混合动力电动汽车电池管理系统的研究与设计

湖北文理学院学士学位论文

图5—3主板主程序流程图标

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总结

总结

本文围绕着锂离子混合动力电动汽车的电池管理系统的相关知识进行的BMS的硬件和软件的设计，按照任务书的要求，对各个知识点进行了大量搜索，对相关知识点有了一定的了解后，完成了此论文。

论文先介绍了电池管理系统国内外的研究现状，从而提出了对电池管理系统和电池的要求，以锂离子电池的基本电特性和相关原理为基础，对硬件各部分功能和特点进行了阐述，然后对软件流程图进行了设计。这样下来，真正体会到论文的一定难度，觉得以前对电池管理系统方面的知识了解太少了，认识到自己的不足，便大量寻求帮助，不仅自己多次去图书馆查阅资料，而且经常去向导师请教问题，与同学交流。

虽然马上就要毕业了，但在学术上与实践的匮乏使我决心在研究生阶段花更多精力去自我提高，做一个对社会有价值的人。

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参考文献

参考文献

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致谢

致谢

首先，我要向我的导师张琎和班主任夏铭表示衷心感谢。本论文在他们的关心指导下完成，他们深厚的学术造诣、严谨的治学态度、求实的工作作风和朴实的人生品格使我受益非浅。

其次，向给予我帮助的同学和朋友表示感谢。他们真挚的友谊是陪伴我一生的财富。特别要感谢寝室的同学帮我收获了相关资料，并提出了宝贵意见。在论文完成之际，对老师和同学们在我学习和生活上的无私帮助深表谢意! 最后我要感谢我的家人们，感谢你们这些年在我求学路上的陪伴、支持和鼓励。再一次衷心感谢所有关心和帮助过我的人!

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毕业设计(论文)正文

题 目

专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师职 称基于混合动力电动汽车电池管理系统的研究

与设计 汽车工程

机械与汽车工程学院汽车工程0811班

2012年 5 月 25 日

摘要

摘 要

随着能源和环保问题的日益突出，混合动力电动汽车（HEV）以其排放低，噪声低等优点而受到世界各国的高度重视，作为发展电动汽车的关键技术之一的电池能量管理系统（BMS）,是电动车商品化、实用化的关键，且混合动力电动汽车的行驶工况十分复杂，对蓄电池的寿命影响很大，锂电池的使用寿命又是有限的。因此，对混合动力电动汽车电池管理系统的研究与设计是很有必要的。

混合动力电动汽车电池管理系统是保证动力电池性能的重要手段，它负责监控电池的各个工作参数，包括电压、电流、温度、电量等。同时还为能量的总成控制提供了必要的参数。

本文介绍了电池管理系统国内外研究现状以及混合动力技术对电池的要求，对电池管理系统作了简要概述，并介绍了电池管理系统的基本功用，且对其进行了分析，在此基础上提出了电池管理系统的设计要求。接着以锂离子电池为例，介绍了锂离子电池的工作特性及电池剩余容量（SOC）的估算。最后，对混合动力电动汽车电池管理系统的硬件和软件进行了设计。

关键字：混合动力电动汽车；电池管理系统；荷电状态

I

Abstract

Abstract

Countries around the world attach great importance to energy and environmental issues become increasingly prominent, the hybrid electric vehicle (HEV) for its low emissions, noise and low, as one of the key development of electric vehicles, battery energy management system (BMS), is the commercialization of electric vehicles, the key to the practical, and hybrid electric vehicle driving conditions very complex, a great influence on the life of the battery, lithium battery life is limited. Therefore, the research and design of hybrid electric vehicle battery management system is necessary.

Hybrid electric vehicle battery management system is to ensure that an important means of the power cell, which is responsible for monitoring battery parameters, including voltage, current, temperature, power, etc.. Also provides the necessary parameters to the energy of the assembly control.

This article describes a battery management system, research status, as well as hybrid technology requirements of the battery, the battery management system gave a brief overview and introduction to the basics of the battery management system, and its analysis, based on the battery management system design requirements. Followed by lithium-ion battery, for example, the estimate of the operating characteristics of the lithium-ion battery and battery remaining capacity (SOC). Finally, the hybrid electric vehicle battery management system hardware and software design.

