新能源汽车电池箱电路研究与设计(附件)【字数：9804】
摘 要随着社会的不断发展以及人们生活水平的不断提高，新能源汽车凭借其节能，环保的优点而受到各个国家的重视，新能源汽车已成为未来汽车技术发展的趋势。而充电电池在电动汽车的使用中越来越多，锂离子电池有放电曲线较平稳，比能量较高，可循环使用，充放电性能良好，可随时充放、没有记忆效应，没有有害物质，对环境无污染，是绿色能量。由于有这些特征，锂电池发展前景一片大好。本文介绍的是对锂电池进行充电的一种静止的变流装置，能给电池补充能量，它的性能影响用电安全。本文在全方面考虑了电动汽车电池箱充电电路安全的基础上，设计了基于STC12C5A60S2单片机PWM控制的单片开关电源式锂电池充电模块，有效地克服了一般汽车电池箱充电时充不满电、充电过多、充电时间长等劣势，使锂电池组充电智能化，有预想的效果。该方案设计适用的充电锂电池较多。
目 录
第一章 概述 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 锂电池充电特性 2
第二章 充电电路设计 3
2.1 方案论证与比较 3
2.1.1 BUCK降压电路选择 3
2.1.2 电流的控制 3
2.2分析计算 3
2.2.1 分析计算输出的电流 3
2.2.2 分析计算BUCK电路元件参数 4
2.2.3分析计算 BUCK电路的输出效率 6
2.2.4计算 负温度系数的电阻 7
2.2.5 PI控制原理 9
第三章 预充电路设计 11
3.1预充电的等效模型 11
3.2预充电过程分析 12
3.3硬件电路 13
第四章 系统设计 14
4.1 供电电源的设计 14
4.2 BUCK降压电路的设计 15
4.3 控制显示电路的设计 18
4.4 输出电压和输出电流测试电路的设计 19
4.5 输出恒定的电流电路设计 21
4.6 过温、过压保护电路的设计 22
第五章 软件设计 26
5.1 软件使用原理 26
5.2 软件设计结构图 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
第六章 系统测试 28
6.1 主要测试仪器、仪表 28
6.2 系统测试 28
6.2.1 测试方法 28
6.2.2 测试参数记录表及测试数据 28
6.3 测试结果分析 29
第七章 结论 30
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
附录 34
电路原理图 34
PCB设计图 37
第一章 概述
1.1 课题研究的背景
近年来，新能源汽车发展迅速，与传统的内燃机汽车相比较，新能源汽车的主要动力源将不依靠常规的能源燃料作为动力源作为主要的动力，将会依靠现代技术中的新能源，达到低碳环保，节能减排，保护有限能源燃料的目的[1]。而电能作为汽车的动力源发展前景十分广阔，世界各国的各大汽车厂家对电动汽车的研究投入了大量的人力与财力，将电动汽车的研制和推广列为未来的战略发展方向。
在电动汽车中之中最重要的部件是电池箱，电池箱为汽车提供动力，也为电动汽车的用电系统提供电源，使他们能够工作。电池箱内是一些电池串或并联成电池组，供电源输出的电压高，电流大，对电池箱的电路研究是十分有必要的。电池箱的内部电路图如图11所示：
/
图11 电池箱电路图
在图中可以看出动力电池系统是个复杂的能量存储装置，其中包含电池磨坏组、电路、电控单元（电池管理系统，即BMS）以及相关的电气结构组件。在低压电路中，主正继电器、主负继电器、预充继电器以及传感器与BMS芯片相连，而且通过BMS芯片与整车低压相连。在高压电路中，电池模块组之间与MSD装置相连，正极电路接入的是电流传感器与主正继电器，负极电路接入的是主负继电器，再分别与整车高压接口和充电接口相连。通信电路是将电压传感器、电流传感器以及温度传感器与BMS芯片相连，能够将电压、电流和温度的数据传给芯片，而主正继电器、主负继电器与预充继电器也是与BMS芯片相连，BMS芯片控制这三个继电器通断电，BMS芯片在通过通信接口与整车控制进行连接，形成完整的通信电路。还有一个预充电路，是预充继电器与预充电组与主正继电器并联，是为了预防动力电池包与轮毂电机相连时，瞬间的高压击穿轮毂电机中的一些电气元件。
