学位论文-—纯电动赛车电池管理系统设计.docx

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50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 vehicle 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 using 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 control 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: 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344.1.1 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、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、深圳市科列技术有限公司、惠州市亿能电子有限公司、哈尔滨冠拓电源公司等生产的电池管理系统已在电动汽车上实际应用11。图1-6 北京交通大学的电池管理系统结构图图1-7 奥运会纯电动公交电池管理系统结构图1.3 课题来源与研究内容1.3.1 课题来源广西科技大学鹿山学院的LS Racing车队至组委会举办方程式汽车大赛4年来已经连续参加了四届中国大学生方程式汽车大赛。车队在积极响应大赛组委会号召，积极备战纯电动赛车比赛，按照纯电动赛车规则自行设计制作了广西第一辆纯电动赛车，在首届纯电动赛车比赛中“鹿山E1号”夺取国内第二的好成绩。本文是根据2014年中国大学生纯电动方程式汽车大赛规则要求，研究与设计一款电池管理系统对纯电动赛车车载电池进行实时监控。用于2014年“鹿山E2号”纯电动赛车，对电池的电压、温度、电流等数据实时采集，从而对电池荷电状态 SOC值的估算，充放电控制，热管理，过流、过压、过热保护，通信协议，绝缘电阻检测等要求。1.3.2 研究内容 (1)分析锂电池的工作原理，研究了锂电池充放电特性及其安全性能方面的影响因素，为“鹿山E2号”纯电动赛车车载电池的选用提供参考价值；(2)在电池SOC估算方面的研究，分析目前常用的SOC估算方法的优缺点，并结合“鹿山E2号”纯电动赛车的实际运用情况，提出综合方案，精确估算电池SOC；(3)采用C8051F340芯片为采集模块处理器，采集电池的电压、温度，进行过压、欠压、过温保护，按规则要求控制每个电池箱内的2个绝缘继电器。设计采用C8051F120作为主控模块处理器，采集电池组的总电流，进行过流保护；(4)研究电池组绝缘检测的方案，当绝缘电阻低于250/V时，需断开驱动系统并有指示灯提醒；(5)本设计使用CAN现场总线进行信息传递，并设计两路CAN（充电CAN，整车CAN）；(6)电池管理系统硬件的设计，实现对“鹿山E2号”纯电动赛车中车载电池监控和管理，应同时满足对400节以内的单体电池的监控和管理；(7)按照电池管理系统软件流程图对程序编写，由程序完成对电池的保护控制。2 锂电池及其管理系统2.1 锂电池工作原理 电动汽车上的动力储能装置是安装在电动汽车上的并能够对电能储存的一种装置12。锂离子电池具有如下优点：高比能量，高比功率，体积小，自放电率低，环保等 13。本设计的纯电动赛车上的电池系统对车载动力电池有以下要求： (1)有较强充放电能力。评定电池充放电能力的两个重要指标是比能量和比功率，这两个指标直接影响着电池的充放电能力。而电动赛车由于在赛道上的不定时加减速（经常会过载）以及快速充电能力往往要求较高的充放电能力。 (2)充放电效率。