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1、 电动汽车电动汽车 BMS 中电池单体电压采集及其均衡方案研究中电池单体电压采集及其均衡方案研究 Single Battery Voltage Acquisition and Equalization Scheme in Electric Vehicle BMS 作作 者者 姓姓 名名 房 继 业 学学 位位 类类 型型 学 历 硕 士 学学 科科 专专 业业 信号与信息处理 研研 究究 方方 向向 信 号 检 测 与 处 理 系 统 导导 师师 及及 职职 称称 胡 社 教 教 授 2013 年年 4 月月 电动汽车电动汽车 BMS 中电池单体电压采集及其均衡方案研究中电池单体电压采集及其均
2、衡方案研究 摘摘 要要 能源危机和环境污染已成为全球面临的重大挑战，是制约全球经济发展的 重要因素，汽车的发展引起了能源巨大损耗，汽车尾气的排放是大气污染的主 要来源之一，也是造成全国大规模雾霾天气出现的重要原因。因此开发纯电动 汽车是满足当前“零排放”的首选方案,然而车载动力电池不仅是制约电动汽 车规模发展的技术瓶颈，而且是电动汽车价格居高不下的关键因素，开发高性 能的电池管理系统能够更有效地利用电池能量，延长电池使用寿命。 纯电动汽车动力电池组由上百节电池单体构成，电池在成组使用时，容 易发生过充与过放现象，造成电池容量及使用寿命下降，电池荷电状态（SOC） 与电压存在一定关系， 通过监视
3、电池组的单体电压， 可以估算电池的荷电状态。 电池在充放电时必须对电池电压及电池包内的温度进行监视， 根据采集到的数 据进行相应的控制策略，保持整组电池电压的一致性。 本文对电池单体电压、温度采集，均衡控制策略等核心问题进行深入研 究，分析现有的采集及均衡方案的优缺点，设计了一套单体电池电压检测及均 衡方案，实现了对电池电压自动检测及均衡功能，并同时能保持电池包内的温 度在合理范围内。 系统选用 FreeScale 公司 CPU 作为主控制器， 相继完成了系统硬件电路设 计、PCB 绘制，并在 CodeWarrier 开发环境下用 C 语言编写了底层软件驱动程 序。最后完成了测控板（电压、温度
4、采集及控制电路板）软硬件的调试工作， 并且能通过搭建的系统测试平台直观地监测到系统接收数据的变化情况、 故障 判断等信息，验证了整个系统的可靠性。 关键词关键词: 电动汽车，电池管理系统，电池电压采集，电池均衡 Single Battery Voltage Acquisition and Equalization Scheme in Electric Vehicle BMS ABSTRACT The energy crisis and environmental pollution have become a global significant challenges, and they ar
5、e also the important factors that restrict the development of the global economy. The development of the car caused the huge energy loss, The exhaust automobile emissions is one of the main source of air pollution, and is also the important cause of the national large-scale haze weather. So the deve
6、lopment of the pure electric vehicles is the preferred options to meet the “zero emissions“ in current. However, vehicle power battery is not only the technology bottleneck to restrict the development of the scale for electric automobile, but also is the key factor for the high price of the electric
7、 vehicle. With the development of the battery management system of high performance, we can use the battery power more effectively and extend the battery life as well. The pure electric vehicle power battery consists of hundreds of single battery. When the battery used in groups, it is prone to char
8、ge or discharge, which causes the loss of the battery capacity and the service life. There is a certain relationship between the state of the battery charged (SOC) and voltage, we can estimate the state of the charged battery by monitoring the single battery voltage. During charging or discharging t
9、he Battery, the battery voltage and the temperature in the battery pack must be monitored, so we can implement the corresponding control strategy according to the data collected, and maintain the consistency of the whole battery voltage . This paper have made in-depth analysis and design of the the
10、core issues such as the single battery voltage, the temperature acquisition and the equalization control strategy. With the analysis of the advantages and disadvantages of the existing collection and equalization scheme, this paper designed a set of solution for the single battery voltage detection
11、and equalization, which can realize the function of automatic detection and equalization for the battery voltage, and keep the temperature inside the battery pack in a reasonable range as well. The system used the CPU of FreeScale company as the main controller, and hardware circuit design, PCB draw
12、ing were successively completed. The underlying software driver was completed in CodeWarrier development environment using C language. Finally the Monitoring and control board(voltage, temperature acquisition and control circuit board) was debugged, and we can intuitively monitor the data system rec
13、eived and troubleshooting information through constructing system test platform, and verify the reliability of the whole system. Keywords: Electric vehicles, Battery management system, Battery voltage acquisition, Battery equalization 致致 谢谢 时光荏苒，三年的研究生学习即将结束。在这三年的时间里，我是幸运的， 因为我收获了很多：有专业知识，也有课外实践；有做人
14、哲学，也有处世之道； 有独立解难的能力，也有团队合作的快乐；有终生难忘的师恩，也有融洽和谐 的友情。这一切都是我人生中值得珍惜、值得回味的宝贵财富。在此，我满怀 感激之情，向所有带给我这些宝贵财富的人送出我真挚的谢意。 首先，我要特别感谢我的导师胡社教教授。他为人师表，学识渊博， 工作作风严谨，正是在他的严格要求和悉心指导下，我顺利完成了这篇硕士论 文；也正是在他的高瞻远瞩和关心帮助下，我顺利完成了研究生阶段的学习。 非常感谢胡老师为我提供了广阔的舞台和锻炼的机会，他的教导使我终生受 益，这份师恩，我将永远铭记，永远感激。 其次，还要感谢实验室的刘勤勤老师、牛朝老师、张勇老师对我的学习和工作
15、上的帮助，这些老师都是我学习的良师和榜样。感谢俞秀文、贾琳、郭强、魏星刚 同学在学习和生活上对我的热心帮助，感谢实验室全体同学平时给予的帮助。 最后，我要感谢我的家人。家人们对我永远无私的爱，无微不至的关怀， 让我时刻都感到非常温暖和贴心。他们对我的支持和鼓励是我以前以及今后工 作和学习的动力，是我奋进和拼搏的力量源泉。在此，我怀着一颗万分感恩的 心，衷心祝愿我的家人们身体健康，永远快乐！我将用未来的努力来回报他们 对我的爱！ 作者：房继业 2013 年 4 月 6 日 目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 . 1 1.1 论文研究背景及意义 1 1.2 电动汽车 BMS 中电池电压采集及均衡的
16、国内外研究现状 . 2 1.2.1 电动汽车电池管理系统国内外研究现状 . 2 1.2.2 单体电压采集及均衡研究现状 . 4 1.3 本课题主要研究内容及结构安排 5 1.3.1 课题研究的主要内容 . 5 1.3.2 文章结构安排 . 5 1.4 本章小结 . 6 第二章第二章 电压采集及均衡原理电压采集及均衡原理 7 2.1 锂离子电池特性分析 . 7 2.1.1 锂离子电池简介 . 7 2.1.2 锂离子电池充放电过程 . 8 2.1.3 锂离子电池主要性能指标 . 8 2.2 电池管理系统设计 . 10 2.3 单体电池电压检测及均衡 12 2.3.1 单体电池电压检测方案 12 2.3.2 电池组的均衡 13 2.4 测控板设计 15 2.5 本章小结 . 16 第三章第三章 BMS 中单体电压采集及均衡的硬件电路设计中单体电压采集及均衡的硬件电路设计 . 17 3.1 测控板硬件电路总体设计 17 3.2 系统电源电路设计 18 3.3 系统控制芯片模块电路设计 19
