r a t i o nd e v i c ea n dt h ew o r k i n g c u r r e n t ，i n s u l a t i o nr e s i s t a n c e ，t o t a lv o l t a g eo n 1 i n e c a l i b r a t i o np l a t f o r m sh a v eb e e n a p p l i e di nt h ep r o g r e s so fp r o d u c i n gb m s i nh u i z h o ue - p o w e rb a t t e r yc o ，l t da n d d e b u g g i n gb m si nl a b o r a t o r y , t h e c a l i b r a t i o ns p e e di sg r e a t l ya c c e l e r a t e d ，t h e c a l i b r a t i o ns t e p sa r es i m p l i f i e d ，a n dt h ep r o d u c t i v i t yi si m p r o v e d k e y w o r d s ：i n d u s t r i a l i z a t i o n ；b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ；c a l i b r a t i o n ；s i n g l e b a t t e r yv o l t a g e ；r s - 2 3 2 c l a s s n 0 ：u 4 6 9 7 2 v i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一虢柑1 出加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：3 7 年 穿哆 f 6 月修日 导师签名： 签字日期：扩7 年夕月b 日 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢两年来 姜久春老师对我的关心和指导。 在两年的研究生学习和生活期间，张维戈教授和王占国老师悉心指导我们完 成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，特别 是王占国老师，在进行毕业论文设计整个过程中都给予了我耐心的指导，在此向 张维戈老师和王占国老师表示衷心的感谢。王健强老师和李景新老师对于我的科 研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，劳力、郭宏榆博士、文峰博士、温家鹏博士 以及盛大双硕士等对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。在试验调试及工程应用期间，广东惠州亿能电子有限公司的工作人员 给予了我莫大的帮助，感谢他们的积极配合。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1课题背景 1 1 1电动汽车产业化概述 1 绪论 面临能源和环境的压力，国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车， 电动汽车的迅猛发展完全有可能导致一次车辆制造业的彻底革命。与传统的汽车 制造业不同，电动汽车建立在先进的储能电池能源系统、马达驱动系统以及电子 和计算机控制系统三大技术的基础上【i 】。因此，拥有电动汽车核心技术的新技术企 业，将有机会依靠自身的核心技术开发各种电动车辆的驱动系统( 电池、马达及 控制的有机结合) ，然后通过与传统车辆制造厂的车体合作来组装生产高质量的电 动汽车，由此而产生全新的各种电动汽车。融合当代多种高新技术而兴起的纯电 动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池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。从科学发展应用的角度来看，电动汽车的普及当然 需要一个阶段，而目前这个阶段既是一个起步的过程，也可能是个加速认同的过 程。 