纯电动赛车中的动力电池高充放电效率是保证整个比赛的所有项目正常完成的一个重要指标。 (3)使用寿命。由于锂电池物理化学反应复杂，所以要求电池的充放电循环至少要达到1500次。 (4)容量。由于电动赛车多数比赛项目都是在赛道上动态运行，需经过各种工况下的计算确定电池的容量。 (5)稳定性。纯电动赛车中的车载电池要在各种工况条件下运行，需能够保持电池性能的稳定，保证整车的安全性。进过以上分析，我们的“鹿山E2号”纯电动赛车车载动力电使用磷酸铁锂电池。以磷酸铁锂作为正极材料的锂电池是最适合使用在电动汽车上的，磷酸铁锂电池具有安全性好、循环使用寿命长、环保、温度特性好等优点14。图2-1 LiFePO4晶体结构图图2-2 LiFePO4电池内部结构图LiFePO4电池正极充放电过程的化学反应方程式如下所示15：充电 LiFePO4 - x Li+ - x e- x FePO4 + (1-x ) LiFePO4 （1-1）放电 FePO4 + x Li+ + x e- xLiFePO4 + (1-x ) FePO4 （1-2）2.2 锂电池特性纯电动方程式赛车电池组的选择需要满足电机额定功率、赛车行驶所需的电量要足以完成比赛全部项目以及赛车动力性。选择了山东的一所新能源科技公司的质量轻、体积小、放电电流大的F1263155225P（参数见表2 ）电池作为纯电动方程式赛车的动力电池。图2-4至图2-7介绍电池的特性。图2-3 磷酸铁锂电池外形图表2 电池参数序号项目规格1型号F12-63155225P2化学成份LiFePO4 3额定容量（Ah）124最高电压（V）3.655额定电压（V）3.26最小电压（V）2.57脉冲放电电流(A)1808最大放电电流（A）1209标准放电电流（A）1210标准充电电流（A）611内阻（m2 12重量(g)37013尺寸（长*宽*高）mm155*6.3*22514循环寿命1000 次图2-4 充电特性图 图2-5 倍率放电特性图图2-6 循环使用寿命特性图 图2-7 温度放电特性图根据中国方程式汽车大赛规则和比赛现场情况可知，赛车参与的动态项目分别为：八字绕环、直线加速、耐久赛以及制动测试、动态测试，总的行驶里程累计大约为 25km。但为保证赛车能顺利完成所有的比赛项目以及考虑电池寿命、整车重量。综合考虑，我们选择使用 196个单体电池，以98串2并连接方式，组成3个电池模块分别布置在3个电池箱内，其电池组的总容量为24Ah，总额定电压为313.6V。2.3 电池管理系统结构电池管理系统（Battery Management System, BMS）由三个模块组成，有主控模块(Battery Management Unit，BMU)、采集模块(Battery Sample Unit，BSU)、显示模块(Battery Display Unit，BDU)组成。电池管理系统是通过CAN现场总线进行信息传递，实现均衡管理、对电池充放电管理、温度管理、安全管理和电池保护等功能16。电池管理系统的电池信息采集模块对单体电池的电压测量，温度监测，热管理和 CAN 现场总线通信等功能。电池管理系统的主控模块实现的是主要对电池组的总电流采集，SOC值估算，绝缘电阻检测和 CAN 现场总线通信等功能。电池管理系统目前有两种结构，即集中式电池管理系统和分布式电池管理系统 17，结构如图2-8，图2-9所示。 集中式的电池管理系统是控制模块中将所有的单体电池的采集线都接入其中，形成一个总管理控制单元，实现了对电池组的采集、分析、管理和控制功能集中在一个模块中。图2-8 集中式管理系统结构图分布式电池管理系统是将电池组进行分组，每组的电池由一个采集模块来进行对电池信息的采集和处理，充放电管理、绝缘监测管理、热管理、SOC/SOH的估算、安全管理等功能由一个主控模块实现。采集模块之间是通过内部 CAN总线进行数据信息传递，采集模块与主控模块是通过外部 CAN总线进行数据信息传递。