电动汽车电池充放电均衡管理器的研究与设计
摘 要 近年来环境恶化日益严重，国家于“十一五”提出节能减排的目标。传统汽车使用的由石油衍生出的燃料能源会排放大量尾气，严重污染环境，因此使用清洁能源的电动汽车已经成为未来汽车的主要发展方向之一。电池管理系统作为电动汽车动力的核心，正得到越来越多人的青睐。本项目通过搭建12节3.2V/7.5Ah锂离子电池的小型电池组模型，模拟和研究电动汽车的电池充放电均衡管理方案。研究目的是采集每节电池的电压、电池组的温度、整体的电流，通过这些信息计算出每节电池的剩余可用电量，最终实现对电池充放电的均衡管理。本项目利用开路电压法和安时法相结合计算电池剩余可用电量。在设计电池充放电均衡管理器时，采用主从电路的工作方案，从机电路负责电池电压和温度的采集，主机电路负责测量整体电路电流和计算电池的剩余可用电量，主机和从机之间采用CAN总线通信，同时主机电路还扩展了液晶模块、存储模块、硬件看门狗模块、时钟模块、按键等外部设备，提高了系统的易用性和可靠性。最后将锂离子电池组与设计的电池充放电均衡管理器联合进行了实验。结果表明本项目设计的电池充放电均衡管理器能够有效采集电池电压、电流、温度信息，能够计算出电池剩余可用电量并且对电池组充放电进行均衡管理。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2 电动汽车电池充放电均衡管理系统的重要性 2
1.3 电池管理技术的现状和主要问题 2
1.4 本课题的主要研究内容 3
1.5 论文结构安排 4
第2章 电池管理系统方案研究 5
2.1 电池组均衡方法 5
2.1.1 电池串联的应用 5
2.1.2 锂电池组差异性分析 6
2.1.3 均衡方法分析 7
2.1.4 均衡方案选择 8
2.2 电池组热管理 9
2.3 CAN总线技术分析 10
2.4 SOC计算分析 11
2.5 本章小结 12
第3章 电动汽车充放电均衡管理器的设计与实现 12
3.1 电动汽车充放电均衡管理器总体
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
方案 12
3.2 电动汽车充放电均衡管理器硬件电路设计 13
3.2.1 电池充放电均衡模块 13
3.2.2 隔离方案 15
3.2.3 温度测量 17
3.2.4 电流测量 18
3.2.5 主控芯片 18
3.2.6 存储模块 19
3.2.7 时钟模块 19
3.2.8 液晶模块 20
3.2.9 SD卡模块 21
3.2.10 硬件看门狗模块 21
3.2.11 CAN模块 22
3.3 电池充放电均衡管理软件编写 22
3.3.1 从板程序设计 22
3.3.2 主板程序设计 23
3.4 本章小结 24
第4章 系统调试以及问题分析和解决 25
4.1 系统硬件调试 25
4.2 本章小结 28
第5章 总结和展望 28
5.1 总结 28
5.2 展望 29
致谢 30
参考文献 32
附 录 36
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
随着人类工业化的进程，大自然遭到的破坏越来越严重。汽车作为现代生活的必须品，在人民大众中的普及率不断上升，随之而来的汽车尾气污染也受到更多的关注，提出一种更加节能环保的交通运输解决方案已经迫在眉睫。为了降低温室气体的排放量，完成国家节能减排的战略目标，加快电动汽车的研发已经被提上了日程[1]。
电动汽车在汽车诞生之时就已经被提出，但在最初的竞技中，内燃机以绝对优势压倒了使用电能的电动汽车。这是因为当时的科技水平生产出的电池性能很差，电池供电的车辆与以石油为能源的车辆相比，电池能量密度极低，无法供应电机系统。纵使内燃机的能量转化效率比电力系统要低20%，石油的能量密度也远超过现在已知电池的能量密度。但是伴随着石油资源日益短缺的现状，而汽车数量又急速增加，内燃机车已经成为环境问题的主要杀手之一，日益恶劣的生活环境逼迫人们寻找清洁能源代替石油，电动汽车重新获得了各国的关注。高效的能源转化、能量来源广泛、无尾气排放、极低的运行声音是现代电动汽车相对于传统燃油汽车的优势，其发展前景十分广阔，将会成为未来100年的主要交通工具之一[2][3][4]。
美国、欧盟、日本等发达国家和地区在20世纪90年代即开始大力研发新型电动汽车。在电动汽车电池的选择上，从之前主流的铅酸材料电池，到目前各种各样新研究的高性能电池，包括锂离子电池、镍氢电池、镍铬电池等；快速充电技术和汽车制动时对电池充电的效率都有了非常大的进步[5][6]。