Keywords:Hybrid electric vehicle; battery management system; state of charge

II

目录

目 录

摘 要 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I Abstract -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- II 目 录 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 第一章 绪论 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.1电池管理系统国内外研究现状 ------------------------------------------------------------------------ 1 1.2混合动力技术对电池的要求 --------------------------------------------------------------------------- 2 第二章 电池管理系统概述 ----------------------------------------------------------------------------------- 4 2.1什么是电池管理系统 ------------------------------------------------------------------------------------- 4 2.2电池管理系统工作环境 ---------------------------------------------------------------------------------- 4 2.3电池管理系统的基本功能 ------------------------------------------------------------------------------- 4 2.4电池管理系统的功能分析 ------------------------------------------------------------------------------- 5 2.4.1电池参数检测 ----------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.4.2电池状态估计与输出 ------------------------------------------------------------------------------- 5 2.4.3电池充放电过程优化 ------------------------------------------------------------------------------- 5 2.4.4电池组热量管理 -------------------------------------------------------------------------------------- 6 2.4.5电池故障诊断及安全预警 ------------------------------------------------------------------------- 6 2.5电池管理系统设计要求 ---------------------------------------------------------------------------------- 6 第三章 锂离子电池的工作特性与SOC的估算 --------------------------------------------------------- 7 3.1锂离子电池的工作原理 ---------------------------------------------------------------------------------- 7 3.2锂离子电池基本电特性 ---------------------------------------------------------------------------------- 7 3.2.1锂离子电池充电特性 ------------------------------------------------------------------------------- 7 3.2.2锂离子动力电池放电特性 ------------------------------------------------------------------------- 8 3.3锂离子电池SOC的估算 -------------------------------------------------------------------------------- 9 第四章 电池管理系统硬件电路设计 ---------------------------------------------------------------------- 11 4.1 电源及MCU ---------------------------------------------------------------------------------------------- 11 4.2单体电压测量 --------------------------------------------------------------------------------------------- 11 4.3电池组均衡 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 12 4.4温度测量 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 4.5总电压测量 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 13 4.6总电流测量 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 14 4.7绝缘测量 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 4.8通讯部分 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 4.9高压控制及其他 ------------------------------------------------------------------------------------------ 17 4.10硬件的布局 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 17 第五章 电池管理系统软件设计 ---------------------------------------------------------------------------- 19 5.1从板程序设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 19 5.2主板程序设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 19 总结------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 21 参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 致谢------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 23

I

电池管理系统硬件电路设计

量精度高，温度新能稳定，易于安装调试等优点，尤其在大电流流经电池时有良好的测量效果，符合电流测量的精度要求。

电流测量的原理如图4-7所示，分流器将电流转换为0—75mV的电压信号，滤波联接到仪用放大器AD620，然后经A/D转换器CS5460转换为数字信号后经 过光耦隔离电路传给CPU。

图4-7 电流测量电路

4.7绝缘测量

因为电池组的电压比较高，超出了人体所能承受的电压，一般在300~700V范围内，并且还和其他强电设备相连，包括有电动机、发电机等，处于对乘客安全方面的考虑，应当对车体与电池组正负母线之间的绝缘电阻进行测量，保障乘客的乘坐安全。

在我国的国标GB/T18384.1-18384.3-2001《电动汽车安全要求》中，对电动汽车绝缘状况的定义、测量方法与安全要求都做出明确的规定。电动汽车的绝缘状况由直流正负母线对车体的绝缘电阻来衡量。定义为:如果动力蓄电池与地(电底盘)之间的某一点短路，最大(最坏情况下的)泄漏电流所对应的电阻。电动汽车的国际标准和我国国家标准规定:绝缘电阻值除以电动汽车直流系统标称电压U，结果应大于100

才符合安全的要求。这个值是通过下列条件来选定的:“如果

人或其他动物构成动力电池系统与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不超过2mA，这是人体没有感觉的阀值”。

