智能充电与监控系统设计

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)智能充电与监控系统设计TEH DESIGN OF INTELLIGENT CHARGINGAND MONITORING SYSTEM学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论

2、文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，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。论文作者签名： 导师签名：日期：年月日 日期：年月日摘要铅酸蓄电池以其性能优秀，价格低廉的优点而被广泛用于工业，以及进来新兴的产业电动汽车之中。但是由于铅酸蓄电池本身的充放电特性问题，导致铅酸蓄电池的性能不稳定，极易因为在充电过程中缺乏对电池状态的监控，而引发各种问题，对蓄电池的性能和寿命造成不可逆的影响。所以对蓄电池的充放电监控

3、是十分必要的。本设计的充电部分，采用的是现在已经广泛应用的单级反激式充电法，可以根据蓄电池的充放电特性，自行进行充电电流电压调节。监控管理系统是本设计重点研究的部分，通讯部分采用的是CAN总线通讯系统，CAN总线广泛应用与燃油汽车中，是很稳定的一种数据总线，且布线简单。在主控制器方面，我采用的是TMS320LF2407芯片，40个可编程引脚，强大的计算速度，超高的数据容量，都很适合本设计的要求。关键词 三段式充电；单级反激式充电器；CAN总线；TMS320LF2407AbstractLead-acid batteries for its excellent performance, low-c

4、ost advantages of being widely used in industry, and come in the emerging industry - the electric car being. However, due to the lead-acid battery charge and discharge characteristics of the problem itself, resulting in unstable performance lead-acid batteries, easily because of the lack of battery

5、status monitor in the charging process, and cause all sorts of problems, the battery performance and lifetime risk of irreversible affected. So the battery charge and discharge monitoring is necessary.The design of the charging section, using the now widely used single-stage flyback charging method,

6、 according to the charge-discharge characteristics of the battery, the self-charging current and voltage regulation.Monitoring and management system is part of the focus of the study design, communication part is used CAN bus communication system, CAN bus and wider use of fuel in automobiles, is ver

7、y stable, a data bus, and simple wiring. In the main controller, I use the TMS320LF2407 chip, 40 programmable pins, powerful computing speed, high data capacity, are suitable for the design.KeywordsThree stepchargingSingle stage flyback chargerCAN bootloaderTMS320LF2407目 录摘要IAbstractI

8、I目 录I1 绪论11.1课题背景11.2蓄电池监控的意义11.3蓄电池的充放电特性21.3.1放电特性21.3.2充电特性31.4课题研究内容和结构安排52充电器设计62.1充电策略62.2方案设计62.3电路设计6 电路总体设计62.3.2电路图设计72.4电路工作原理83蓄电池监控管理系统设计113.1蓄电池监控管理系统原理113.2 控制模块设计123.2.1 CAN总线通信模块133.2.2充放电保护模块133.3控制模块的信息处理144CAN总线154.1CAN总线简介154.2CAN总线设计154.3CAN总线软件设计164.4CAN总线的错误检测与处理机制174.4.

9、1 总线中的错误类型174.4.2 故障界定185监控系统硬件设计195.1数据处理芯片的选型195.2外围电路设计205.2.1电源和复位电路设计205.2.2晶体振荡器接口电路215.2.3EEPRAM接口电路215.2.4DSP仿真器及JTAG接口225.3采集模块设计225.3.1电压采集电路设计225.3.2电流采集设计245.3.3温度采集电路设计255.3.4电阻的计算265.3.5计算剩余电量275.3.6A/D保护电路286监控系统软件设计296.1主程序设计296.2数据采集模块软件296.3剩余电量计算306.4电池状态判断316.5中断程序326.6软件抗干扰设计33总

