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1、 . . 不 本科毕业论文论文题目：电动汽车锂电池管理系统的设计 专业班级：电气2010 学生：指导教师：2012年5月28 日 / . . 电动汽车锂电池管理系统的设计摘要电动汽车作为传统燃油汽车的替代方案逐渐成为研究热点。但是电池与电池管理却是制约电动汽车发展的瓶颈，因为有限的续驶能量不能满足电动汽车市场化、实用化的要求。在电池自身容量已经确定的情况下，对电池组有效地监控、管理，成为延长电池组使用寿命，从而提升电动汽车续驶里程的重要手段。本文针对锂离子电池组的工作特点，详细的设计了一套功能完善的电动汽车电池管理系统。系统根据所需实现的功能，实现了对电池组与组单体的监控和管理。本文首先介绍了
2、电池管理系统的整体功能和结构，并详细说明了系统各模块的硬件设计原理。其次，建立电池管理系统部 CAN 通讯网络，实现系统各节点之间的通讯，并设计了 CAN 应用层协议，完成系统数据和命令的有效传输。此外，根据系统硬件资源，扩展独立 CAN 收发模块实现电池管理系统与整车 CAN 网络通讯。关键词： 电动汽车 电池管理系统 CAN总线 均衡充电目录第1章绪论11.1课题研究的背景11.2国外研究现状21.3课题研究容3第2章电池管理系统的硬件设计42.1电池管理系统的功能与结构42.1.1 锂离子电池的工作原理与工作特性42.1.2 电池管理系统的基本功能52.1.3 电池管理系统的结构52.2
3、系统硬件设计72.2.1 主控制板硬件设计72.2.2 采集板硬件设计15第3章电池管理系统 CAN 通讯设计203.1CAN 总线技术介绍203.2电池管理系统 CAN 通讯协议设计213.2.1 CAN 总线通讯协议简述213.2.2 CAN模块外围硬件设计223.2.3 电池管理系统部 CAN 网络应用层协议设计233.2.4 电池管理系统与整车 CAN 通讯协议27结束语29参考文献30附录：管理系统实物照片33图 例图 21电池管理系统结构图6图 22 PCA21125读时序图9图 23 MC9S12XEP100RMV1和PCA21125接口电路9图 24备用电池充电电路10图 25
4、主控板总电压采集电路11图 26主控板总电流采样电路12图 27电源滤波电路12图 28 TLE8366EV50电路设计13图 29硬件唤醒电路14图 210 CAN唤醒电路14图 211 LTC6802-2基本结构框图16图 212采样电路的设计17图 213温度传感器采样电路18图 214外部均衡电路18图 215 LTC6802-2和MC9S08DZ60电路连接19图 216 LTC6802-2读写时序图19图 31 CAN 节点的分层结构和功能22图 32 TJA1040基本通讯电路22图 33 TJA1041基本通讯电路23图 34电池管理系统部CAN网络节点24第1章 绪论1.1
5、课题研究的背景当今，传统燃油汽车在国外发达国家已经大围普与，我国的燃油汽车数量也成高速增长的趋势，一些大城市的家庭汽车拥有率已经很高。然而，面对日益减少的燃油数量和持续上涨的燃油价格，以与由于汽车尾气排放所造成的环境问题，人们希望能够找到传统燃油汽车的替代产品。目前，较为热点的研究车型包括燃料电池汽车（FCV）、混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（PEV）。电动汽车（EV）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。与传统燃机汽车相比，电动汽车具有如下优点：无污染，可以做到零排放；噪声低，电动机的噪声远小于燃机车；能源效率高，尤其适合于城市工况下频繁地起步停
6、车；能源多样化，向蓄电池充电的电力可由煤炭、风力、水力、核能、太阳能等能源转化；结构简单易维修，传动部件少，且电动机的操纵简单，无需换档。上述优点决定了电动汽车发展的优势。电动汽车的组成包括电力驱动与控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动与控制系统是电动汽车的核心，由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成，是区别于燃机汽车的最大不同点。电动汽车的其他装置基本与燃机汽车相同。目前，在驱动电机设计以与电动机的调速控制方面，技术相对较为成熟、完善，相比之下，由于动力电池的寿命短，成本高，使其成为电动汽车技术发展中的瓶颈。电池的作用是为电动汽车的驱动电动机提供电能，电
7、动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。电池是电动汽车发展的首要关键，要想较大围应用，甚至普与电动汽车，就要依靠安全、可靠、持久、低廉的电池组。目前比较看好的是镍氢电池、锂离子电池和锂聚合物电池。较其它类型的二次电池，锂离子蓄电池具有如下的优点：单体电压较高，比能量大，比功率高，自放电小，无记忆效应，循环特性好，可快速放电且效率高。这些优点使其成为较有前景的储能方案。但是，锂离子电池由于其自身的化学特性和物理特性限制，以与应用于工况下的实际要求，作为电池组串接使用的时候需要配以动力电池管理系统，以实现对电池组的监控、管理、保护和报警等功能。例如，电动汽车行使过程中电
8、池组过流放电的保护，单体电池欠压使用、过压充电等的判断和报警。因此，除了电池自身的质量提高外，使用过程中的监控和管理也是对电池组的有效保护，同样可以提高电池组的使用寿命和使用效率。此外，准确的电池荷电状态（SOC）的估算，可以对电池续驶能量做出与时、准确地预测，驾驶人员可依据此参数选择充电时机。由上可见，电池管理系统作为电动汽车技术研究当中的一个重要组成部分，也是关键部分，在电动汽车的产业化、市场化发展中起到重要的意义。因为，功能完善、荷电状态（SOC）估算准确、成本低廉的电池管理系统不仅可以为电动汽车的动力电池组提供安全良好的运行保证，还可以降低电动汽车的整车成本以普与电动汽车的大众化要求。
