【正文】 處理 .......................................................................................... 29 誤差分析 ........................................................................................................ 30 4 測控系統(tǒng)的非線性 ............................................................................... 30 系統(tǒng)工作環(huán)境的噪聲 ............................................................................ 31 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ...................................................................................... 31 誤差處理 ........................................................................................................ 32 實測電壓數(shù)據(jù)分析 ............................................................................... 32 整機 PCB板設(shè)計 ................................................................................... 33 第六章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................ 35 總結(jié) ................................................................................................................. 35 展望 ................................................................................................................. 35 參考文獻 ........................................................................................................................ 36 致 謝 ........................................................................................................................... 37 5 第一章 前言 本課題研究的目的和意義 隨著世界工業(yè)經(jīng)濟的 不斷 發(fā)展 和 人 類需求的不斷增長，對全球 氣候 造成嚴重的影響 ，二氧化碳排放量 增大 ，臭氧層遭受 到破壞等。 全球災(zāi)難性氣候 變化屢屢出現(xiàn)，嚴重危害到人類的生存環(huán)境和健康 。 面對全球氣候變化，急需世界各國協(xié)同減低或控制 二氧化碳 排放 ，這樣 以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的 “低碳經(jīng)濟”概念應(yīng)運而生， 是人類社會繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進步。 。 “ 低碳經(jīng)濟 ” 的實質(zhì)是高能源利用效率和清潔能源結(jié)構(gòu)、追求綠色 GDP 的 技術(shù) ，核心是能源技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和人類生存發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn)變。 我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車持有量隨 著經(jīng)濟的增長越來越大，產(chǎn)生的廢氣就會隨之增多，這樣就有悖于當今國際國內(nèi)倡導(dǎo)的“低碳經(jīng)濟”。因此，新時代 的汽車產(chǎn)業(yè) 也 明確 提出了“綠色能源汽車”的環(huán)保概念，逐漸成為全球 各大汽車企業(yè)面對的主要發(fā)展方向。 在降低碳排放量，保護地球生態(tài)環(huán)境的國際大背景下，中國政府也明令提出 ” 低碳減排 ” ，從而實現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”的持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 電動車被認為是傳統(tǒng)汽車向氫燃料電池車過渡過程中的最佳解決方案 。 而在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域被外資 “ 欺負 ” 了幾十年之后，中國希望在電動車領(lǐng)域找到出口，扮演新一輪汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流的領(lǐng)導(dǎo)者。 電動汽車從動力系統(tǒng)提供能 源的角度來分類 ， 主要分為純電動 、 混合動力和燃料電池汽車 。 純電動汽車主要是由動力電池提供能源 ， 目前還處于研究試用階段 ，還不能進行大規(guī)模的推廣和使用。 不論是從經(jīng)濟性、方便性和制造難度上來講，純電池動力車的優(yōu)勢都是比較明顯的。驅(qū)動電池動力車的主要動力來源于多級串聯(lián)的鋰電池，但是由于電池個體差異相差比較大，每個電瓶的工作狀態(tài)、性能指標也各不相同，給綠色能源汽車的管理帶來很大的不便。 因此設(shè)計一種綠色能源汽車的各種運行數(shù)據(jù)特別是多級鋰電池進行監(jiān)測、管理的系統(tǒng)是十分有必要的。而本論文所描述的設(shè)計就是實現(xiàn)上述功能的車載數(shù) 據(jù)采集管6 理系統(tǒng)。 