绝缘电阻的测量原理如图4-8所示，Rp和RN分别为假设的正负母线对地绝缘电阻，Un和Up分别为正负母线对地电压，U为电池总电压，Rp1、Rp2、RN1、RN2为已知电阻值的偏置电阻，设开关S开通时测得正负母线对地电压为Up、UN，S闭合时测得的正负母线对地电压为Up’、UN’值。

图4-8 绝缘电阻测量原理

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根据电路原理知： 当S断开时，有：

当S闭合时，Rp1被短路，有：

,,,,UUNUPUP??N?RPRP1?RP2RNRN1?RN2（4—1）

UUNUPU?P?N?RPRP2RNRN1?RN2（4—2）

,

联立以上二式解方程：

RP?RP2?RP1?RP2?UPUN?UPUN,,,????,,

RN?UPUN?RP1?RP2??UPUNRP2

,,RP2?RP1?RP2??RN1?RN2?UPUN?UPUN?（4—3）

（4—4）

UPUP?RP1?RP2??RP2?RP1?RP2?UNUP?UPUP

为简化电路选择Rp1=Rp2=RN1=RN2，则有:

,?RP?2RP1UPUN?UPUN2UPUP?UPUN,,?,,?

（4—5）

RN?（4—6）,,,UU?UU?UUPPNPPP

从公式可知，只要测出S开通和闭合时正负母线对地电压，就可以测出正负

2RP1UPUN?UPUN?,,??

?母线对地绝缘电阻。当Rp或RN有一个值低于最低绝缘电阻要求时，电池管理系统发出绝缘报警信号。

本系统将正负母线对地的电压经过转换后经过而输入放大器INA2126后输入给CPU自带的AD进行测量，最后计算出绝缘电阻。 INA2126是微功耗，双路仪表用放大器，其特点如下: (1)低静态电流:每路175uA (2)宽电压范围:士l.35V~士18V (3)输入失调电压:最大250uV (4)输入失调漂移:最大3uV/℃ (5)低噪音:38mV/

(6)低输入偏置电流:士25uA

4.8通讯部分

电池管理系统全部采用CAN总线进行通信，主要有三路通信通道，分别是内

部CAN，与整车控制器通讯的CAN，还有与充电机或其他外设通讯的CAN，这一路是预留的，有时或用不到。

CPU本身自身带有msCAN12模块，可以和驱动芯片82C250配合使用，对于CAN总线的物理层和数据链路层都已由这些硬件来完成，82C250提供对总线的

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电池管理系统硬件电路设计

差动发送和接收功能，msCAN12模块具有收发引擎、报文过滤与缓冲、控制与状态管理、时钟、低通滤波器等功能。

根据对数据量的计算，CAN总线的负载率在30%以下，满足使用要求，证明这样分配的CAN总线是符合标准的，不会影响到通讯的质量。

4.9高压控制及其他

电池管理系统还要对电池包的一些电气部分进行控制，其控制信号较为简单，不会涉及量的测量，仅仅是一些开关量的控制，因此，电池管理系统还要有一些外设的开关量输出口。考虑到驱动外部器件的功率较大，又不能因此增加系统的体积，所以采用低压继电器驱动高压继电器的方法。高压继电器安装在车身的高 压箱内。

继电器的驱动信号是CPU通过MC1413驱动继电器的。如下图所示。

4-9 继电器电路图

4.10硬件的布局

硬件的布局也是十分关键的，它关系到系统运行的稳定性。在整体布局上要 考虑高低压的隔离问题，二者之间的距离不宜过近，因为高压所含的能量比低压 所含的能量大，这样高压部分会干扰到低压部分，如果排列过近也会有安全隐患。 布局方面还要考虑绝缘的问题，因为高压信号是要引到电路板上，然后转化测量 的，所以要考虑输入端之间的绝缘特性，输入信号间的距离应该尽可能的大，根据应用的环境来选择适当的爬电比距，在一些有必要的情况下进行了开槽处理。 考虑到机械震动的存在，整体电路板的布局应该在质量上均匀分配，这样可以减 少电路板所受到的机械应力，将一些质量较大的器件安排在固定孔周围，这样可 以将少机械振动带来的机械应力。整块板的散热也是布局时要考虑的，易发热的 器件不要布置在一起，尽量远离，发热较大的器件周围不要安置其他较高的器件， 以免影响器件的散热，安排出一条空气通道，便于发热器件的散热。