我国传统的汽车产业落后西方发达国家几十年，没有形成具备自主知识产权 体系的产业形式，相反，在电动汽车高科技领域我国和发达国家基本上是站在同 一条起跑线上的。我国早在上世纪9 0 年代就启动了电动汽车重大专项，近年来在 动力锂电池及关键材料的研发和产业化方面取得了长足的进步。2 0 0 8 年北京奥运 会和残奥会期问，5 0 多辆奥运纯电动公交车在奥运核心区2 4 小时运行，这在国际 上也是首次大规模使用纯电动公交车，成为北京“科技奥运”、“绿色奥运”的 具体标志和重要亮点。这充分表明经过多年的技术积累和市场培育，电动汽车产 业化的曙光已然展露于东方，必将对全球电动汽车产业的发展起到重要的推动作 用。 我国对电动汽车及其关键技术装备多年的研究、设计、开发、试制和试验等 实践为电动汽车的产业化做了长期的技术准备工作。为了实现电动汽车产业化的 目标，必须按照国家的规划、电动汽车的国家标准和企业标准、试验条件和试验 方法等，来对电动汽车进行规范，并用专利法来保护自主研发的知识产权。按照 国家标准进行实验和试运行，在安全性、可靠性、节能性、环保性和成本等多方 面的考核和认证。 ( 1 ) 纯电动汽车( e v ) 由于受到蓄电池的比功率和比能量较低，充电时间长等因素的限制，目前纯 电动汽车的动力性、机动性和续驶历程等还比较低。另外蓄电池组的体积和重量 大，使车辆的整备质量太大，给纯电动汽车的发展带来一定的影响。目前纯电动 汽车较多是电动大客车、小型电动游览车和生活用电动汽车。我国经过多轮的研 究和开发，已经试制了多种型号的纯电动轿车和纯电动大客车，研发了为e v 配套 的各种关键技术装备，如蓄电池、超级电容器、电流变换器、驱动电动机、控制 系统和大型充电装备等，可以为e v 提供性能高、可靠性好和批量生产的各种关键 技术装备，已具备较强的开发和实现产业化的能力。我国有多个企业j 下在研究和 开发多种纯电动汽车，其中多种型式的电动大客车经过长期的试验和示范运行， 在安全性、可靠性、节能性、环保性和成本等多个方面经过了考核，已逐步实现 产业化生产。 ( 2 ) 混合动力电动汽车( h e v ) h e v 的研制为地面车辆的节能和环保开辟了另一种设计思路，以发动机为主 要动力，以电动机为辅助动力，采用发动机动力与电动机动力按不同方式和不同 比例的混合来丌发各种各样的h e v ，可以用比较简单经济的方法，即不大量地增 加车辆的整备质量，又保持车辆的动力性能，来获得不同的节能和环保的效果。 h e v 是一种新型车型，也是一种过渡型车型，在未来h e v 将会得到迅速发展。我 国一汽、二汽、奇瑞汽车公司、长安汽车公司、株洲时代集团、深圳五洲龙汽车 公司和多个汽车企业，研究和开发了多种混合动力电动汽车。出现了“轻度 混 合h e v ( 只装i s g 电动发电机) ，“中度”混合h e v ( 装有驱动电动机) 和“高 度”混合h e v ( 装有i s g 和驱动电动机) 的多种多样的混合动力电动汽车，一汽 还引进了日本丰田汽车公司的p r i u s ( 普锐斯) 混合动力轿车。混合动力电动汽 车可以充分利用各个汽车制造厂家的技术条件和生产设备来制造和改装内燃机汽 车为不同的h e v ，可以用最小的投资，充分利用现有的装配线，最快的实现h e v 的产业化。国外一些汽车公司特别重视轻度混合h e v 的研发，其特点是制造和改 装简便，可以取得一定的节能和环保的效果，但在成本上增加不多。我国“8 6 3 ” 计划中电动汽车专项中关于装置i s g 的h e v 的要求是：油耗减小1 0 ，排放达到 欧i i i 标准，i s g 系统成本增加小于内燃机成本的1 5 0 0 - 2 0 。当前h e v 是广大用户 欢迎( 节能和环保) 和所能承受( 成本增d n d , ) 的。我国汽车保有量约1 0 0 0 万辆， 如果其中1 0 采用或改装为轻度混合动力技术，将给国家和用户带来可观的效益 和大量的降低污染气体的排放。另外，还可以向设计、制造更加节能与环保的中 度混合和高度混合电动汽车方向发展。 另外，作为电动汽车的关键零部件，动力电池对于电动汽车的发展意义重大。 2 在国家“8 6 3 ”计划大力支持下，我国节能与新能源汽车自主创新取得历史性突破， 单体动力电池、电机等关键零部件研发取得突破性进展，产业化步伐加快，投资 力度不断加大。业内人士认为，目前亟待提高动力电池性价比，并破除电池管理 系统的技术瓶颈，只有动力电池在技术和成本上有所突破，电动汽车才有可能实 现产业化。 