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1、 毕业设计（论文）题 目：纯电动赛车电池管理系统设计 系 别： 汽车工程系 专业班级： 汽服102班 二一四年四月三十日51摘要中国大学生纯电动汽车大赛（简称“FSEC”）规则要求电池管理系统（Battery Management System, BMS）对车载动力电池进行实时监控，保障车载动力电池的安全性，延长动力电池的使用寿命的作用。本文设计一款基于芯片C8051F340的锂电池状态采集模块，采用C8051F120对信息分析整理的主控模块，并通过CAN总线进行信息传递的纯电动赛车BMS。该BMS能实现对电池电压、电流、温度进行数据采集，电池SOC估算，充电管理，绝缘监测，并对采集信息进行分
2、析管理，制定控制策略避免电池运行中过放、过充、过热等功能。本设计满足中国大学生纯电动汽车大赛要求，在赛车上实车运用，为制造新一代赛车提供数据与试验价值。 关键字：FSEC；电池管理系统；采集模块；主控模块；CANAbstractFormula Student Electric China (referred to as FSEC) is evolved in the Formula Student China (referred to as FSC) basis. Chinese college students Contest rules require pure electric vehi
3、cle battery management system (Battery Management System, BMS) on-board real-time monitoring of battery safety, protection of battery safety, enhance the role of battery life. This paper designs a pure electric car lithium BMS C8051F340 chip-based acquisition module status, information analysis usin
4、g C8051F120 finishing the master module and the transmission of information via the CAN bus. The BMS can realize the battery voltage, current, temperature data acquisition, SOC estimation, insulation monitoring and other functions, the management of the collected information is analyzed to develop c
5、ontrol strategies to avoid battery run over discharge, overcharge, overheating. The design meet Chinese college students pure electric vehicle competition requirements on the use of real car racing, to provide data for the manufacturing and testing the value of a new generation of racing. Key Words:
6、 FSEC；battery management system；acquisition module；master control module；CAN目录摘要IAbstractII1 绪论11.1背景和意义11.1.1 电动汽车的发展背景11.1.2 大学生方程式汽车大赛11.1.3纯电动赛车21.2研究现状31.2.1电池管理系统研究意义31.2.2国内外电池管理系统研究现状41.3课题来源与研究内容61.3.1课题来源61.3.2研究内容62锂电池及其管理系统82.1锂电池工作原理82.2锂电池特性92.3电池管理系统结构112.4电池管理系统工作原理122.4.1 C8051FX系列芯
7、片介绍132.4.3 设计方案142.4.4 控制策略153电池管理系统硬件设计163.1 电池信息采集模块163.1.1电压采集163.1.2电流采集193.1.3温度采集203.2 充放电模块203.2.1 预充电回路203.2.2 放电回路213.2.3 充电控制223.3CAN模块233.3.1 CAN总线简介233.3.2 CAN模块设计243.4绝缘监测模块253.5 热管理模块263.6 显示模块283.7SOC估算293.7.1 SOC定义293.7.2 常用估算SOC的方法303.7.3 本文设计估算方法313.8 告警电路设计323.9 保护功能324电池管理系统软件设计3