图2-9 分布式电池管理系统结构图2.4 电池管理系统工作原理集中式电池管理系统由于不能监测每个单体电压和温度，不易布线，精度要求高，不适合电池组分箱布置。纯电动赛车必须按照中国大学生纯电动汽车大赛规则对电池组每个单体电池和30%以上电池温度进行监测，并且考虑我们的赛车的总布置，电池组需布置在3个电池箱内，便于管理系统布线，采集精度高。综合考虑，如图2-10。本文设计一款纯电动赛车BMS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。电池管理系统电池信息采集信息传输故障报警绝缘监测热管理SOC估算电压温度电流图2-10 分布式电池管理系统示意图2.4.1 C8051FX系列芯片介绍(一) C8051F340芯片的主要特性18：1. 片内有全速、非侵入式的系统调试接口；2. 电源稳压器； 3. 带模拟多路器，有10 位 ADC； 4. 片内自带温度传感和电压基准器；5. 片内两个电压比较器； 6. 12MHz 内部振荡器和 4倍时钟乘法器；7. 多达 64KB的片内 FLASH 存储器； 8. 多达 4352 字节片的RAM； 9. 硬件实现的SM Bus/ I2C、增强型UART和SPI串行接口； 10. 4个通用的16 位定时器； 11. 片内VDD监视器、上电复位和时钟丢失检测器；12. 多达 40个端口 I/O（容许 5V输入）。(二) C8051F120芯片主要特性19：1. 与8051单片机兼容的CIP-51 内核；2. 片内有全速、非侵入式的在系统调试接口；3. 12位ADC，PGA和8通道模拟多路复用器；4. 有两个12 位 DAC； 5. 2 周期16 x 16 乘法和累加引擎；6. 128KB 可在系统编程的 FLASH 存储器；7. 8448字节的片内RAM；8. 有可寻址64KB 地址空间的外部数据存储器接口；9. 5个通用的16位定时器；10. 片内温度传感器和看门狗定时器。2.4.3 设计方案本设计电池管理系统可监控电池组的运行状态:电池的电流值、电压值和温度值，并从采集到的信息来进行估算电池组的SOC值，对电池的过充、过放、过热、绝缘等故障采取相应保护措施，保证电池在运用过程中安全可靠，以延长电池的循环使用寿命。分布式的电池管理系统要由主控模块、采集模块和显示模块三部分组成。电池管理系统的采集模块主要采集单体电池的电压、温度，并控制热管理模块，过温启动风扇让电池箱内的电池散热；主控模块主要负责接收来自采集模块的数据并对其统一管理, 制定控制策略对电池过放电、过充电、过热、绝缘故障保护，并对电池的数据进行管理控制，估算电池的荷电状态(SOC)，控制BMS报警装置，所有数据都通过CAN总线进行传递，采集到的信息在可显示屏中显示，便于驾驶员观看，便于检查维护。“鹿山电动2号”纯电动赛车使用的动力电池组由98串组成，而且课题要求需监控400串单体电池。如图2-11所示，每个采集模块最多可监测36个单体电池，采集电池数量较多，可减少采集模块的数量，较容易布线。如要监控“鹿山电动2号”纯电动赛车的98串车载电池，只需3个采集模块；如要监控400串电池，也只需12个采集模块便可。图2-11 电池管理系统结构图2.4.4 控制策略对于电池管理系统：每箱电池正负极都有一个继电器，全部串联在电路里使用，过充过放保护切断时同时动作切断；箱体上对应继电器有手动指示灯开关，可以强制断开继电器。B箱和C箱的管理系统中采集模块用芯片I/O口控制箱内的继电器；A箱的一个继电器也由模块芯片I/O口控制，另外一个继电器由主控模块控制，闭合时比其它继电器要延时闭合，需要闭合主继电器时要先闭合和它并在一起的预充继电器，预充电完成后再闭合该继电器，预充电完成后会自动断开该继电器，系统每次上电都需要先预充电。