按照科技部的规划，到2 0 1 2 年，国内有1 0 新生产的汽车是节能与新能源汽 车。如按届时汽车年产量1 0 0 0 万辆计，那我国新能源汽车就能达到年产1 0 0 万辆 规模。这样，一年可节油7 8 亿升，减少2 3 0 万吨二氧化碳、7 8 0 0 吨一氧化氮和 7 8 0 吨碳氢化合物的排放。预计，2 0 2 0 年之前，混合动力汽车仍将占据主导地位， 纯电动汽车将逐渐经历起步、成长前期；2 0 2 0 2 0 3 5 年，纯电动汽车仍处于主导地 位，燃料电池汽车将逐渐经历起步、成长静期；2 0 3 5 年之后，燃料电池汽车将处 于主导地位【2 】【3 l 4 l 。 1 1 2 近期国家的政策支持 从世界各国新能源汽车的发展历程来看，国家的支撑政策无不起了关键作用。 例如美国财政部下属i r s 从2 0 0 3 年丌始给予购买新能源车的车主( 不包括第二次 转让) 一定程度的退税额度，车型越省油，退税额度越大，这对拉动普锐斯等混 合动力车的销售起到了巨大作用。自2 0 0 8 年起，面对突如其来的全球经济萧条， 我国相继出台了4 万亿投资拉动内需计划、汽车产业振兴计划、节能与新能源车 示范推广计划等一系列政策。 国家制订汽车产业振兴规划是为拯救我国的支柱产业之一的汽车业，其中明 确提到了发展新能源汽车，以新能源汽车为突破口，推动电动汽车及其关键零部 件产业化，加强自主创新，形成新的竞争优势。汽车产业调整和振兴规划明确 提出，要“实施新能源汽车战略，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关 键零部件的产业化。掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块( 电机、电池及管理 系统等) 的优化设计技术、规模生产工艺和成本控制技术。建立动力模块生产体系， 形成l o 亿安时( a h ) 车用高性能单体动力电池生产能力 。 2 0 0 9 年1 月2 3 日，根据国务院关于“节能减排”、“加强节油节电工作 和 “着力突破制约产业转型升级的重要关键技术，精心培育一批战略性产业 战略 决策精神，为扩大汽车消费，加快汽车产业结构调整，推动节能与新能源汽车产 业化，财政部、科技部发出的关于丌展节能与新能源汽车示范推广试点工作的 通知决定，在北京、上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合 肥、长沙、昆明、南昌等1 3 个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，以 3 财政政策鼓励在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节 能与新能源汽车，对推广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助。其中，中央 财政重点对购置节能与新能源汽车给予补助，地方财政重点对相关配套设施建设 及维护保养给予补助。为加强财政资金管理，提高资金使用效益，同时制定了节 能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法f 5 】。目前，我国的新能源汽 车还处于起步阶段，示范推广试点工作的目的就是为了提升相关公司在新能源方 面的技术实力，有利于相关公司长期盈利能力的提升。毫无疑问这些都将强有力 地推动我国电动汽车的规模化、产业化。 自从经济危机以来，汽车行业受到空f j 的影响。在经济危机阴霾笼罩下的2 0 0 9 年，电动汽车产业的发展无疑将面临更大的挑战，但在产业结构优化调整的大趋 势下，电动汽车产业也迎来良好的发展机遇。中国汽车产业既面临着生死存亡的 严峻考验，也蕴涵着前所未有的挑战与机遇。中国汽车业需要一场大刀阔斧的兼 并重组，提高规模经济效益，推广节能和新能源汽车，强化自主研究与开发能力， 逐步培养和塑造民族品牌，以提高整体竞争水平和生存能力。 1 1 3电动汽车对蓄电池的要求 蓄电池的类型和性能，对电动汽车的电力驱动有重要的影响【6 j 。纯电动汽车以 蓄电池存储的电能为主要电源，而混合动力电动汽车以蓄电池作为辅助电源。混 合动力电动汽车的电池连续工作时间极短，对电池的容量要求不高( s o c 要求保 持在5 0 左右，上下波动一般不超过2 0 ，即s o c 的工作范围大致为3 0 7 0 ) ， 而对蓄电池比功率的要求更高，但目i j i 高功率电池往往存在快速充电接受能力差 的问题，提高电池快速充电能力比提高电池的比功率更加紧迫和关键。