电路板的布线会影响到整体系统的电磁兼容性。导线的布设应尽可能的短，导线的拐弯应成圆角，电路板上下两层走线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免平行，以减小寄生藕合，电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。还要考虑导线通过的电流来选择导线的宽度。芯片之间的通讯线要密集并列排布，减少包围的面积，电源线和地

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线之间的面积也要尽可能的小。覆铜除了可以增加电磁兼容性外，还可以帮助发热器件散热。

以上这些都是在硬件设计时考虑的，这样才能设计出优质可靠的电路板，保障系统的安全稳定的运行。

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电池管理系统软件设计

第五章 电池管理系统软件设计

软件部分是系统的灵魂，它决定了系统将如何去工作，如何更好的工作，现就软件部分进行分析与设计。

5.1从板程序设计

从板的主程序流程图如图5—1所示：

图5—1从板的主程序流程图

从板还负责单体电压的采集测量，其相应的程序流程图如图5—2所示：

图5—2单体电压采集流程图

5.2主板程序设计

主板主程序的流程图如图5—3所示：

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电池管理系统概述

3.随时预报混合动力汽车储能电池的剩余电量，使驾驶员在行车过程中做到心中有数，配合整车控制策略良好运行；

4.电池需要充电时，及时报警，以防止电池过充电而影响其使用寿命； 5.混合动力汽车运行时，如果电池组中有哪块电池损坏了或因使用时间过长而老化，能量管理系统自动报警，并显示有关信息，以便操作者及时更换旧电池，从而提高系统的可靠性，延长其它电池的使用寿命； 6.高压动力电池组用电安全控制；

7.及时发送电池信息给整车控制单元，以实现整车的控制。

2.4电池管理系统的功能分析

2.4.1电池参数检测

电池参数检测是电池管理系统最基本和最重要的功用，荷电状态及剩余电量的计算、充放电优化及故障预警都是以各种电池参数为依据。要求能够测量串联电池组每块电池的电压、温度、电池组电压，充放电电流等参数对时间的参数。 电池检测要求能够满足系统对采集精度和实时性要求，并能在任何电池状态时连续采样，采样频率取决于电池管理系统的控制策略和算法，检测结构部分尽量少消耗或不消耗电池电能。 2.4.2电池状态估计与输出

电动汽车必须能够精确估计电池状态，电池状态包括荷电状态和健康状态。并能据此及时通知驾驶者可行驶里程和电池寿命信息等，避免车辆因电量不足被迫停在路上 ，同时帮助驾驶者最大限度的利用电池的可用容量。对于无需充电的混合动力电动汽车，准确估计电池的荷电状态和健康状态是进行充放电能量管理的必要条件。因此电池状态的估计一直是发展混合动力电动汽车的关键技术和研究重点。

预测电池荷电状态，必须考虑电池容量随放电电量、环境温度、循环寿命及自放电（车辆停驶时间）等条件的变化而变化。上述影响因数对电池容量的影响对多数化学电池而言，还没有精辟的理论模型，使得电池荷电状态精确预测也成为电池管理系统的重点和难点。 2.4.3电池充放电过程优化

由于电动汽车驱动电机电压和功率的要求，动力电池必须以串联和并联的方式组合起来。实践证明，在通常工作条件下，电池组的寿命与串联电池数呈接近指数下降的关系。造成这一现象的原因是，有制造工艺和所处温度差异等因素的影响，电池间的容量、电压和内阻存在微小差异，这些差异在电池组充放电过程中，会逐渐放大，在远未达到单个电池循环寿命前，个别电池会出现过放电和过充电导致容量下降、甚至失效，加重其周期电池的负荷，造成串联电池的损坏，电池管理系统要能够在充放电过程中，采用优化的充放电控制模式，并采用合适的方法均衡电池间的差异，保持个电池容量的一致性，延长电池组的使用寿命，降低混合电动汽车的使用成本。