对于整车：有显示屏显示采集数据，如有故障则报警或切断相应继电器。有故障时显示屏报警。当达到一级故障时，BMS通过CAN总线向整车发送一级故障信息，整车接到一级故障报警后要减功率运行或者按照协议内容做其它处理；当达到二级故障值后，BMS控制放电继电器延时3秒断开或者按照协议内容做其它处理。对于充电机：BMS与充电机通信，当达到一级故障时，BMS通过CAN总线向充电机发送一级故障信息，充电机接到一级故障报警后要减小充电电流；当达到二级故障值后，BMS控制继电器延时3秒断开。3 电池管理系统硬件设计3.1 电池信息采集模块3.1.1 电压采集电池电压的采集数据的采集精度，对SOC的精度非常重要。采用C8051F340芯片作为信息采集处理器，其芯片有10位ADC，片内有64KB FLASH 存储器，转换速率可以达到200ksps。本设计方案使用开关矩阵方法，一个C8051F340芯片最多可采集36串单体电池（若并联电池组只需监测1个单体电池即可），当采集单体电池超过36个单体电池电压采样时，可以串联多个采集模块使用，而C8051F340芯片相互独立工作。“鹿山电动2号”纯电动赛车使用的动力电池组由98串2并组成，电池组分别布置在三个电池箱内（A箱36串2并，B箱36串2并，C箱26串2并），电池组这样的布置方案，3个电池箱只需分别布置1个采集模块（即1个采集芯片C8051F340）。即使课题任务需要采集400串电池，也只需12个采集模块。本文设计的方案中使用开关矩阵的方法来测量电路的电压，由于需要采集单体电池的数目较多，可减少设计成本，测量的精度增高，但是需要结合继电器的方法。利用开关矩阵方法把每块电池的正负两极的数据采集线引出，即可测量每块电池的电压值。该设计方案结构如图3-1所示，当S1、S2、S11、S12开关均闭合时，而其它开关均断开时，即可将电池B1的两端电位分别接入C8051F340芯片中，片内自有10位的ADC，可直接测出电池端电压。采集芯片C8051F340有48个引脚，40个I/O口，20个可正负电压输入口，内部有两个可编程电压比较；当S2、S3、S11、S12开关均闭合时，而其它开关均断开时，可测电池B2的端电压。按此方法类推可测出其他9个单体电池的端电压。图3-1 开关矩阵结构图 利用开关矩阵的方法测电池电压，还需结合继电器控制开关。选用松下AQW214EH光耦继电器，该器件采用紧凑的（宽）6.4mm（长）9.86mm（高）3.2mm尺寸，它具有高灵敏度，高速度响应导通电阻极小，速度快的优点。AQW214EH光耦继电器是由低电平模拟信号控制，由两个光电隔离开关集成在芯片内，通过芯片的I/O电平控制开和关，如图3-2所示。图3-2 AQW214EH光耦继电器如果监测的电池组有m个电池时，则需要m+1个控制开关，每个控制开关需要用芯片中的1个I/O口来控制，则整个电路需要使用m+1个I/O口。本设计要求监控的电池数目比较多，显然C8051F340芯片的I/O口不够用，所以需要使用更少的I/O口来实现这一要求，现以“鹿山电动2号”纯电动赛车98串2并电池组为例说明，电池组分别布置在三个电池箱内（A箱36串2并，B箱36串2并，C箱26串2并），电池组这样的布置方案，3个电池箱只需分别布置1个采集模块，如图3-3所示。图3-3 电压采集电路图测量36串单体电池时需要37个I/O口，C8051F340芯片只有40个，并且只有20个电压正负输入I/O口，则芯片的I/O明显不够用。为提高精度，使用开关矩阵方法并且I/O口复用时，只需要占用19个I/O口。将36串电池分成4组，设计出I/O口复用的开关矩阵，如图3-4所示，第一组为19号电池，第二组为918号电池，第三组为1927号电池，第四组为2836号电池。