纯电动汽 车的行驶则完全依赖电池的能量，电池的容量越大，可以实现的续驶里程越长， 但同时电池的体积和重量也随之增加，相对于混合动力电动汽车的功率型电池， 纯电动汽车应选择能量型电池】。 当今，电动汽车可选择的电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。 铅酸电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的电池，但是铅酸 电池的比能量和比体积都较小，这导致其一次充电的行程短，运行效率低，严重 影响了铅酸电池在车辆上的使用。镍镉电池具有比铅酸电池更高的充放电倍率， 推出后得到一定的发展，但是由于其具有记忆效应，而且含重金属，对环境存在 污染，所以其发展受到限制。为此人们一直探索着如何改进电池的性能，开发出 能量效率更高、稳定性更好、电荷容量更大的新型电池。 镍氢电池是人们看好的第二代电池之一，是取代铅酸电池和镍镉电池的产品。 4 镍氢电池相比于其他电池，具有高比功率，可以进行大电流快速充放电特性。标 称电压为1 2 v ，比能量可达到7 0 - - 一8 0 w h k g ，比功率可达到2 0 0 w k g ，有利于提 高电动车辆的动力性能和延长其行使里程，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电 率很大，可以进行快速充放电，循环寿命达到1 0 0 0 次以上，不含重金属元素，因 此不会污染环境，目前己成为混合动力汽车动力电池的最佳选择。但是镍氢电池 内阻小的特点在给人们带来充放电倍率大的同时却又引入了电池不容易实现并联 的问题，这限制了镍氢电池通过并联增加容量，加之其工作电压低( 1 2 v ) ，需要 大量的电池串联，随之而来的一致性问题使得镍氢电池的在大容量场合( 如纯电 动大巴等) 的应用受到限制。 在锂离子电池推出以后，人们又开始逐渐认同锂电池。锂电池具有工作电压 等级高、比能量和比体积大、自放电率低、无记忆效应、环保性好和无污染性等 优点。能量密度( 体积能和质量能) 是镍镉电池的1 5 - 3 倍，单元电池的平均电压 为3 6 v ，相当于3 个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值，因此能够减少电池组合 体的数量，从而可以使得因单元电池电压差所造成的电池故障的概率减少许多， 也就是说大大延长了电池组合体的寿命。所以锂电池很快得到人们的肯定和广泛 使用，这也极大地促进了锂电池技术的发展。在电动车上它大有取代铅酸电池、 镍镉电池、镍氢电池之势，它将随着电动车的普及发展而成长壮大，而且由于环 保意识的日渐人心，锂离子电池必将成为2 l 世纪电动汽车的主要电池【1 0 1 。 1 1 4 电池管理系统的发展概况 在大量使用电池作为动力源的电动汽车领域，在现有的电池技术基础上，要 实现对电池的安全合理的使用，以期获得最好的使用性能和较长的使用寿命，就 必须对电池的状念加以检测和管理。电动汽车电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ，简称b m s ) 【9 】是电动汽车中的关键技术之一，是一个处于监控运行及保护 电池关键技术中的核心地位，能给出剩余电量和功率强度预测、进行智能充电和 电池诊断安全等功能集合的综合系统。 1 9 9 1 年美国能源部与三大汽车公司( 戴姆勒克莱斯勒、福特、通用) 共同成立 的先进电池联合体u n i t e ds t a t e sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ( u s a b c ) ，致力于研 究和发展先进的电动车能源系统，建立了专门从事电池及管理系统的测试、试验 等研究的实验室和研究机构。之后，全世界汽车制造厂家纷纷开发并推广使用电 动车。电动车的蓬勃发展及远大前景，促进了电池及其管理技术的发展，世界各 大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电池。