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2.4.4电池组热量管理

环境温度过高或过低都会影响电池的性能。在混合动力电动汽车上电池模块一串联或并联的方式组成电池组，已达到容量和电压的要求，并以某种方式 安装在电池箱中，由于各块电池内阻的差异而引起在工作中发热量的不一致性，以及电池在电池箱中所处位置的差异而引起的电池模块传热效率的不一致，会造成电池组内电池之间温度的差异。温度差异是造成电池容量和电压不一致的重要原因，特别是对温度比较敏感的电池。

为是电池组发挥良好的性能、具有更长的寿命并保证使用安全，就要对电池组进行热量管理，使其保持在河里温度范围内，并使的单块电池间温度均衡 。热管理系统必须具有以下功能：电池组温度过高时的有效散热、低温条件下的快速加热，保证所有电池较好的温度一致性和有害气体产生时的有效通风。 2.4.5电池故障诊断及安全预警

由于道路行驶条件比较复杂，特别是雨雪天气和交通事故条件下也要保证汽车的安全性，避免出现电路故障特别是短路故障。对于充电过程中的有害气体析出或者出现温度过高的电池，要采取措施避免发生爆炸。

电池管理系统的故障诊断和安全预警功能，用于诊断电池电路故障，并在出现过放、过充及超温现象时，及时采取措施并报警。 2.4.6通信功能

电池管理系统和车载设备或非车载设备的通信是其重要功能之一，根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如CAN总线或I2C串行接口等。

2.5电池管理系统设计要求

为了满足混合动力汽车电控系统的需要，对电池管理系统的基本功能提出了以下要求：

1.监测单个电池单体电压

2.监测整个蓄电池组电压（误差小于1%） 3.监测蓄电池组温度 4.蓄电池组通风控制 5.计算蓄电池组寿命

6.监测电池充放电电流（误差小于1%） 7.蓄电池组最大允许充、放电流计算并输出 8.蓄电池组容量计算并输出 9.SOC计算并输出（误差小于5%） 10.避免蓄电池组的过充过放电 11.具有过流保护、高压电路中有熔断器 12.蓄电池组最低电压和最高电压

13.监测蓄电池组状态，并在蓄电池组寿命受到影响时输出信号，点亮寿命警告灯

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锂离子电池的工作特性与SOC的估算

第三章 锂离子电池的工作特性与SOC的估算

3.1锂离子电池的工作原理

锂离子电池正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LixCo2，LixNiO2或LiMn2O4,负极采用锂-碳层间化合物LixC6,电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出 来实现电池的充放电过程,当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,充电容量与嵌入的锂离子成正比。当对电池进行放电时,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。回到正极的锂离子越多,放电容量越高。

锂离子电池的工作原理如图3-1：

图3-1 锂离子电池的工作原理

由图可知，该电池的工作过程仅仅是锂离子从一个电极脱嵌，进入另一个电极嵌入的过程。且电池的反应式如下： 正极反应：LiCoO2 ?Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- 负极反应：C + xLi+ + xe-?LixC 电池总反应：LiCoO2 + C?Li(1-x)CoO2 + LixC

3.2锂离子电池基本电特性

查阅相关文献资料可详细的了解锂离子电池的充放电特性： 3.2.1锂离子电池充电特性

锂离子动力电池的充电试验测试结果见图3-2。

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图3-2 锂离子电池的充电特性 在a图中电池端电压在充电初始时刻有比较大的上升率,而随着充电过程 的不断进行,电池端电压逐渐趋于平稳。由b图可以看出,锂离子动力电池在智能模式充电方式下,充电电流在开始时迅速达到比较大的值,而后几乎线性下降,在420 min时,电池基本已经到达满充状态。电池在充电始末温升在3℃之内(环境温度为15℃),说明在智能模式充电的方式下锂离子动力电池的电流接受能力良

