电动汽车电池管理系统的设计及应用_图文

1、堡曼堕!QQQ:Q堕!清华大学学报(自然科学版2007年第47卷第sz期CN ll一2223/N Jrsi“ghuaUniv(ScI&Techt2007。VoI.47,No.S2纯电动汽车电池管理系统的设计及应用南金瑞,孙逢春,王建群(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京10008126/50 183l1834摘要:针对目前唯一可以产业化的纯电动汽车使用曲主要能源动力电池,设计开发了电池管理系统。系统以单片机为核心,采用分布武网络控制系统结构,可以实时检测动力电池的各种运行参数:电池soc、总电压,总电流、单体模块电压、电池包内特征温度l可以根据电池状态进行故障诊断和报警,同时具有热营

2、理功能等,秉统参数通过Pc进行标定,通过cAN总线与整车其他系统进行通信实现信息共享。系统已经在BK6121EV纯电动公麦客车上安装。实验室和实车试验结果表明,系统电池电压涮量精度为1%满足要求.系统各十功能运行穗定、可靠。关键词:电动汽车电池管理系统动力电池I监控系统中囝分类号:TN911.72;u270.1文献标识码:A文章编号:lOOO0054(z007S2一1831一04Electric VehicIe battery management systemNAN J时ui,SUN F邮gch帅,WANG JIanq帅(scho州of Mecha山c丑-蛆d Vehlcle EngIne耐

3、珥,ijjng hsIltute“Tech帅Iogy,miJI哩l吣幛1,Chi聃Abstract:An advanced battey mamgement8ystem wa3develoPed for completejy electric vehicles,the only one electdc vehicle8industrialize at present.The distrIbuted control3ystem8tructu比based on a si“gIe chip computef effectively monitorB variou8oPerating paramete

4、rs of the Power battefy in real time such as the state of cIIage (S(:,total volt89e,total curmt。Bj“gle module volt3酽,and temperatu弛s at specific points in the battery package.The sy￥tem then checks the battey8tate,Perform fault diagnosticB蛐d manage battery temperatures. The3ystem use8computeri趾d cal

5、ibr8tion and share5me啪ge日with other systems ln the vehicle tho“gh the CAN communkations8y8tem.Tests in a BK6121EV show that the battery volt89e iB mea8ured to witllin0.0l V ad that the sy3tem is3table and雎habk.Key-ards:electric vehicIo,battery management8ystemI power batteryI monitori“g Bnd contr01s

6、y5tem电动汽车的无(低污染优点,使其成为当代汽车发展的主要方向“。电动汽车从为动力系统提供能源的角度来分类.主要分为:纯电动、混合动力和燃料电池汽车。纯电动汽车主要是由动力电池提供能源,目前技术相对成熟,可以进行产业化生产和应用。混合动力汽车是由燃油和动力蓄电池等多种能源共同提供能源,通过控制策略使内燃机动力源和电力动力源协调配合,实现最佳能量分配,既能保持电动汽车超低排放的优点,又弥补了纯电动行驶里程短的不足,是一种过渡车型,但是目前技术还没有完全成熟I燃料电池汽车由燃料电池作为主要能源提供驱动汽车所需的功率,由于燃料电池是以氢气为燃料,空气(O。为氧化剂进行工作,其排放物质是没有污染的

7、水,因此非常具有发展前景,但是目前技术还不成熟。作为目前唯一可以产业化的纯电动汽车,其主要能源的动力电池是关键的部分,在整车成本中占有较高的比例,如在使用金属锂离子电池为主要能源的纯电动大客车中,动力电池占整车成本的三分之一以上,因此为了延长电池的使用寿命,降低使用啦稿日期r20070412基叠项目:国家“八六三”高技术项目(2003AA501800作者简介南金瑞(1972一,男(设.山西,讲师.Bmnt Mnjl清华大学学报(自然科学版2007,47(S2成本,本文设计了动力电池管理系统,实现对动力电池的在线监测与控制。l电弛管理系统分析1.1系统结构在纯电动汽车中将动力电池分组串并联形成整