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 5 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；美国v i l l a n o v a 大学 和u sn a n o c o r p 公司已经合作多年对各种类型的电池s o c 进行基于模糊逻辑的预测： 丰田、本田以及通用汽车公司等都把b m s 纳入技术开发的重点【8 】【1 0 】。从有关资料 来看，美国一直站在世界汽车技术领域的最前列，在电动汽车的电池管理系统的 研究方面也走在世界各国的前列。 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来说意味着将具有巨大的市场需求， 同时技术上也将提出更高的要求。 自1 9 9 9 年起，北京交通大学一直致力于电池管理系统及电池充电机站的研 究。经过多年的努力，形成了涵盖铅酸、镍氢和锂离子电池的结构多样的适应不 同车型的系列产品。北京交通大学电池管理系统以其性能稳定、可靠性好、检测 精度高、功能齐备、方便耐用等优点得到广大用户的一致好评。迄今为止，部分 产品已经实现批量生产和使用，用户包括国家电动汽车运行试验示范区( 纯电动 中巴、铅酸) 、东风汽车集团( 混合动力大巴、镍氢) 、北京公共交通控股( 集 团) 有限公司( 双源无轨电车、铅酸) 、北京1 2 1 示范线( 纯电动大巴、铅酸、锂 电) 、银川铁通( 通讯基站、铅酸) 、北京奥运用电动大巴( 纯电动大巴，锂离 子) 。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在现有的基础上体现出更加优异的管理性能【i 0 1 。 近期国务院发布的汽车产业调整和振兴规划明确提出，要“掌握新能源 汽车的专用发动机和动力模块( 电机、电池及管理系统等) 的优化设计技术、规模 生产工艺和成本控制技术。，这对国内电池管理系统供应商既是一个机遇也是一 个不小的挑战。 1 2本论文的主要工作及意义 本论文针对电动汽车产业化要求，以重庆长安c v l l 型混合动力轿车、二汽混 6 合动力大巴、奥运纯电动大巴、北京电动环卫车上装载的电池管理系统为对象， 对电池管理系统在出厂前后的基本检测功能进行校准，确保b m s 在批量出厂后能 够正常工作，通过校准保证其电压、电流、绝缘和总电压等的测量精度满足合同 要求，并且在此基础上，配合四种电动汽车车型的电池管理系统进行批量校准， 从而达到提高其生产效率的目标。主要完成以下几个章节的内容： 第一章、概述我国电动汽车( 纯电动汽车和混合动力电动汽车) 的产业化情 况，简单介绍近期国家密集推出的一系列振兴新能源汽车产业的政策，分析了电 动汽车对于蓄电池的要求，最后介绍了电池管理系统在国内外的发展现状。 第二章、对我们的电池管理系统进行基本功能的评估，首先介绍基于电池特 性的电池管理系统的整体设计方案，之后分析影响单体电池电压测量、电流测量、 绝缘测量和总电压测量的因素，阐述准确进行各模块功能检测及校准之于电动汽 车的重要性。 第三章、进行校准系统原理分析及方案设计。对上述四种车型的电池管理系 统进行较深入的学习分析和比较，总结出在设计校准方案时需要注意的问题。 首 先提出校准系统的功能和意义，分析校准原理及误差，对本课题的研究、应用平 台进行了简单的介绍，然后针对电池管理系统产业化的要求分别就b m s 单体电池 电压、电流、绝缘和总电压的批量校准( 包括测量芯片c s 5 4 6 0 a 的校准) 提出了 设计方案，其中对批量校准任务最繁重的b m s 单体电池电压校准做了重点介绍， 并提出了全自动校准方案，文中对此也做了详细的阐述。 第四章、校准系统的硬件电路设计。根据b m s 电压检测原理及校准原理，重 点研究了b m s 电池电压全自动校准系统，设计了以m c 9 s 1 2 d t l 2 8 为主控制器的 硬件电路，包括原理图的设计、元器件的选型及参数选定和印刷电路板的制作， 对硬件电路的可靠性设计进行了总结归纳。然后设计并搭建电流校准电路和绝缘 校准电路，包括器件选型。 第五章、b m s 电池电压自动校准系统的软件实现。本课题使用c 语言编写了 各部分程序，根据本课题四种不同的应用平台，配合校准系统硬件电路，设计四 套不完全相同的软件程序，其中主要功能模块包括按键检测程序、继电器控制程 序、电压校准程序、串口通信程序、液晶显示程序、数据存储程序、定时器中断 程序等，文中分别列出了对应的程序流程框图。 