好,充电效率较高。

3.2.2锂离子动力电池放电特性

锂离子动力电池的放电试验测试结果见图3-3：

图3-3 锂离子电池的放电特性

由图a和图b可以看出,锂离子动力电池恒流放电情况下的工作电压变化分3段:在放电初始阶段,电池工作电压下降迅速,最大可达1.5 V/h以上;而后进入线形下降区,也就是锂离子电池动力电池的工作阶段,持续工作时间随放电率的不同而有所不同,电压下降速率也会因为放电率的不同而变化;在放电接近终止时,电池工作电压又开始急剧下降,下降速率迅速上升,如果没有很好的防护措施,有可能损坏电池。

由图b可知,锂离子动力电池的工作电压变化与放电深度存在着密切关系,在放电深度20%?DOD?85%内存在近似的线形关系,由此通过检测电池电压特性可以准确预测电池电量状态。同时,由图c可知,电池释放的能量与放电深度之间

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锂离子电池的工作特性与SOC的估算

也是成正比例关系,而且几乎与电池放电率没有关系,所以,在使用过程中,借助电池的放电深度就可以准确计算电池剩余能量,从而计算出车辆的剩余续驶里程。

第1次放电采用30 A恒流放电,放电电量171 Ah,放电能量649.762 Wh,体积比能量377.82Wh/L。第2次放电采用50 A恒流放电,放电电量173.16 A h,放电能量647.385 W h,体积比能量376.53 Wh/L。30A放电在80%的放电深度时,电池释放能量为463Wh,质量比能量为118.72 Wh/kg;50A放电在放电深度达到80%时,电池释放能量为460Wh,质量比能量为117.95 Wh/kg,锂离子动力电池比较高的体积比能量和质量比能量能够降低动力电池质量占电动车整车质量的百分比,从而提高电动车的续驶能力,并解决动力电池在电动车上的布置问题。

由于锂离子动力电池对的温度变化比较敏感,在试验过程中,对锂离子电池表面的温升进行检测,结果如图2d所示。在恒流放电模式下,锂离子动力电池表面温度以线形关系上升。在环境温度为15的条件下,30 A放电的温升速率为 2.5/h左右,50 A放电的温升速率为4.9/h左右。为了保证锂离子动力电池在电动车上的安全使用,应该注意设置电池的温度监测功能,并注意电池箱的通风散热设计。

3.3锂离子电池SOC的估算

电池荷电状态(SOC一State of Charge)的计算，始终是BMS的难点和重点之一。因为电池工作的高非线性，电池工作环境的难预测性，电动汽车工作的过程也是一个多变的过程其放电倍率可能随时变化，电池本身的状态还要受其寿命影响，这些因素都促成SOC的估算很难达到理想化的效果。SOC是电池管理系统的重要参数，它是电池电量的直接反映，一方面为司机提供续驶里程的重要信息，另一方面也为电池的管理和维护提供重要依据，因为电池的过冲、过放都会导致电池寿命的下降，甚至发生燃烧或爆炸，造成严重的后果。因此严格监控电池组的SOC是电池管理系统的一项重要任务。

常见的SOC算法包括安时法、电压法、内阻发、神经网络法卡尔曼滤波法等。其中安时法产生累积误差且无法消除;电压法和内阻法是根据电池电压和内阻与SOC的固定函数关系来对SOC进行估计，也得到广泛使用;神经网络法和卡尔曼

滤波法是最近几年才应用于SOC估计中的智能算法，原来较为复杂，实现起来有 一定的难度。

理论上，SOC的定义如下:

SOC? Qo一蓄电池的总容量;

Qt?100%（3—1）

Qo

式中:Qt一蓄电池在计算时刻的剩余容量; 考虑到电池总容量受放电电流的影响很大，因此实际上SOC的定义如下:

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SOC?