8、44.1.1 采集模块程序设计344.1.2 主控模块程序设计355系统实验与验证366 总结与展望386.1 总结386.2 展望39参考文献40致谢42附录431 绪论1.1 背景和意义1.1.1 电动汽车的发展背景 近几年来，随着我国的汽车行业发展速度的迅猛，我国已经发展成为了世界的第三大汽车消费国和世界的第四大汽车生产国1。随着国际能源危机的加剧，环境保护意识的增加，电动汽车替代传统的燃油车已成为现代化发展的必然趋势2。由于我国石油短缺，大部分靠进口的现状，使得电动汽车替代传统的燃油车的趋势尤为突出3。国内电动汽车的研究开发技术与国外的差距还不大，最近几年，德、美、日、英等国，政府都动
9、用了行政手段，制定和出台了各自符合本国国情的电动汽车的促进政策。相继美国、日本、德国、巴西、英国、法国，中国也出台符合本国国情的系能源扶持政策4。图1-1 电动汽车结构图1.1.2 大学生方程式汽车大赛1979年，大学生方程式汽车大赛由美国汽车工程师协会(SAE)首次创办，然而中国跟进国际脚步和根据本国国情，2010，在上海举办的第一届中国大学生方程式（简称“中国FSC”），至2013已连续举办了四届大学生方程式汽车大赛。第一届到第三届年在上海国际赛车场成功举办，2013年的第四届赛事第一次在湖北襄阳市成功举办。中国FSC目的在于培养国内的优秀汽车人才，提供竞赛平台，提升参赛队员的各方面综合素
10、质，为中国的汽车产业长期发展积蓄人才5。 图1-2 2013年中国大学生方程式汽车大赛现场图1.1.3 纯电动赛车大学生纯电动汽车大赛是基于大学生方程式汽车大赛上发展而来的，而中国纯电动赛车比赛是基于中国前三届大学生方程式汽车大赛比赛经验和成功举办而提出的同类型方程式汽车比赛，旨在促进能源节约和环境保护，促进中国新能源汽车的快速发展。纯电动赛车比赛项目包含静态项目和动态项目两类6。各项目分数值分配如表1： 表1-1 大学生纯电动汽车大赛项目分值分配表项目内容分值静态项目营销报告75赛车设计150制造成本分析100动态项目高速避障测试75直线加速测试758字绕环测试100经济性测试100耐久性测
11、试325总分1000广西科技大学鹿山学院LS Racing车队作为国内首支独立学院大学生车队，而“鹿山E1号”赛车作为广西首辆纯电动方程式比赛赛车，在襄阳市的2013第一届中国大学生纯电动汽车比赛上，广西科技大学鹿山学院的LS Racing车队设计与制造的“鹿山E1号”，在国内和国外大学中脱颖而出，并获得国内第二名的好成绩。图1-3 FSEC纯电动赛车模型图1.2 研究现状1.2.1 电池管理系统研究意义由于电池的特性，在使用过程中需要对其进行实时监控管理，其管理系统的研究伴随而来。电池管理系统（BMS）是通过实时对电池工作有运行信息的采集，信息分析管理后对电池组的SOC估算，对电池过放、过充
12、、过热等保护7。电池管理系统对于电池组的安全使用，制动控制策略起到保障电池组的安全性能，并能延长电池组的使用寿命，已经成为电动汽车的关键组成部分之一。在电动汽车的迅速发展上，设计开发BMS来管理电池，以延长电池的循环使用寿命，实时监控电池的安全运行情况是研究的主要方向。参加中国大学生纯电动汽车大赛，其规则中要求当电池在充电和放电均需BMS对电池进行实时监控，所以我们的BMS按照大赛规则要求来设计。中国大学生纯电动汽车大赛规则中要求：1、驱动系统工作或动力电池充电时，电池管理系统需对动力电池进行实时监控。电池管理系统持续测量每块电池电压，从而保证电压处于动力电池的参数表中合理数值。如果电池组是并
13、联电路，则只需要测量一个电池单体的电压既可；2、电池管理系统持续测量动力电池的临界温度值； 3、电池管理系统需要对电池组30%以上的单体电池进行温度监测，被监控的电池需均匀的分布在电池箱内；4、电池管理系统检测电池达到临界温度值，驱动系统必须立即断开 6。综合以上要求，考虑到车载电池箱的布局和结合比赛赛事规则要求，每个电池堆电压不能超过 120V DC，同时需要对不少于30%的电池单体（均布于电池箱内）进行温度监测。1.2.2 国内外电池管理系统研究现状国外随着政府扶持和电动汽车研究的升温，各大产商对电池作了大量的实验和数学模型，成功开发许多BMS在实车运用。有许多外国优秀管理系统设计：德国研
14、究者设计的BADICHEQ 系统和 BATTMAN 系统；美国研究者设计的BATOPT管理系统、Smart Guard 系统（如图1-4）和通用汽车公司EV1电池管理系统（如图1-5） 8。这些国家在电动汽车研究上起步较早，给后期研究有非常大借鉴。国外芯片公司已经相继推出了一系列的电池控制芯片，在实现智能化管理的要求下，逐步走上智能化电池管理道路。图1-4 Smart Guard管理系统实物图图1-5 EV1电池管理系统实物图国内对电池的管理系统研究还是刚起步时期，现在暂时主要还是借助各大高校的科技力量与电池产商和汽车生产商共同研究开发，取得了许多的成果和突破。北京交通大学研发的电池管理系统结构如图1-6，于2002年12月通过科技部验收，能够实现对电池的运行状态监控、SOC估计和均衡充电等功能；2008 年奥运会运用的纯电动公交车上使用的电池管理系统9，结构图如1-7，就是由北京理工大学、北京交通大学、中信国安盟固利和北京京华客车厂等单位校企联合成功研制，为举办“绿色奥运，科技奥运”做出了巨大贡献10。另外，还有我国的电池管理系统供应商设计生产的产品，如安徽力高新能源技术公司、深圳市