在电池箱中最主要的构件就是成组电池，如果电池没有电量那电池箱也就失去了电源，无法提供动力和电能，因此电池箱使用一段时间需要进行充电，这样才可以确保电池始终带电。由此可以看出充电电路在电池箱电路中是尤为重要的一部分，所以近年来对电池充电模块的研究也越来越多[2]。
1.2 锂电池充电特性
电动汽车的电池箱电池一般使用锂电池，因为锂电池能量密度高、端电压高、内阻小、自放电率低、能量体积比高、无记忆性、使用寿命长和无污染等优点。锂电池在充电过程中需要控制它的充电电压，限制充电电流。锂电池一般采用三级充电方式，即预充电、恒流充电和恒压充电[3]。锂电池的充电电流通常限于1C（C是锂电池的容量），单体的充电电压通常为4.2V，否则锂电池将因高压而永久损坏。
在本文中主要研究的是锂电池组的充电模块与预充电电路，通过对这两个部分的研究来认识和了解电池箱电路。
第二章 充电电路设计
本章介绍的锂电池充电模块是单片机控制，构成BUCK降压电路是基于BUCK降压电路原理的LM2576ADJ集成功率芯片。研究计算BUCK降压电路，选择合适的研究方案，并对对电路中的元件进行计算选择。对过温保护电路NTC负温度系数电阻进行计算，最后介绍了PI控制原理。
2.1 方案论证与比较
2.1.1 BUCK降压电路选择
方案一：降压电路中恒流源控制用LM2576ADJ的集成电源芯片组成。LM2576ADJ输入的电压和输出的电压相对较为稳定且具有可调性，电路控制及其设计过程较简单。
方案二：配置BUCK降压电路用，处理器生出PWM，输出电流由的占空比决定。
两者对比：一中的降压电路用的集成电源芯片直接构成，电路设计思路容易，电路输出的电流易于掌控。二中降压电路具有选择的场效应晶体管范围广泛，场管不同而具有不同的性能规定。综合所诉，最终选择降压电路方案一的设计。
2.1.2 电流的控制
方案一： 电阻两端的电压值通过用AD转换器进行采集，最后得到电阻两端的电压值。计算得到电路中的电流，通过对电流值和设定电流值的测量，进行计算。程序控制比较结果，补偿电路电流控制参数，输出恒定电流。
方案二：采用检测芯片IA168采集电流，通过STC12C5A60S2转换器进行转换并输出。测量电流值用PI控制算法调整，电流控制电路调整。
目 录
第一章 概述 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 锂电池充电特性 2
第二章 充电电路设计 3
2.1 方案论证与比较 3
2.1.1 BUCK降压电路选择 3
2.1.2 电流的控制 3
2.2分析计算 3
2.2.1 分析计算输出的电流 3
2.2.2 分析计算BUCK电路元件参数 4
2.2.3分析计算 BUCK电路的输出效率 6
2.2.4计算 负温度系数的电阻 7
2.2.5 PI控制原理 9
第三章 预充电路设计 11
3.1预充电的等效模型 11
3.2预充电过程分析 12
3.3硬件电路 13
第四章 系统设计 14
4.1 供电电源的设计 14
4.2 BUCK降压电路的设计 15
4.3 控制显示电路的设计 18
4.4 输出电压和输出电流测试电路的设计 19
4.5 输出恒定的电流电路设计 21
4.6 过温、过压保护电路的设计 22
第五章 软件设计 26
5.1 软件使用原理 26
5.2 软件设计结构图 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
第六章 系统测试 28
6.1 主要测试仪器、仪表 28
6.2 系统测试 28
6.2.1 测试方法 28
6.2.2 测试参数记录表及测试数据 28
6.3 测试结果分析 29
第七章 结论 30
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
附录 34
电路原理图 34
PCB设计图 37
第一章 概述
1.1 课题研究的背景