QIt?100%（3—2） QIo

SOCI一蓄电池恒流I放电时在计算时刻的SOC; QIt一蓄电池恒流I放电时在计算时刻的剩余容量; QI0一蓄电池恒流I放电时的总容量; 估算方法有如下几种： 1、安时计量法

安时计量法实质是将电池看作一个黑箱，认为流进电池的电量与流出电池的电量相等，它不考虑电池内部的结构和外部的电气特性，因此这种方法可以用于各种电池。在电流测量准确，温度、放电倍率等因素补偿良好，初始SOC估计准确的条件下，安时法在短时间内可以保证SOC估计的准确，是一种简单可靠的方法。安时计量法实际上是一种开环预测，随着汽车运行时间的增加，会产生估计误差并使误差逐渐累积，最终使误差越来越大，偏离正确的SOC值越来越远。另外在使用安时法的时候必须考虑温度、充放电效率、自放电、SOH等影响电池容量的因素，需要事先做大量的实验建立经验公式或表格，这就增加了方法的复杂度。在实际应用中，常常将安时法与其它方法结合使用，可以得到较好的精度。 2、开路电压法与电动势法

电池在长时间静置的条件下，其端电压与SOC有相对固定的函数关系，所以根据开路电压可以估计SOC，特别是在充放电的初期和末期，电池端电压变化较大，开路电压法可以取得较好的效果。开路电压法的缺点是需要电池长时间静置，锂离子电池一般要求静置半小时到一个小时，电动势法克服了开路电压法需要长时间静置的缺点，这种方法需要事先根据电池的外部电气特性建立合理的电池模型，模型必须能够反映电池工作时的端电压和电池电动势的关系，从而能够根据电池的电流电压计算出电池的电动势，进而根据电动势和SOC的关系确定电池的SOC。

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电池管理系统硬件电路设计

第四章 电池管理系统硬件电路设计

由于整车设计要求，电池是分箱安装的，每个电池箱安装在车体的不同位置，

考虑到连接线和系统可靠性，整个系统采用分布式的电池管理系统，分为从控模块和主控模块两部分，从控模块主要用来采集测量单体电池的电压和温度，兼做分箱热管理的控制，主控模块主要用于分析、计算电气部分控制和整车进行通讯兼顾采集电流和总电压等信息，并分析绝缘性能。系统的结构框图如图4-1所示。模块间通过内部CAN总线进行通信。

图4-1 系统的结构

通过以上整体结构布置，下面介绍电池管理系统的硬件部分。

4.1 电源及MCU

汽车上低压供电是由蓄电池供给的，一般为12V或24V，但电压会随使用过程中而变动，尤其是发动机启动时，供电电压将会很低，所以对车载电气设备要求能适应宽电压输入波动的要求。

电源部分采用LM2576开关型稳压器，它的输入电压很宽，从8V至40V都可以提供较为稳定的5V输出，且外围电路简单，可以有效的缩减电路的体积，符合汽车上的使用。

图4-2 电源部分电路

根据计算量的大小，主控模块的MCU采用Freescale的16位单片机，从控模块的MCU采用Freescale的8位单片机，Freescale的单片机具有很好的电磁兼容性和不错的运算速度，很适合在汽车电子中应用。

4.2单体电压测量

多组电池串联而成的蓄电池组电压测量的方法有很多，在测量时，既要考

虑干扰与高低压隔离问题，又要考虑成本与精度问题，因此电压的精确采样比较困难。

考虑到电压采集的时间，本方案采用LTC6802专用电池组测量芯片进行单体电压的测量。LTC6802是Linear公司推出的一款专门用于串联电池组的单体电压测量芯片。

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湖北文理学院学士学位论文

其主要性能有:

(1)一片最多可以测量12路单体电池;

(2)可以通过菊花链的结构串联使用，最高可以测量1000V的系统; (3)最大测量误差只有0.25%; (4)测量全部系统最快只需13ms; (5)自带电池均衡功能;

(6)最快支持1MHz的SPI通讯频率; (7)很好的电磁兼容性; (8)内置的12位△一

?AD转换器自带滤波功能;

(9)芯片自带开路检测功能; (10)具有低功耗休眠模式。 该部分的硬件原理图如图4-3所示。

图4-3 LTC6802硬件原理图

硬件电路十分简单，基本无需外围电路，管脚CSBO、SD01、SCKO是用来和其它LTC6802进行级联使用的，C1一C12是电池电压测量管脚，S1一S12是均衡控制管脚。