具体来说，电动汽车可以分为纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车(FCEV)三种，车载动力电池技术的相对落后是制约它们不能普及的最关键因素[7]。高性能的车载电池是电动汽车普及的关键，虽然世界各国都在电池研发上投入巨大的精力，但现阶段的汽车动力电池还是与期望目标有不小的差距。在短期内电池技术无法取得突破的情况下，利用现代电子技术，开发电池管理系统，可以在一定程度上解决目前电池能量不足的窘境；可以在外界环境条件复杂多变的情况下，更高效地利用电池能量，并能延长电池使用寿命。
1.2 电动汽车电池充放电均衡管理系统的重要性
对多能源动力汽车来说，电池充放电均衡管理器的作用是通过监视电池剩下的可用电量，计算电池工作状态，以提供足够的能量使汽车正常运行，并且在汽车制动时将轮轴的机械能转化为电能储备起来，同时在整个过程中最大效率的进行能量的转化。对于纯电动汽车，电池充放电均衡管理系统不但需要监视正常使用期间电池耗费的功率，还要计算电池组余下的电量。纯电动汽车的电池电量直接决定车辆的行驶范围，通过电池管理系统可以根据当前的驾驶条件，预测汽车的行驶范围，使驾驶员能够正确估计出行驶路线，计算出是否需要中途充电[8]。
电动汽车的电池组一般是由许多节电池串接起来，其充电和放电时的工作状况要比独立电池提供能量的运行状况更加繁杂[9]。这是由于电池组内部各个独立的电池之间存在差异，电池之间的差异会极大降低电动车的工作机能，所以必须实时监视每节电池的工作状态。
当电动汽车出现过冲或者过放等异常现象是，电池管理系统要控制相应的保护电路、给出报警信号，同时要对历史进行存档，根据这些存档可以了解每节电池的健康状况和维修信息，发挥出电池保健医生的作用。
总的来说，电池管理系统是电动汽车的心脏，集预测电池剩余电量、智能充电、安全保护于一身的系统。
1.3 电池管理技术的现状和主要问题
从前辈宝贵的研究经验中获得教训，研究人员发现生产工艺只能决定电池的初始性能，包括电池的类型、成本、有无记忆效应、环保性、电池电平等级、比能量、自放电性能、内阻、温度范围、倍率特性、电池一致性、功率密度、循环寿命、稳定性和安全性等。在使用过程中，电池性能会随着其运行状态、环境变化、老化程度等参数的变化而变化，这导致使用电池的策略要做出相应的调整，避免不合理的使用，科学管理电池。
通过电池管理系统的实时监控，包括电池电压、温度、电流、直流内阻、极化电压、SOC、最大可用容量、老化程度以及一致性等状态，可以根据这些数据提供行之有效的改良方案，即防止工作中对电池组的不当使用，又保证了其能够长久安全的工作，还能够高效使用电能，最大效率的提供车辆运行[10][11]。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2 电动汽车电池充放电均衡管理系统的重要性 2
1.3 电池管理技术的现状和主要问题 2
1.4 本课题的主要研究内容 3
1.5 论文结构安排 4
第2章 电池管理系统方案研究 5
2.1 电池组均衡方法 5
2.1.1 电池串联的应用 5
2.1.2 锂电池组差异性分析 6
2.1.3 均衡方法分析 7
2.1.4 均衡方案选择 8
2.2 电池组热管理 9
2.3 CAN总线技术分析 10
2.4 SOC计算分析 11
2.5 本章小结 12
第3章 电动汽车充放电均衡管理器的设计与实现 12
3.1 电动汽车充放电均衡管理器总体
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
方案 12
3.2 电动汽车充放电均衡管理器硬件电路设计 13
3.2.1 电池充放电均衡模块 13
3.2.2 隔离方案 15
3.2.3 温度测量 17
3.2.4 电流测量 18
3.2.5 主控芯片 18
3.2.6 存储模块 19
3.2.7 时钟模块 19
3.2.8 液晶模块 20
3.2.9 SD卡模块 21
3.2.10 硬件看门狗模块 21
3.2.11 CAN模块 22
3.3 电池充放电均衡管理软件编写 22
3.3.1 从板程序设计 22
3.3.2 主板程序设计 23
3.4 本章小结 24
第4章 系统调试以及问题分析和解决 25
4.1 系统硬件调试 25
4.2 本章小结 28
第5章 总结和展望 28
5.1 总结 28