10、结34参考文献361 绪论1.1课题背景随着能源问题的越来越严重，电动汽车进入人们的视野中，大容量蓄电池的监控管理系统（BMS）越来越被人们所重视。蓄电池的充放电过程包含了复杂的化学原理，许多的环境与内部因素都会影响到电池的性能。对蓄电池监控管理的对象一般包括:蓄电池充满电的端电压；蓄电池组内的电流；蓄电池组内单体电池的工作温度以及环境温度；对电池剩余电量的估计；对电池充放电的保护等等。在电动汽车中，一般都是使用的蓄电池组进行供电的，在每个蓄电池组中一般串接有20个单体电池，整个蓄电池组内的电压高达200多伏，电流则基本都在100A左右，所以整个蓄电池的负载是很大的，而且在蓄电池起充阶段，电流

11、会更大，一般的接线极易损坏。而且在电池组中，每个蓄电池的工作状态是不同的，有的蓄电池就会不处在正常的安全工作范围内，这样就会使有的电池性能好，而有点电池性能差，久而久之，性能差的电池就会拖低整个蓄电池组的性能，所以对蓄电池组的工作状态，如电流，电压，温度等状态进行监控管理是十分必要的，一个优秀的蓄电池管理系统直接决定了蓄电池组的性能如何。1.2蓄电池监控的意义对蓄电池的各个状态进行监控，通过研究已有的理论和对大量实验数据的分析，能够了解到电池的性能状态，从而对出问题的电池进行调整替换，以保证整个电池组的安全工作状态。通过对电动车市场的调查发现，一般的蓄电池在使用一年后，电池容量大大降低，不足新

12、电池的一般，严重制约了电动车的性能。一个差的蓄电池，即使其他的软硬件系统再完善也发挥不出其应有的作用。所以蓄电池是整个电动车中最为重要的一个部件，很容易影响到整车的安全与稳定。主要原因有：(1)性能好的蓄电池制造价格昂贵，难以大批量投入生产，同时由于技术有限，蓄电池的蓄电量也特别有限，限制了电动车的续航能力，根本达不到远距离的行驶的要求，行驶里程往往连小汽车的一半都没有。怎样最大限度的利用这些能源，仍然需要长时间的研究。(2)蓄电池的主要问题就是可用周期比较短，需要经常更换。(3)高能耗高功率的系统，一般都是通过数十成百个单体蓄电池串接起来对系统进行供电的，因为单体电池本身的性能就有一些差别，

13、并且在使用中，可能因为电流衰减、工作温度的不同，致使电池组每个电池的状态都不同。不同的状态也会引起其他许多状态的差别，使电池的性能差别越来越大。比如：出现问题了的电池，由于它的活性变差，电量较其他电池低，在工作时电量已经提前放完，导致蓄电池组整体电压变低，从而使蓄电池组不能处于较好的充放电环境，缩减了整个电池组的使用寿命(4)在电动车的行驶过程中，必须能够提示驾驶人电动车的电量使用情况，这样才能清楚的掌握到电动车的可行驶里程。而且剩余电量对蓄电池的管理监控也是一个很重要的指标，可以用来监控蓄电池充放电过程中过充的问题，而且干扰电池容量测算的要素特别多，而且监控的过程里面，整个电池组是完全封闭的

14、，因此对剩余容量的测试特别困难，这是个很难解决的问题。经过大量调查与实验，蓄电池的性能与以下因素有关：(1)蓄电池选型配组：(2)串并联方式；(3)安装时线路的连接方式与布线安排：(4)不同状态下浮充电压值与补充电压的调节；(5)蓄电池组的工作环境，如湿度、通风、温度等等；所以，一个完善的蓄电池监控管理系统对蓄电池保养有着至关重要的作用。1.3蓄电池的充放电特性1.3.1放电特性(1)放电曲线和两种电的放电曲线图如下：图1-1放电特性曲线（2） 放电电流对于的放电电压如下表表1-1放电电流和终止电压的对于数据关系放电电流（A）终止电压（A）6V12V小于0.05C5.711.40.05C5.4