8、车高压电源为整车提供动力源,如由北京理工大学和北方客车厂联合研制开发的电动客车BFc6110EV共使用了306块锂离子电池,将3块电池并联形成组,最后将102组电池串连,动力电池分成8个电池包,装在8个电池箱中。从整车角度考虑,设计电池管理系统采用分布式网络控制系统结构,系统结构和在车上的布置情况如图1所示。系统中在每个电池包中布置电池测控模块,各个电池测控模块通过485总线与电池管理系统中央控制器连接在一起形成整个系统。电池管理系统中央控制器同时通过Rs232总线将监控信息发送到信息显示器,通过cAN总线接口与整车控制系统进行通信。围l电池管理系统结构及在车上布置情况示意圉1.2系统功能分析

9、电池管理系统应具有如下功能:1参数检测。实时采集电池充放电状态。采集的数据有电池总电压、电池总电流、每包电池测点温度以及单体模块电池电压等;2剩余电量(sOc估计。电池剩余能量相当于传统车的油量。为了让司机及时了解sOc,系统应即时采集充放电电流、电压等参数,通过相应的算法进行sOc的估计;3充放电控制。根据电池的荷电状态控制对电池的充放电。若某个参数超标,如单体电池电压过高或过低,为保证电池组的正常使用及性能的发挥。系统将切断继电器,停止电池的能量供给;4热管理。实时采集每包电池测点温度,通过对散热风扇的控制防止电池温度过高5均衡控制。由于每块电池个体的差异以及使用状态的不同等原因,因此电池

10、在使用过程中不一致性会越来越严重。系统应能判断并自动进行均衡处理;6故障诊断。通过对电池参数的采集,系统具有预测电池性能、故障诊断和提前报警等功能I7信息监控。电池的主要信息在车载显示终端进行实时显示;8参数标定。由于不同的车型使用的电池类型、数量、电池包大小和数量不同,因此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池模式等信息标定的功能。电池管理系统通过Rs232接口与上位机标定软件进行通信来实现;9cAN 总线接口。根据整车cAN通信协议,与整车其他系统进行信息共享。2电池管理系统硬件设计根据动力电池管理系统功能和实际参与控制的对象,设计出电池管理系统中央控制器及电池测控模块”131,电池管

11、理系统中央控制器结构如图2所示。采用功能划分和模块化设计思想,系统分离成不同的功能模块。电池管理系统中央控制器是整个系统的核心,微控制器选用集成了cAN控制器模块的DsP56F807芯片,cAN收发器选用PCA82C250。通过CAN总线与其他控制系统进行通信I通过Rs485与电池测控模块进行通信与管理f通过Rs232,实现与人机接口的通信,以及系统的标定等。电池测控模块微控制器选用集成了2路12bIt精度A/D的Aduc812芯片,选用数字温度传感器Dsl8820口1采集电池包内测试点温度。通过Rs485与中央控制器进行通信。由于电动汽车用电环境非常复杂,驱动电机、Dc/Dc和充电机都会产生

12、强的电磁干扰,从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作。为了减小电磁干扰,采取如下措施: 1在微控制器和cAN收发器之间加入高速光耦隔离器2单片机工作电源与车辆电源地线分离,消南金瑞,等;纯电动汽车电池管理系统的设计及应用1833除地线窜扰的可能;3数字温度传感器使用屏蔽电缆封装,屏蔽地搭铁;4CAN总线选用屏蔽双绞线,Rs485总线也选用双绞线;5PcB制作尽量加涨Hl3路脉冲量输入脉冲量保护与整形大线间距以降低导向间的分布电容,使导向垂直以减小磁场耦合,减小电源线走线有效面积;6选用性价比高的器件等。型开关量输出驱动DSP56F9807光电隔离模拟信号僳护总线保护I l总线保护l l总线保