近年来，新能源汽车发展迅速，与传统的内燃机汽车相比较，新能源汽车的主要动力源将不依靠常规的能源燃料作为动力源作为主要的动力，将会依靠现代技术中的新能源，达到低碳环保，节能减排，保护有限能源燃料的目的[1]。而电能作为汽车的动力源发展前景十分广阔，世界各国的各大汽车厂家对电动汽车的研究投入了大量的人力与财力，将电动汽车的研制和推广列为未来的战略发展方向。
在电动汽车中之中最重要的部件是电池箱，电池箱为汽车提供动力，也为电动汽车的用电系统提供电源，使他们能够工作。电池箱内是一些电池串或并联成电池组，供电源输出的电压高，电流大，对电池箱的电路研究是十分有必要的。电池箱的内部电路图如图11所示：
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图11 电池箱电路图
在图中可以看出动力电池系统是个复杂的能量存储装置，其中包含电池磨坏组、电路、电控单元（电池管理系统，即BMS）以及相关的电气结构组件。在低压电路中，主正继电器、主负继电器、预充继电器以及传感器与BMS芯片相连，而且通过BMS芯片与整车低压相连。在高压电路中，电池模块组之间与MSD装置相连，正极电路接入的是电流传感器与主正继电器，负极电路接入的是主负继电器，再分别与整车高压接口和充电接口相连。通信电路是将电压传感器、电流传感器以及温度传感器与BMS芯片相连，能够将电压、电流和温度的数据传给芯片，而主正继电器、主负继电器与预充继电器也是与BMS芯片相连，BMS芯片控制这三个继电器通断电，BMS芯片在通过通信接口与整车控制进行连接，形成完整的通信电路。还有一个预充电路，是预充继电器与预充电组与主正继电器并联，是为了预防动力电池包与轮毂电机相连时，瞬间的高压击穿轮毂电机中的一些电气元件。
在电池箱中最主要的构件就是成组电池，如果电池没有电量那电池箱也就失去了电源，无法提供动力和电能，因此电池箱使用一段时间需要进行充电，这样才可以确保电池始终带电。由此可以看出充电电路在电池箱电路中是尤为重要的一部分，所以近年来对电池充电模块的研究也越来越多[2]。
1.2 锂电池充电特性
电动汽车的电池箱电池一般使用锂电池，因为锂电池能量密度高、端电压高、内阻小、自放电率低、能量体积比高、无记忆性、使用寿命长和无污染等优点。锂电池在充电过程中需要控制它的充电电压，限制充电电流。锂电池一般采用三级充电方式，即预充电、恒流充电和恒压充电[3]。锂电池的充电电流通常限于1C（C是锂电池的容量），单体的充电电压通常为4.2V，否则锂电池将因高压而永久损坏。
在本文中主要研究的是锂电池组的充电模块与预充电电路，通过对这两个部分的研究来认识和了解电池箱电路。
第二章 充电电路设计
本章介绍的锂电池充电模块是单片机控制，构成BUCK降压电路是基于BUCK降压电路原理的LM2576ADJ集成功率芯片。研究计算BUCK降压电路，选择合适的研究方案，并对对电路中的元件进行计算选择。对过温保护电路NTC负温度系数电阻进行计算，最后介绍了PI控制原理。
2.1 方案论证与比较
2.1.1 BUCK降压电路选择
方案一：降压电路中恒流源控制用LM2576ADJ的集成电源芯片组成。LM2576ADJ输入的电压和输出的电压相对较为稳定且具有可调性，电路控制及其设计过程较简单。
方案二：配置BUCK降压电路用，处理器生出PWM，输出电流由的占空比决定。
两者对比：一中的降压电路用的集成电源芯片直接构成，电路设计思路容易，电路输出的电流易于掌控。二中降压电路具有选择的场效应晶体管范围广泛，场管不同而具有不同的性能规定。综合所诉，最终选择降压电路方案一的设计。
2.1.2 电流的控制
方案一： 电阻两端的电压值通过用AD转换器进行采集，最后得到电阻两端的电压值。计算得到电路中的电流，通过对电流值和设定电流值的测量，进行计算。程序控制比较结果，补偿电路电流控制参数，输出恒定电流。
方案二：采用检测芯片IA168采集电流，通过STC12C5A60S2转换器进行转换并输出。测量电流值用PI控制算法调整，电流控制电路调整。
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