15、10.90.1C5.410.90.16C5.410.90.25C5.410.90.55C5.2510.50.6C到3C4.89.6大于3C3.97.8(3)放电容量与温度的关系蓄电池放电特性与工作温度有很大的关系，他们的特性关系曲线如图12所示。温度低的，其放电量就低；温度高的，其放电量就打，但是温度过高，会严重影响蓄电池的使用寿命。最佳工作温度为2025。一定温度下，放电容量G与25。C时放电容量C2关系为 式（1.1）式中，k为温度系数。图1-2放电电量和工作温度的关系曲线1.3.2充电特性在蓄电池的使用过程中，充电的条件会对其性能有很大的影响，错误的充电方法会对蓄电池的寿命产生极大影响。

16、蓄电池的充电温度一般维持在5到28，在这范围之外的都有可能充电不足或温度过高而降低使用寿命。(1)循环使用一般来说，蓄电池都是可以循环使用的，可以采用恒压限流的方法充电。一般情况下24h内都可以充足充电末期，充电电流值连续3小时无变化，已表明蓄电池充足电，充电曲线见图1-3。图1-3蓄电池充电曲线(2)浮充使用起始为0.1c的浮充法特性曲线，如下图1-4所示。在20下，6V的电池的端电压保持在在至之间，12V在至之间，工作稳定发生变化，相应的就需要对浮充电压调节，其调节系数为-3mv/ 式（1.2）图1-4充电曲线（3） 补充充电 蓄电池长期放置时，由于自放电的原因，电池电量不断降低，电量与温

17、度的关系如图1-5所示。图1-5不同温度下的放电速度补充充电利用的也是恒压限流充电方法，一般情况下初始电流为0.05c.6V的蓄电池充电电压在7至7.4V之间，12V的蓄电池充电电压在14.5至15V之间。1.4课题研究内容和结构安排6监控系统软件设计在完成监控系统的硬件设计以后，我们就需要对系统的软件程序进行设计。我们的控制芯片采用的是DSP芯片，所以我们要选择DSP能兼容，所以使用C语言进行编程。我们的程序要求能，通过采集的数据，判断电池的状态，并决定报警的与否，再进行相应的保护措施，要能有良好的智能性和实时性，能适应不断变化的电池状态。要有良好的兼容性，如果需要对其他的电池组，或者测量其

18、他的数据，程序不需要进行大改动，只需要微调就可以。6.1主程序设计在监控系统的硬件设计部分，我们对DSP的系统已经进行了设计了，如图5-1所示。首先我们需要先对系统进行初始化：对时钟，各个寄存器，控制器，数据采集模块进行复位，这是系统开始的第一步。然后我们需要控制数据采集模块开始工作，收集到的数据发送给寄存器，再通过A/D保护电路，通过CAN总线系统传给DSP处理。DSP通过对数据的分析处理，要能得出每个单体电池工作状态如何，是否在安全的工作状态下。如果不安全，DSP就需要向充放电保护电路发送命令，对电池的工作状态进行调整，并发送警报。如图6-1为主程序设计的流程图图6-1主程序流程图6.2数

19、据采集模块软件采集模块，我们上章已经介绍过，我们的DSP使用的是多路模拟开关，可以4选1，也就是我们可以在同一时刻完成对电池电压、电流、温度、电阻的测量。这就有很好的实时性。同时我们也需要设置采样保持电路，以保持各个数据为同一时刻的。具体的流程图如图6-2所示。图6-2采集模块流程图6.3剩余电量计算剩余电量的算法，我们在上一章已经提到过，我们这里根据算法画出流程图。图6-3剩余电量算法流程图6.4电池状态判断这个系统，我们要求能对蓄电池是否处于安全状态进行平判断，也主要是通过电池的电流，电压，电阻，温度来判断的，只要有一个不在安全范围内，则需要发出报警，进行调整。表6-1安全工作范围状态电流