13、护与驱动I坠!堑Il!盟J I!翌田2电池管理系统中央控制器结构框图3系统软件设计系统软件均采用模块化程序设计,中央控制器程序采用c语言编写,根据系统具有的功能分为若干子程序,其中包括:标定子程序、soc估计子程序、故障分析子程序、信号监控与报警子程序等I电池测控程序采用汇编语言编写o。中央控制器主程序流程框图如图3所示。考虑到电动汽车的运行环境,在系统硬件采用抗干扰措施的基础上,进行了软件抗干扰设计。在软件设计中使用了滤波、冗余、软件陷阱等技术,防止程序失效,保证系统正常运行。系统标定程序采用vB6.o进行开发,采用模块化程序设计,软件的主要功能有:系统参数标定、数据实时采集与保存、数据和曲

14、线显示(包括实时动态曲线,历史曲线、继电器输出等“1。上位机软件的结构框图如图4所示。4系统装车试验系统设计完成后,经过实验室考核及算法验证,已安装在BFc6110EV和HFF6110GK50电动大客车上,这2种车型分别使用了3.6V/200A.h金属锂离子电池和12v/85A.h的铅酸电池。结合这2种车型的场地试验03进行了系统的联合调试。图5圉3中央控制器主程序流程围 纯电动汽车电池管理系统的设计及应用作者:南金瑞, 孙逢春, 王建群, NAN Jinrui, SUN Fengchun, WANG Jianqun作者单位:北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081刊名: 清华大学

15、学报(自然科学版英文刊名:JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY年,卷(期:2007,47(z2引用次数:3次参考文献(5条1.孙逢春.张承宁.祝家光电动汽车-21世纪的重要交通工具 19972.金伟正单线数字温度传感器的原理与应用期刊论文-电子技术应用 2000(63.张振荣.晋明武.王毅平MCS-51单片机原理及实用技术 20004.王建群.傅立鼎.南金瑞分布式温度测控系统的设计与实现 2002(105.廖权来.罗玉涛电动汽车的试验研究期刊论文-机械工程学报 1997(5相似文献(10条1.学位论文廖晓军基于DSP的电动汽

16、车电池管理系统2007环境和能源问题要求未来的汽车提高效率、降低污染。电动汽车的开发虽然已有了很大的进展,但仍需要取得进一步的突破。电池管理系统作为电动汽车的关键技术之一,不仅不助于提高动力电池工作的有效性,增加电动汽车的续驶里程,而且有助于提高动力电池使用的安全性,并延长其使用寿命。因此,本文致力于开发更高效、更实用的电池管理系统,深入讨论了电池管理系统的设计思想与实现方法,对镍氢电池充放电容量的预测和估算方法进行了研究。 本文在大量充放电模拟试验和随车试验数据采集的基础上,详细分析了镍氢蓄电池的工作原理和充放电特性,并对影响电池容量的主要因素进行了探讨。针对动力电池的状态特点,提出一种采用

17、了安时法和径向基神经网络相结合的SOC估算方法,并通过Matlab和Advisor软件进行了仿真验证。结果表明,新的SOC估算方法能较为准确而快捷地反映动力电池实际工作状况。 构建了基于最新32位DSP芯片TMS320C2812的电池管理系统。本系统为分布式结构,各电池组模块与DSP主控制器之间采用CAN总线进行通信。完成了系统的软硬件设计,并在CCS2000开发环境中行了软硬件调试。 在电池管理系统中增加了基于USB接口的数据通信和存储接口。在USB1.1通信协议、海量存储设备类协议、磁盘读写命令集和FAT文件系统等众多协议和规范的基础上,完成了该接口的硬件制作和较件调试,使得电池管理系统中