5.2 展望 29
致谢 30
参考文献 32
附 录 36
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
随着人类工业化的进程，大自然遭到的破坏越来越严重。汽车作为现代生活的必须品，在人民大众中的普及率不断上升，随之而来的汽车尾气污染也受到更多的关注，提出一种更加节能环保的交通运输解决方案已经迫在眉睫。为了降低温室气体的排放量，完成国家节能减排的战略目标，加快电动汽车的研发已经被提上了日程[1]。
电动汽车在汽车诞生之时就已经被提出，但在最初的竞技中，内燃机以绝对优势压倒了使用电能的电动汽车。这是因为当时的科技水平生产出的电池性能很差，电池供电的车辆与以石油为能源的车辆相比，电池能量密度极低，无法供应电机系统。纵使内燃机的能量转化效率比电力系统要低20%，石油的能量密度也远超过现在已知电池的能量密度。但是伴随着石油资源日益短缺的现状，而汽车数量又急速增加，内燃机车已经成为环境问题的主要杀手之一，日益恶劣的生活环境逼迫人们寻找清洁能源代替石油，电动汽车重新获得了各国的关注。高效的能源转化、能量来源广泛、无尾气排放、极低的运行声音是现代电动汽车相对于传统燃油汽车的优势，其发展前景十分广阔，将会成为未来100年的主要交通工具之一[2][3][4]。
美国、欧盟、日本等发达国家和地区在20世纪90年代即开始大力研发新型电动汽车。在电动汽车电池的选择上，从之前主流的铅酸材料电池，到目前各种各样新研究的高性能电池，包括锂离子电池、镍氢电池、镍铬电池等；快速充电技术和汽车制动时对电池充电的效率都有了非常大的进步[5][6]。
具体来说，电动汽车可以分为纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车(FCEV)三种，车载动力电池技术的相对落后是制约它们不能普及的最关键因素[7]。高性能的车载电池是电动汽车普及的关键，虽然世界各国都在电池研发上投入巨大的精力，但现阶段的汽车动力电池还是与期望目标有不小的差距。在短期内电池技术无法取得突破的情况下，利用现代电子技术，开发电池管理系统，可以在一定程度上解决目前电池能量不足的窘境；可以在外界环境条件复杂多变的情况下，更高效地利用电池能量，并能延长电池使用寿命。
1.2 电动汽车电池充放电均衡管理系统的重要性
对多能源动力汽车来说，电池充放电均衡管理器的作用是通过监视电池剩下的可用电量，计算电池工作状态，以提供足够的能量使汽车正常运行，并且在汽车制动时将轮轴的机械能转化为电能储备起来，同时在整个过程中最大效率的进行能量的转化。对于纯电动汽车，电池充放电均衡管理系统不但需要监视正常使用期间电池耗费的功率，还要计算电池组余下的电量。纯电动汽车的电池电量直接决定车辆的行驶范围，通过电池管理系统可以根据当前的驾驶条件，预测汽车的行驶范围，使驾驶员能够正确估计出行驶路线，计算出是否需要中途充电[8]。
电动汽车的电池组一般是由许多节电池串接起来，其充电和放电时的工作状况要比独立电池提供能量的运行状况更加繁杂[9]。这是由于电池组内部各个独立的电池之间存在差异，电池之间的差异会极大降低电动车的工作机能，所以必须实时监视每节电池的工作状态。
当电动汽车出现过冲或者过放等异常现象是，电池管理系统要控制相应的保护电路、给出报警信号，同时要对历史进行存档，根据这些存档可以了解每节电池的健康状况和维修信息，发挥出电池保健医生的作用。
总的来说，电池管理系统是电动汽车的心脏，集预测电池剩余电量、智能充电、安全保护于一身的系统。
1.3 电池管理技术的现状和主要问题
从前辈宝贵的研究经验中获得教训，研究人员发现生产工艺只能决定电池的初始性能，包括电池的类型、成本、有无记忆效应、环保性、电池电平等级、比能量、自放电性能、内阻、温度范围、倍率特性、电池一致性、功率密度、循环寿命、稳定性和安全性等。在使用过程中，电池性能会随着其运行状态、环境变化、老化程度等参数的变化而变化，这导致使用电池的策略要做出相应的调整，避免不合理的使用，科学管理电池。
通过电池管理系统的实时监控，包括电池电压、温度、电流、直流内阻、极化电压、SOC、最大可用容量、老化程度以及一致性等状态，可以根据这些数据提供行之有效的改良方案，即防止工作中对电池组的不当使用，又保证了其能够长久安全的工作，还能够高效使用电能，最大效率的提供车辆运行[10][11]。
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