20、（A）电压（V）电阻（）温度（）安全范围0100A1116.2V(每个差值不超过0.5)<0.6m-3050流程图如图6-4所示：图6-4蓄电池充放电判断流程6.5中断程序因为对蓄电池的监控，有许多的信息需要通过显示器对驾驶人进行提醒，所以需要对各个信息进行分屏，归类处理。比如对剩余电量的提示，剩余行驶里程的提示，还有电池工作温度等等。图6-5中断程序6.6软件抗干扰设计 为了防止DSP在受到干扰后系统工作不正常导致事故，在程序设计时应采取如下措施，将干扰的影响抑制到最小程度。 1、使用“看门狗”定时器(WD) 程序在运行过程中，有时由于某种噪声干扰的影响，会出现程序死循坏现象，或者出现

21、程序“跑飞”现象，从而影响系统的正常工作。 这两种情况均可采用DSP内部具有的监视定时器WD来监视系统。因为在系统正常工作时，程序每隔一定时间清除计数器，而计数器按时钟脉冲作加法记数。当这一时间短于监视定时器的溢出时间时，则计数器永远不会溢出。但如系统受到干扰时，程序的正常执行顺序被破坏，便不能在计数器溢出之前清除计数器，从而会发生计数器溢出的情况。所以可把计数器溢出作为系统受到干扰的标志。 通过设置状态寄存器可设置定时器溢出时间，在程序执行期间利用指令清除定时器，从而防止程序正常执行时的定时器溢出，并使系统复位。可有效地消除干扰影响。 2、软件陷阱 当CPU因外界强干扰的影响，造成程序跑飞时

22、，在程序区中各地址区域设有软件陷阱，当程序未按正常顺序执行，经常会跳到这些地址上，一旦程序落入这片区域时，就将其引导到特定的处理程序上而恢复正常。这种措施的优点是抗干扰处理简单。 3、数字滤波 来自传感器或变送器的有用信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口处用RC低通滤波，RC滤波器能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果比较差，而数字滤波能可以对低频干扰信号进行滤波，以弥补RC滤波器的不足。采用数字滤波的方法，可以消除由于电子电磁干扰造成采样信号不准确导致误动作的问题。总结通过两个多月的时间，本设计终于走向尾声了。通过对蓄电池的研究，我从开始的对蓄电

23、池的一无所知，现在已经对蓄电池的充放电特性、CAN总线通讯系统，对蓄电池的监控系统已经十分了解了。蓄电池空电起充电流特别大，极易烧坏电路，在充满时的电压超过了额定电压，温度也会随之上升，温度上升的同时会损坏电池，降低电池寿命，所以对蓄电池的工作状态的监控是十分必要的。而且在电动汽车行驶过程中，需要了解蓄电池剩余多少电量，这样才能知道电动汽车还能行驶多久。我们也需要对剩余电量进行测量。这就是我们蓄电池监控系统所需要监控采集的电池数据。本设计的dsp芯片采用的TMS320LF芯片，此芯片可以很好的完成对蓄电池监控管理。它具有40个可编程引脚，可以连接很多个检测采集单元，对蓄电池的电压、电流、温度、

24、剩余电量进行监控。并且此芯片性能强大，可以集成很多的外界储存器，大大加强了整个系统对信息的处理能力。系统的通讯系统我们采用的CAN总线通讯系统，CAN总线在汽车领域内的应用十分广泛，CAN总线时候对有大量传感器的检测电路进行串行通讯的总线连接，CAN总线可以通过一根线，连接起100多个传感器、电路等，对于我们的蓄电池组监控的多数据测量的要求是很吻合的。在软件设计部分，我做的还是很不够的，因为能力有限，对C语言的编辑设计还很欠缺，但是有了总系统和子系统的设计方案流程图，C语言的编程也是可以完成的。软件监控系统中，我设计了主程序的设计方案，从开始的初始化，到最后的DSP对数据的分析，形成了一个完整的电池监控采集系统的循环工作系统，对蓄电池进行实时监控。子程序部分，是具体的各个采集系统的软件设计以及蓄电池剩余电量的算法，还有信息显示的中断系统设计，基本可以满足监控系统的要求。电动汽车现在正在高速的发展，就如同电动自行车一样，马上就会如春笋般涌入千家