18、的各项信息数据可以直接写入U盘中存储,极大地提高了电池管理系统的开发效率。 本论文在理论和工程应用中都取得了较大的进展,为进一步研究电池管理系统提供了有价值的理论依据和工程应用参考。2.会议论文宫学庚.齐铂金.刘有兵基于CAN总线的电动汽车电池管理系统分布式设计的研究2003该文将CAN总线技术应用在电动汽车电池管理系统的设计上,提出了一种基于CAN总线的分布式设计方案,详细介绍了该设计思路的原理,CAN总线通信协议的测定,CAN总线接口电路的硬件设计以及CAN总线信息发送与接收软件的设计.基于CAN总线设计的分布式电池管理系统体积小,线束简单,能够高效灵活地利用电动汽车有限的空间资源,数据和

19、控制指令的通信更加可靠,速度更快,电磁兼容性得到了很好得改善.3.学位论文张巍纯电动汽车电池管理系统的研究2008随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出,纯电动汽车以其零排放,噪声低等优点越来越受到世界各国的重视,被称作绿色环保车。作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统(BMS,是电动车产业化的关键。本课题配合“基于开关磁阻电机的电动汽车的研制”,研制适用于纯电动汽车的电池管理系统。 电池管理系统直接检测及管理电动汽车的储能电池运行的全过程,包括电池基本信息测量、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断几个方面。 本论文主要工作是研制适用于纯电动汽车的蓄电池管理系统。研究铅酸蓄电池二

20、阶模型的建立与剩余容量的卡尔曼滤波估算方法。分析铅酸蓄电池的基本工作原理和影响蓄电池组剩余容量SOC(state of charge的主要因素。 介绍了基于DSP2407的蓄电池组控制器的硬件平台,完成DSP小系统、电池数据采集电路、信号调理电路、CAN总线相关电路等硬件电路设计、调试、完善。独立完成系统所有软件设计,包括:主程序设计,电池基本信息检测子程序设计,电池剩余电量卡尔曼滤波估算程序设计,电池状态检测子程序设计,CAN收发子程序设计,EEPROM读写子程序设计。 最后,在电动汽车上搭建实验平台,将铅酸蓄电池组与设计的软硬件系统联合进行调试、试验。测得了相关数据。试验结果表明,本文介绍

21、的电池管理系统硬件电路可靠、经济、抗干扰能力强。可以实现:电池电压、电流、温度的模拟量采集;剩余电量的计算和电池状态的判断;实时显示,故障时报警等BMS相关功能。4.期刊论文曹莹瑜.齐铂金.郑敏信电动汽车电池管理系统抗干扰设计-工业控制计算机2005,18(12分析了电动汽车电池管理系统干扰形成的原因,在此基础上针对干扰源从硬件和软件两方面提出了一些抗干扰措施,在车辆实际运行中,电池管理系统能稳定、可靠的工作,实践证明这些抗干扰设计可行,有效.5.学位论文黄章华基于ARM和CAN的电动汽车电池管理系统2008传统内燃机车因能源和环保等问题日益不能满足人们的要求,而电动汽车以节能环保、结构简单、

22、易于普及等优点,得到了很大的发展,并被公认为是21世纪世界汽车工业改造和发展的主要方向。 目前在电动汽车中应用的电池组主要由多个单体电池串联而成,单体电池间的充放电性能差异很大,为了防止电池出现过充、过放及温度过高等问题,要求准确监测电池电量,及时对电量不足的电池进行充电。同时要实时监测电池温度,及时发现和处理温度异常的电池。这样才能延长电池使用寿命,提高电池工作可靠性。因此如何有效管理和监控电池成为电动汽车的关键技术之一,电池管理系统也在这种背景下应运而生,而且成为电动汽车的重要组成部分。 本文利用嵌入式技术和CAN总线技术,采用最小化系统的思路,设计了电动汽车电池管理系统。在保证最小化系统

23、正常工作的前提下,可根据实际应用需要扩展至最大化系统。电池管理系统包括多个电池监控节点,CAN通讯网络和上位机。 首先,电池监控节点采用了模块化的设计思路,分为主芯片、参数采集模块、CAN通讯模块、串口通讯模块等。主芯片采用了ATmega16,参数采集模块采用了美国DALLAS公司的单总线技术,可直接测量电池电流、电压和温度,连线简单,性能可靠。 其次,建立了良好的数据传输通道。各电池监控节点采集电池参数之后可以通过CAN总线将数据送到主节点,主节点通过串口将数据送给上位机。反之,上位机也可发送控制参数绘主节点,由主节点转发给各个电池监控节点。 最后,利用S3C44BOX开发板搭建了上位机管理