给每个电池两端都设置一个开关（第一组S1S10，第二组S11S20， 第三组S21S30，第四组S31S40），控制对每块电池的测量选择是否闭合相对应的开关，四组的每一组电池组都需要设置一个总控制开关（第一组S41S42，第二组S43S44，第三组S45S46，第四组S47S48），哪一组总开关闭合来来选哪一组电池测量。I/O口复用的开关矩阵方法，从37个I/O口可减少至18个，大大减少了I/O口的使用量。如当测量B1号电池时，I/O1和I/O2为低电平，同时闭合S1、S2、S41、S42，其他开关均断开，则B1号电池端电压进入电压测量总线V+、V-，便可测出该电池的端电压，S41、S42继续闭合，按此方法可依次测出B1B9号电池电压值。同理，当测量B10号单体电池电压时，闭合S11、S12、S43、S44开关，其他开关均断开即可。测量其他电池时按此方法进行类似处理，可测出B1B36号电池20。按照上面的方法，每一组有n块电池串联，总共有m组，就需要n+1+2m个芯片的I/O口。节约芯片I/O口的使用，单个芯片采集到的电池更多。3.1.2 电流采集电流采集时只需要对多个锂电池串联的总电流进行采样即可，电流采样准确与否对于SOC评估有着非常重要的影响，电流采集值需要较高的采样精度。电池组的总电流使用的是闭环霍尔电流传感器（如图3-4所示）采集 21。用霍尔元器件测量信号，可以直接反映当前被测导线通过的电流大小 22。“鹿山E2号”纯电动赛车的车载动力电池最大放电电流可达240A，选用型号为LHB-300A的闭环霍尔电流传感器。霍尔电流传感器通过电磁感应得到的电压信号较小,通常只有几个mV左右,而芯片的A/D转换器对于输入端的要求是0-5V。LHB-300A闭环霍尔电流传感器将放大电路集成在传感器内部,就能够直接与芯片的A/D采样端口相匹配。霍尔传感器的输出电压为5V，所采用差分方式采集，如图3-6所示。图3-5 传感器接线示意图图3-6 电流采集电路图若测量出的电流为正时，说明电池组处于放电状态；若测量出的电流为负时，说明电池组处于充电状态。3.1.3 温度采集温度对电池容量有着重要的影响，必须合理控制电池箱内电池的温度，防止电池因为温度的问题而影响整车的性能。中国大学生纯电动汽车大赛规则要求，比赛车若使用锂电池，则电池管理系统要监测至少30%的电池温度，并且被监测的电池要在电池箱内均匀分布。如果一个温度传感器与多个单体电池直接接触，就可用该温度传感器监测多个电池。本设计对“鹿山E2号”纯电动赛车每个电池箱内36串2并电池组的温度进行测量，选用的是体积较小的数字化DS1820温度传感器。DS1820测量精度为0.5C，温度测量的范围为55125。DS1820内部自有集成的A/D转换，无需外围增加A/D转换模块。在对“鹿山电动2号”纯电动赛车电池温度采样时，以A箱36串2并电池组为例，均匀地选择电池组中的12节，接线如图3-7所示，在这12节电池中每一节表面贴装1个DS1820温度传感器，以此监测得超过30%的电池温度。图3-7 温度采集电路图3.2 充放电模块3.2.1 预充电回路系统中必须安装一个预充电电路，该电路要能在第二个绝缘继电器闭合之前为中间回路预充电至电压达到当前电池电压的 90%以上。BMS 对动力电池进行信号采集，当检测表明动力蓄电池温度等参数处于正常时，BMS 控制绝缘继电器闭合，预充电回路给高压负载进行预充电，驱动系统电路电压达到当前动力电池电压的 90%以上从而防止动力蓄电池接通瞬间产生浪涌电压，预充电动作是每次高压上电都必须进行的。 在A#电池箱中布置预充电继电器，闭合时比其它继电器要延时闭合，需要闭合主继电器时要先闭合和它并在一起的预充继电器，预充电结束后再闭合该继电器，使回路中电压值达到动力电池组的 90%以上时，预充电结束后该继电器自动断开。电池系统每次上电都需要先预充，我们选用型号 TYCO 预充电继电器EV100，预充电电路如图3-8所示。