4.3电池组均衡

本系统的均衡方法采取体积小，成本低的耗能均衡方法，通过MOS管来切

入与切出均衡电阻，MOS管旁配有保护作用的稳压管。

均衡部分的硬件原理图如图4-4所示，通过芯片的S1一S12管脚控制导通MOS管，放电电阻根据均衡电流的大小来选取适当的电阻，并且配有二极管指示，当某一MOS管导通，这一节电池就进行均衡，二极管就会点亮作为指示。 当均衡电路工作时，电阻上的发热量并不是很大，只有50℃左右，其温度可以控制在管理系统的工作温度范围内，不会影响到系统的稳定运行。

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电池管理系统硬件电路设计

图4-4 均衡硬件原理图

4.4温度测量

在测控模块的设计中，需要连接多个温度传感器，考虑到温度传感器是连接到电池箱内部的，所以要与其他电路进行隔离，保证整体系统的安全性，仅仅光耦是不能满足驱动电流的要求，因此使用一片7407作为驱动电路。其电路如图4-5所示。

图4-5 温度部分电路

由于DS18BZO与CPU之间的通讯采用的是其独创“1-Wire”通讯结构，只需要一根信号线就可以连接多个传感器。这样可以减少对CPU管脚的要求，同时也减少了现场安装时的布线数量，提供了很大的方便，可以灵活配置温度测量点的数量。

4.5总电压测量

总电压的测量是通过电阻分压，然后通过线性隔离光耦HCPL7800放大后进入AD转换器进行采样，最后将数据上报给处理器，再通过CPU换算成实际的电压值，电路如图4-6所示。

图4-6 总电压测量电路

考虑到正负极之间的绝缘要求和功耗的要求，以及自身的测量范围，选取5个510k的电阻串联后分压，作为采样电压。

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湖北文理学院学士学位论文

HCPL7800是具有高共模抑制的隔离光耦，其在存在1000V共模电压的情况下可以有每微秒巧千伏的共模抑制率，温漂只有4.6uV/℃，输入端只有0.9mV的零漂，并且有85kHz的带宽，仅有0.1%的非线性度，自身内部有先进的艺△的A/D转换技术，它自身可以提供8倍的放大倍数。

AD转换器采用的是德州仪器生产的16位AD转换器ADS1110，该芯片具有以下优点:

1.封装小，所占电路板的空间很少;

2.芯片集成了基准电压，精度可以达到士0.05%，温飘只有5ppm/℃; 3.内置晶体振荡器; 4.具有16位的错误校验码; 5.具有自校准功能; 6.I2C的通讯总线;

7.2.7V至5.5V的宽电压供电范围;

8.低功耗，只有240uA的工作电流。ADS1110本身也自带发达功能，但是随着放大倍数的增加，输入阻抗会相应的降低，有考虑到测量范围是0~1000V，所以ADS1110自身只选取一倍的放大倍。

HCPL7800本身也有离散性，其自身的放大倍数也有区别，从7.85至8.01，分压电阻本身也有离散性，所以电压测量回来以后需要软件做进一步的处理校正，需要在测量之前做电压的校准。

4.6总电流测量

电流测量的测量方法有分流器和电流传感器两种。分流器是通过将电流信号转换为电压信号进行测量，即测量电流通过分流器的电压。一般分流器的满度值为75mV，当通过满度电流时，在分流器两端将产生75mV的压降，并且这压降是线性变化的，这样就可以通过测量分流器两端的电压来计算得出电流值。电流传感器是基于霍尔原理的闭环电流传感器，可以很好的做到电器的隔离，因为其本身是非接触式的，但是由于它是根据磁场进行测量的，所以其对电磁环境十分的敏感，因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。 (1)传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化;

(2)外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置;

(3)安装传感器所使用的材料有无磁性; (4)所使用的电流传感器是否屏蔽。

另外，电流传感器需要有一个磁场建立的过程，所以其线性度也不是很好。 所以，本系统采用规格为300A/75mV的分流器进行电流测量，结合双积高分辨率的ADC模块CS5460进行转换，其余CPU通讯部分采用光耦隔离，该种方法较为有效地克服了电流传感器检测时带来的温漂、零点漂移等问题，具有测

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