24、平台,在uC/OS-操作系统的支持下,能有效实现电池管理系统多种任务的调度。采用触摸屏技术,结合uC/GUI图形界面,能以列表、波形图等形式直观显示电池参数,同时省去了传统按键设计,直接在触摸屏上进行操控,人机交互更为友好。6.学位论文李海军电动汽车电池管理系统的研究2008本课题以云雀轿车改装的双轮驱动纯电动汽车(EV为试验平台,以阀控式铅酸蓄电池为研究对象,研制适用于电动汽车的电池管理系统。目的是延MATLAB/Simulink仿真验证估算方法的精确性。在设计电池管理系统时，采用分散采集集中处理的电池管理系统设计方案，即首先对各个单电池的基本信 息进行采集，然后由电池管理系统的控制芯片(I

25、nfineon XC164CS进行集中处理计算，从而得出电池荷电状态和电池工作状态等信息。在硬件设计中详 细介绍了ECU控制单元、信号采集电路、主电路短路保护电路、CAN通信接口电路等的设计。利用XC166集成开发环境Tasking与Simulink Real-Time Workshop(RTW连接进行代码的硬件仿真与软件调试，采用V字型的开发流程，使各个开发阶段之间实现了无缝连接，提高了开发效率，保证研发系统的 可靠性。 最后，将铅酸蓄电池与本文所设计的电池管理系统联合进行调试、试验。试验结果表明，本文所设计的电池管理系统(BMS可以实现蓄电 池的电压、放电电流、温度等模拟量的采集，能够对电

26、池剩余电量和电池荷电状态进行估算，液晶显示板能实时显示电池剩余电量并能够进行故障报警 。 7.期刊论文 杨朔.何莉萍.钟志华 基于CAN总线的电动汽车电池管理系统 -贵州工业大学学报(自然科学版 2004,33(2 对CAN总线在电动汽车电池管理系统中的应用作了详细的阐述,介绍了以P8xC591单片机为核心的电动汽车电池电控单元(ECU的软硬件的设计. 8.学位论文 张术 电动汽车电池管理系统软件设计与SOC估算策略研究 2006 随着世界人口的剧增，全球的汽车数量也急剧上升，对能源的需求越来越大，对环境的污染也越来越严重。为了缓解能源和环境污染的压力，各国 都把电动汽车作为现在燃油汽车的替代

27、品进行研究和开发，电动汽车作为未来汽车的发展方向，越来越受到人们的重视。但是电动汽车的发展尚有很多 问题需要解决，动力电池及其管理系统就是几个关键技术中的一个，而电池荷电状态(State of Charge，SOC的计算更是电池管理系统中的重要技术 ，本文的主要任务就是围绕电动汽车电池管理系统进行锂离子动力电池荷电状态算法的研究，并完成系统相关软件的设计。 文章首先对课题背景 作了简要介绍，分析了电池管理系统的几个关键技术，介绍了电池荷电状态的定义，并介绍了本论文的研究内容和结构。 然后对锂离子电池的工 作原理作了简要介绍，并分析了影响电池荷电状态的主要因素及其处理方法，对常用的电池模型作了分析和介绍。在此基础上结合电流积分模型和 Thevenin模型建立了锂离子动力电池的状态空间模型，给出了模型参数的实验测取方法和数学辨识方法。 接下来介绍了SOC的常用算法，并对其中 的推广卡尔曼滤波算法作了深入研究，并给出了仿真和实验结果，对算法的抗干扰能力和鲁棒性等作了验证；然后介绍了一种带加权因子的SOC算法，并 给出了仿真和实验结果