9、1.2 国外研究现状上世纪末开始凸现的能源问题、环境保护问题成为了社会关注的重要问题，同时也促进了电动汽车的发展。于是，具有零排放、无污染的电动汽车逐渐被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1993 年 9 月，美国政府提出了 10 年完成的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以与小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。我国在电动汽车发展
10、方面也取得了长足的进步。由国家科学技术部立项的 863 电动汽车专项取得了显著的进展。整车方面已初步形成了产品开发系统，纯电动、混合动力和燃料电池汽车功能样车均已实现。电池与电池管理是电动汽车发展的瓶颈。我国在电池管理方面才刚刚起步，在电动汽车研究水平比较发达的一些国家，他们的研究工作也不完善，电池管理还不是很成熟。如何实现无损、低损的电池充电监控、电池组工况下放电监控、避免过放电现象等，同时对电池进行实时的或定期自动检测、诊断和维护，最大限度地保证电池的可靠运行，国外都在进行研究。在德国，西门子公司在其开发的电动汽车上安装了一个电池管理系统，电动汽车充电时，电池管理系统能跟踪电池充电特性，控
11、制充电器对电池进行优化充电。法国电动汽车计划设计了一个随车电池管理系统来管理电动汽车上的电池组，进行电池寿命记录、充电监控、行驶过程中的电池组管理以与剩余电量显示等功能。日本的新能源汽车发展也非常迅速，且技术较成熟完善。本田公司在其电动汽车上安装的电池管理模块包括了管理控制模块、车载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置等。我国电池管理研究与设计方面这些年有了明显的进步。国一些工科强校都有了较成熟的设计方案。清华大学对电动汽车电池管理系统基本结构的设想中，系统由六个子电路组成：信号输入电路；V/F变换器(电压/频率变换电路)；光电隔离电路；微处理器控制电路(MCU)；输入输出电路；RS-2
12、32 串行口通信电路。航空航天大学，理工大学，交通大学，工业大学以与交通大学，同济大学等高校都对电池管理方案有了较深入的研究，电池组涉与镍氢电池，铅酸电池，锂离子电池等，都取得了长足的进步，有的设计成果已经成功装配于电动汽车样车进行实验应用。1.3 课题研究容本文研究对象为电动汽车动力电池组，研究目标为对动力电池组进行有效地监控和管理，保证电池组的使用安全。根据上述的研究目标，本文首先根据锂离子电池的化学、物理特性和电池成组后的特点，对管理方案的功能实现、拓扑结构、器件选择进行了设计并优选。最终确定了分布式的电池管理结构，系统分采集板，控制板两个部分：采集板完成对电池组单体电池参数的采集；控制
13、板负责检测主回路，以与核心计算和监控。同时，建立管理系统部 CAN 通讯网络，实现电池管理系统部数据传输；扩展 CAN 模块，使电池管理系统与整车 CAN 网络通讯。第2章 电池管理系统的硬件设计本章将具体描述电池管理系统的功能、结构以与各部分的组成。着重介绍系统各部分的硬件设计，分析硬件原理和实现功能。根据管理系统的设计结构，对系统的控制板、采集板的硬件设计分别进行了详细地说明。2.1 电池管理系统的功能与结构2.1.1 锂离子电池的工作原理与工作特性目前最常用的锂离子电池负极材料为石墨晶体，正极为锂钴氧化物（LiCoO2 ）。主要的化学反应方程为：负极反应：Li+e-+6CLiC6正极反应
14、：LiMO2Li(1-X)MO2+ xLi+ xe-总反应式：LiMO2+ 6xC Li(1-X)MO2+ xLiC6充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子，在电解液中由能量较低的正极向能量较高的负极迁移，并且锂离子和电子在负极上复合成锂原子。重新形成的锂原子插入到石墨晶体的晶状层之间。放电时，插入到石墨晶状层中的锂原子从石墨晶体部向负极表面移动，并在负极表面电离成锂离子和电子。锂离子和电子分别通过电解质和负载流向正极，在正极表面复合成锂原子，然后插入到氧化钴锂的晶状层中。在充电过程中，锂离子电池通常采用恒流转恒压的充电方式7。充电开始阶段一般以 1C的充电倍率进行
15、恒流充电，当组单体电池电压上升到设定值 4.2V时，转入恒压充电，恒压为电池组总电压，充电电流迅速下降。放电过程中，放电电流不同，同样容量的电池放电时间也不同。放电电流越小，也就是放电速率越慢，放电时间越长，反之亦成立。当环境温度为 0 摄氏度时，放电容量可以达到额定容量；高于 0 摄氏度时，放电容量高于额定容量，在 21 摄氏度时放电容量是最高的，此时电池电压下降是最慢的；电池温度过高应断电。充放电循环过程中，在环境温度为 20 摄氏度时，电池能发挥它的最大性能，实验证明经过 700次充放电循环后，电池容量仍可达到额定值的 80%以上。电池长期工作在这个温度附近是比较理想的。由上可见，电池的使用与它的电压、电流、温度，容量等各参数有关，要想最大限度地使用和利用电池放电，电池组就需要配有专门的电池管理系统对各状态参数进行有效地监控和管理。2.1.2 电池管理系统的基本功能根据锂离子电池的化学、物理特性，以与成组工作于工况下的参数限制要求，设计电池管理系统的基本功能如下：1. 电池组每节电池的单体电压、电池组固定节点的节点温度采集；电池组总电压，充、放电时总电流的采集。