第六章、试验调试与分析。配合四种车型电池管理系统的生产，根据现场的 要求及时修改并完善校准系统，最后理论研究校准后的精度。 第七章、总结全文，提出展望。 7 2 电池管理系统的评估 为了满足电动汽车的实际运行需求，我们的电池管理系统在功能、可靠性、 实用性、安全性等方面都做出了重要努力。检测方面，提高了电压、温度及电流 的测量精度，基本满足了车辆运行和电池使用的要求。过充电和过放电控制方面， 增加了齐备的通讯功能，在车辆运行的过程中，与整车控制器通讯，能够实现优 化驾驶，提高车辆性能，防止过放电；充电过程中，与充电机通讯能实现协调控 制和优化充电，保障充电的快速性和安全性，避免电池在使用过程中因过充电或 过放电而影响电池寿命，降低运行成本。数据处理方面，增加了电池故障的实时 分析能力，对电池的滥用进行预警和报警，对故障进行定位，为电池的维护提供 便利。可靠性方面，结合现代大规模集成电路技术，提高系统运行的抗干扰能力。 均衡方面，增加了电池的均衡控制能力，提出了充电均衡、放电均衡、电阻均衡、 开关电容均衡以及利用现代电力电子变流技术等均衡措施。数据库管理方面，由 于电池和电动车都处于试验和日益完善的阶段，电池管理系统多配备了电池运行 和充电数据的数据库管理系统，便于对电池性能进行评价，对车用电池的优化设 计提供数据支持。但是，电池的s o c 估算和s o h 评估还不能满足车辆和电池实际 需求，这是电池管理系统最大的缺陷，这极大的限制了电池容量的有效发挥，降 低了电池均衡效果，使得电池过充电和过放电控制缺乏充足的依据，电池使用的 安全性和可靠性随之降低。这直接影响到电池的性能和电池寿命以及电动汽车的 驾驶性能和电动车事业的推广。所以从电池的内部机理和外特性出发，从电池的 电化学、热学以及电学对电池进行综合建模及其模型参数的自适应识别技术、利 用电池模型对电池的s o c 估算及s o h 评估技术、电池优化充放电控制算法及均衡 充电技术是电池管理系统亟待解决的问题，也是今后的主要发展方向【l o 】。 电池管理系统( b m s ) 主要技术指标： 电压测量误差： 温度测量误差：电流测量精度：o 5 ( - 3 0 0 3 0 0 a ) s o c 测量误差： 工作温度：2 5 7 5 2 1b m s 整体结构 电池包是一个封闭的总成，对包内所发生的一切只能通过分析包内信息来获 9 取，理论上电池包内的每一个单体电池都应该被实时监测，从这个角度而言信息 越详细越好，但这样测量点过多必然导致电池管理系统过于庞杂。从另外一个角 度讲希望管理系统越简单越好，这样可以降低成本和提高系统的可靠性。因此电 池管理系统应以较小的成本获得电池的最大信息量。蓄电池管理系统结构主要有 集散式和集中式两种结构方式，归根结底采用哪种结构方式主要取决于所应用的 车型，一般在无轨电车、公共大巴等大客车上由于电池箱分布分散，使用集散式 结构，在小轿车上则一般采用集中式结构。 电池箱1电池箱2电池箱n 图2 1 集散式电池管理系统图 f i g 2 - 1t h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r eo fb m s 集散式结构如图2 1 所示，系统由若干个测控模块( 测控模块的数量与电池 组电池单元数和电池箱数等因素有关，一般每个电池箱配备1 个检测模块) 和1 个主控模块组成。主控模块主要功能有：测量电池组的工作电流、总电压和估测 电池组的剩余电量( s o c ) ，并对接收到的数据进行分析、对电池组性能做出综合 评价、对故障电池进行预警、实时显示( 当前电池电压、温度、工作电流、s o c 、 最高电压、最低电压、最高温度、最低温度、故障等级等) 、数据存储以及和整车 控制器的c a n 通讯，同时主控模块留有r s 2 3 2 接口，用于整个系统的参数设定 和数据读取。测控模块的主要功能有：对单节电池电压和温度进行精确测量，并 通过r s 4 8 5 总线将测量到的数据传送到主控模块，根据温度是否达到设定上限对 风机进行控制；除此之外，在每个电池箱都有高压继电器、熔断器、碰撞开关等 保护装置，并通过辅助触点的方式去控制电池箱外面板上的指示灯，从而在每个 电池箱的表面就可以直观的看到本电池箱内测控模块的工作状态、高压继电器是 否吸合、熔断器状态、灭火开关等信息。