图3-8 预充电电路图3.2.2 放电回路 赛车在行驶过程发生紧急状况时，车手通过按下主舱的急停开关，可切断安全回路，由于负载两端仍有高压，此时放电回路会通过电阻和继电器，使驱动系统电压达到5秒内电压降到 40VDC 以下。放电回路其要能承受最大放电电流至少15s，放电回路如图3-9所示。5秒内有放电的高压总线从312V至40V，这是87.2。图3-9 放电回路3.2.3 充电控制根据中国大学生纯电动赛车比赛要求和为减少比赛赛车整车质量，方便、快速充电等要求，我们选用直流非车载充电机23。使用CAN总线与 BMS 进行通信的功能，从而获得电池状态参数。在电池充电过程中，可根据BMS 实时采集到的电池信息，通过管理单元动态调整充电电流。充电机是通过外挂CAN通信模块来连接CAN总线，通过CAN总线发送命令给充电机进行充电控制。BMS 依据电池当前状态，利用合理算法，将计算结果通过 CAN 传送给充电机，实现充电过程实时控制，提高充电过程的安全性和高效性，并延长了电池的循环使用寿命24 ，如图3-10所示。充电机连接后自动按以下策略充电，带 CAN 的充电机充电的过程分为 3个阶段： 1）预充电 在预充电阶段，电池管理系统控制充电机以较小的电流值进行充电。当单体电池的最低电压高于预先设置的报警值时，即转入到恒流充电阶段；如果低于预先设置的报警值时，则继续以该电流值进行充电，直到单体最低电压高于预先设置报警值时，即转入到恒流充电阶段，否则停止对电池的充电。 2）恒流充电 在恒流充电阶段，电池管理系统控制充电器进行充电时的电流值设定充电，充电电压达到预定值，即转入到恒压充电阶段。3）恒压充电 在恒压充电阶段，电池管理系统控制充电机减小输出电流直至单体最高电压低于预先设置的过压报警值时停止对电池充电，电池管理系统控制充电机以调整后的电流继续恒流充电。当恒压充电阶段里电压不再上升，并且当充电电流值减小到设置值后，结束对电池充电。图3-10 充电工作示意图3.3 CAN模块3.3.1 CAN总线简介CAN（Controller Area Network）是一种串行数据通信协议，在国际上应用最为广泛的现场总线之一 25。在汽车产业中电子控制系统被开发，线束的数量也随之增加，为减少线束的数量广泛的使用CAN总线。CAN 具有以下几种属性： 1. 报文的优先权；2. 保证延迟时间；3. 设置的灵活性；4. 时间同步的多点接收； 5. 系统宽数据的连贯性；6. 多主机； 7. 错误检测和标定 24。从成本，可靠性等方面综合考虑，选用CAN 现场总线对信息的传递 27。电池管理系统将采集到的电池信息和故障信息实时地通过CAN总线传输，然后在显示屏上显示电池信息。电池管理系统的采集模块之间内部CAN进行通信，主控模块与采集模块，主控模块与整车控制器之间外部CAN进行通信。3.3.2 CAN模块设计采用CAN现场总线的一个重要目的是为了减少线束数目，以提高整个系统的可靠性，可维护性。“鹿山电动2号”纯电动赛车CAN总线连接示意图如图3-11所示。电池管理系统将采集到的电池信息和故障信息实时地通过CAN总线进行信息传输，然后在电池管理系统液晶显示屏上显示；电池管理系统依据电池当前状态，利用合理算法，将计算结果通过 CAN 传送给充电机，实现充电过程控制；整车控制器通过CAN对整个系统信息进行整理分析，制定相应整车控制策略；PC机可通CAN实时查阅与维护故障。图3-11 CAN总线连接示意图 本文设计选用的CAN控制器为MCP2515：作为独立CAN控制器的MCP2515芯片，支持CAN总线技术要求规范，其通讯速率达到1Mb/s。MCP2515控制器与采集模块芯片、主控模块芯片的通信是通过串行接口SPI（Serial Peripheral Interface）来传递的。CAN协议引擎是MCP251