主控和测控模块采用的处理器分别为 l o f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 d t l 2 8 型号和m c 9 s 1 2 c 3 2 型号m c u 。 集中式结构如图2 2 所示14 1 ，集中式是指管理系统的所有功能集中在一个模 块上，即将主控模块与测控模块合二为一，省去了模块之间的r s 4 8 5 网络，主要 控制及检测功能不变。这种结构主要用在轿车上面，因此一个车体上只需要放置 一个集中式的b m s 。处理器采用一片f r e e s c a l e 公司m c 9 s 1 2 d t l 2 8 型号m c u 。 高压控制系统 翥茎h 霍蠹 1 2 v d c d c l 数据l 计时 隔离电源ll 存储i 功能 万_ r r c p u 隔离电路ii 隔离电路l 隔离电路 隔离电路口c a n l 隔离电路广lc a n 2 l 皇鲨望兰il 皇垦翌墨ll 塑茎翌兰l 坌塑兰l 皇兰堡竺i | 塑垦堡兰堂l 图2 - 2 集中式电池管理系统图 f i g 2 2t h ec e n t r a l i z e ds t r u c t u r eo fb m s 两种结构各有优缺点。集散式结构的蓄电池管理系统特点是实时性好，便于 扩展，结构整齐，安装方便，但成本较高，系统较为复杂，电池箱内走线较多， 不利于系统的维护。集中式结构采用集中式的数据采集与处理系统，具有可靠性 高、占用空间小、成本低的优点，但是检测速度相对慢。 结合本课题试验平台，重庆长安c v ll 型混合动力轿车、二汽东风混合动力 大巴电池管理系统采用集中式结构，奥运纯电动大巴、北京电动环卫车电池管理 系统采用集散式结构。 2 2单体电池电压测量 一般电动机的额定电压为2 2 0 3 8 0 v ， 2 5 0 4 0 0 v ，符合电动机工作电压的要求， 因此，要求各种电源的稳定电压应达到 以保证电动机正常运转。由于种种原因， 蓄电池技术一直未有质的突破。在现有电池技术水平下，电动汽车必须使用多块 蓄电池构成的蓄电池组来满足使用要求。 蓄电池在规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜 继续放电时，电池的最低工作电压成为终止电压，如果再继续使用蓄电池放电， 蓄电池会遭到破坏，这是蓄电池供电的重要特征【2 】。 由于蓄电池之间存在个体差异，且在运行中可能由于运行状态的不一样，导 致蓄电池性能不一致，即会出现有些电池变成落后电池而有些电池状态还比较好 的现象。这种情况下，这些落后的单体电池或模块电池的性能决定着整个蓄电池 组的性能，动力电池组在电动汽车上使用的性能指标达不到单电池原有的水平， 即整个电池组的性能也下降，而且由于落后电池与健康电池是串联使用，会使健 康电池的性能受到严重影响，整个动力电池组使用寿命也会缩短数倍甚至十几倍， 严重影响电动汽车的开发和应用。电池电压的不均衡性是电池故障的前兆，严重 过压或者欠压则意味着电池的损坏。由此可见，电池的性能跟电池的电压有非常 密切的关系，应该及时准确的判断出蓄电池组中的落后电池，所以电池电压准确 而稳定的测量对于管理系统而言是最基本的，对电池的性能评价有着重要的意义。 电池管理系统对电池电压数据的获取是通过电压采集电路和a d 转换实现的。 实际上，蓄电池端电压的检测是比较麻烦的，若只检测电池组的端电压，方法很 简单，只需在电池组的两端接上检测电路即可，但这样做是不行的，因为虽然可 以得到总的工作电压，但无法判断具体单体电池的端电压，而只要有一块电池出 问题就会影响整组电池的正常工作和性能；另外，对检测电路精度要求高。为了 避免电池的不均衡性带来的局部过充、过放所引起的安全问题，要求监测系统必 须对每个单体都进行精确测量。对于串联形成的电池组，要自动检测每个单体电 池的端电压所遇到的主要问题是测量参考点的选择以及检测电路与被检测电池组 之间的电隔离问题。电位参考点的选择影响着测量电路的测量精度和范围，而被 检测电池组与检测电路的隔离不仅涉及到系统的安全还影响检测电路的复杂度和 可实现性【1 1 】【12 1 。 图2 - 3 电压检测结构 f i g 2 3t h em e a s u r e m e n ts t r u c t u r eo f b a a e r yv o l t a g e 我们的电池管理系统采用光电继电器逐节电压切入的检测结构( 参见图2 3 ) ， 1 2 这样的结构解决了共地的问题，避免了电阻分压检测方式存在累积误差的缺点， 确保电压测量的准确性和稳定性。工作中采用a q w 2 1 4 光m o s 继电器切入电压， 该继电器可以实现高速工作，工作速度达到3 1 0 9 s ，恢复时间为5 0 9 s 。将某节电 池电压切入后使用专门的a d 转换器m a x l11 t ”】将模拟量转换为数字量传送给 c p u 进行测量。假设想要测量上图中电池b 1 两端的电压，测量过程为：只闭合 开关s 1 ，其余丌关全部断开，这时候v i n - v b l ，经过双积分a d 转换芯片将模拟 量转换为数字量传送给c p u 测量；下一时间，需要测量b 2 的电压，这时只需要 先断开s 1 ，然后闭合s 2 ，此时v i n _ v b 2 。依次类推，便可依次测量其它节电池的 电压，此种测量方法由于各个电池间相互独立，所以不存在误差累积的问题，测 量精度也就更高。另外，高压电池侧和低压c p u 侧间的隔离避免了高压侧对低压 侧的威胁。 在电池管理系统出厂检测时时常发现，校准过后，c p u 测得的某一个或者全 部的电压检测通道电压值与实际电压值相差较大，当在电池管理系统运行一定时 间后也会出现电压测量误差较大的情况。一般情况下这是由于光m o s 继电器的差： 异或者较差的质量造成的，这时候应该更换光m o s 。在排除硬件故障之后，电池 管理系统的电压检测部分还必须经过精确地校准才能真实的反映电池电压。电池 管理系统的电压检测精度为0 5 ，校准是否准确，精度是否高过0 5 都关系着 b m s 电压检测的精度。在准确校准的前提下检测电池的电压，可以及时准确的判 断出蓄电池组中落后的电池。对电压测量中电压偏低的电池，可以进行单独充电， 使其性能恢复，或者间隔一定的时间对电池组进行小电流涓流充电，促进电池组。 自身的均衡，避免电池过充电，尽量防止电池深放电。由于在电动汽车运行过程 中电池的温度会上升，安全起见，电压采集线应采用1 m m 2 高温导线。 2 3电流测量 电池的工作电流是影响蓄电池性能的一个重要因素。放电过程中，电池在电 力不足时，需要减小电流，否则可能给出的电流指令不能得到满足，使得电池处 于过度疲劳的状态；同样，当电池电力已经很高的情况下充电的时候，需要减小 充电电流，否则可能出现电池不能及时将电能转换成为化学能而只是发热，既浪 费能量、又使得电池的环境温度升高，更加不利于能量转换，甚至造成电池损坏。 同时对于s o c 的估测，工作电流也是一个非常重要的参数。所以电池工作电流的 测量对于管理系统而言是必须的。 由于电流检测作用的关键性，其采样的精度、抗干扰能力、零漂、温漂和线 性度误差的要求必须严格。我们的电池管理系统充分考虑了电动汽车电流变化范 1 3 围广而且迅速的特点，选用宽范围、等精度的传感器和高转换位数( 2 4 位) 、高 采样频率( 4 0 0 0 点秒) 的转换芯片c s 5 4 6 0 a ，完成电流信号的可靠采集、准确 测量和对电池充放电a h 数的准确计量。电流测量的原理如图2 4 所示，分流器 将电流转换为o 7 5 m v 的电压信号，通过滤波电路联接到a d 转换器c s 5 4 6 0 a 的模拟量输入端，转换为数字信号后经过隔离电路传给c p u t l 4 】。 光 分 滤 c $ 5 4 6 0 a 耦 c p u 流 波 隔 器 离 r 电池箱电池管理系统 图2 4 电流检测结构图 f i g 2 - 4t h em e a s u r e m e n ts t r u c t u r eo fc u r r e n t c s 5 4 6 0 a 是美国c r y s t a s l 公司推出的带有串行接口的单相双向功率电能 计量集成电路芯片，转换位数达到2 4 位，采样频率为4 0 0 0 点秒，它包含了两个 增益可编程放大器、两个a e 调制器、两个高速滤波器，具有系统校准和有效值 功率计算功能，以提供瞬时电压电流功率数据采样及有功能量、i r m s 、v r m s 的周期计算结果。它有两个检测通道，一个是电压通道，另一个是电流通道，电 流通道和电压通道的最大输入电压为+ 2 5 0 m v r m s 或5 0 m v 刚s 【b 】。电池管理系统 电路中基准源分压得到的恒压源信号接入c s 5 4 6 0 a 的电压通道，经过电阻( 分流 器) 分压后得到的小电压，先经过r c 滤波，再进入c s 5 4 6 0 a 的电流通道，经过 偏移量和增益调整，2 4 位瞬态数据采样值存