綠色能源電動車需要由多級串聯(lián)的鋰電池為其提供動力，但由于電壓的串聯(lián)疊加導(dǎo)致正極處具有非常高的浮電壓，可達到 300V 以上。而普通的檢測儀器輸入端口的耐壓值一般在 5V 左右，很難滿足車載電池的監(jiān)測和采集，更無法實現(xiàn)對多級電池的動態(tài)監(jiān)測，判別出個體電池的工作狀態(tài)。 本文中所涉及的基于 CAN 總線的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用 STM32F103VB作為系統(tǒng)的核心芯片，通過芯片自帶的 12 位 ADC 對端口電壓分別進行采集和監(jiān)測，并通過 CAN 網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車儀表盤，為車輛數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測提供數(shù)據(jù)來源 。對 于該課題內(nèi)容的研究，可以實現(xiàn)對車輛行駛過程中各類參數(shù)（如車速、電池電壓、剎車信號等）的動態(tài)采集和分析。 總體框圖如圖 11所示。 車 輛 行 駛 的 各 種 參 數(shù)中 央 處 理 器（ S T M 3 2 F 1 0 3 B ）汽 車 儀 表 盤信 號 采 集 C A N 口 傳 輸 圖 11 采集系統(tǒng)總體框圖 如示意圖所示，用戶無需對各個參數(shù)進行獨立的測量，實現(xiàn)各種參數(shù)的集中式管理。特別是該系統(tǒng)利用較少的接口實現(xiàn)了對多塊電池電壓的實時智能監(jiān)控，很大程度上減輕了車輛管理人員的負擔(dān)。 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 作為 電動汽車的三大核心技術(shù)之一 的 車載 電池 系統(tǒng)， 從功能上來看類似于 傳統(tǒng)汽車 中的 的發(fā)動機，是電動汽車的 “ 心臟 ” ， 也 是電動汽車惟一的動力來源。車載 電池管理 系統(tǒng)的技術(shù)水平直接關(guān)系到電動汽車的質(zhì)量與安全性。而 電池 管理系統(tǒng)是這一核心技術(shù)的重要組成部分。由于 綠色能源汽 車 一般都采用多級串聯(lián)的鋰電池作為車輛的主要 動力系統(tǒng)， 一般 由幾十只甚至數(shù)百只單體電池組成 。而 電池的一直性 和 均衡性 則 關(guān)系到電池的壽命和安全 ，對車輛的動力也有至關(guān)重要的影響 。 目前，影響電動汽車推廣應(yīng)用的主要因素包括動力電池的安全性和使用成本問題，延長電池的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。 電池 管理系統(tǒng)的功能是要監(jiān)測每一只電池的狀態(tài)和 電池組的電量、健康度及高壓漏電檢測，要保證7 這幾百只電池的均衡性，其重要性顯而易見。 為確保電池性能良好，延長電池使用壽命，必須對電池進行合理有效的管理和控制，為此，國內(nèi)外均投入大量的人力物力開展廣泛深入的研究。 無論是汽車整車企業(yè)還是電池生產(chǎn)企業(yè)，都已認識到能源管理系統(tǒng)的重要性，也非常重視這一技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用 。 隨著綠色能源汽車的興起和推廣， 國內(nèi)外已經(jīng)有部分科研機構(gòu)開始著手對車載電池管理系統(tǒng)進行研究和開發(fā)。 國內(nèi) 對于車載電池管理系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，如同濟大學(xué) 與來自北美的芯片開發(fā)商凹凸科技 ((O2 Micro))建立了汽車電子應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合實驗室 ,將凹凸科技的芯片應(yīng)用于為超越系列燃料電池汽車研發(fā)的燃料電池和儲能電池管理系統(tǒng)。該實驗室與上汽集團等聯(lián)合開發(fā)的電池管理系統(tǒng)目前已 初步試運行 在上海世博會的燃料電池汽車系統(tǒng)中。 雖然類似的有關(guān)車載數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)的設(shè)計方法比較多，但大多數(shù)的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是針對部分參數(shù)進行小規(guī)模的集中管理。還不能適應(yīng)全車數(shù)據(jù)的便攜式采集和整車數(shù)據(jù)的動態(tài)分析。而本課題中還需要實現(xiàn)對多塊電池的智能管理，目前市場上同類產(chǎn)品的研發(fā)還比較缺乏。 在國際上，也有不少發(fā)達國家對該課題進行了深入的研究，并取得了 一些成果。如 日本青森工業(yè)研究中心從 1997 年開始至今，仍在持續(xù)進行電池管理系統(tǒng) 實際應(yīng)用的研究；美國 Villanova 大學(xué)和 USNanocorp 公司已經(jīng)合作多年對各種類型的電池 SOC 進行基于模糊邏輯的預(yù)測；豐田、本田以及通用汽車公司等都把 電池管理系統(tǒng) 納入技術(shù)開發(fā)的重點。 但由于這些產(chǎn)品價格昂貴，適用領(lǐng)域有所限制，知識產(chǎn)權(quán)等問題，不適合于在國內(nèi)進行大范圍的推廣和使用。 本論文研究的主要工作 綜合國內(nèi)外的在電池管理系統(tǒng)上的情況，開發(fā)一套適用范圍廣、使用簡單方便、價格低廉的系統(tǒng)，給廣大電瓶車用戶的帶 來實惠的同時，也對降低傳統(tǒng)能源的消耗，減低碳排放起到了重大的作用。 在本課題的研究過程中，閱讀了大量的書籍和參考文獻，并深入汽車生產(chǎn)單位進行實地考察和調(diào)研，充分對本課題的可行性進行分析。 在硬件設(shè)計方面，根據(jù)前期論證的基礎(chǔ)，對整個車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了詳細的硬件電路設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析完成了元器件的選型和原理圖和8 PCB 板的設(shè)計工作，并對電路板進行了初步的功能調(diào)試。 在軟件設(shè)計方面，在 Keil 軟件平臺上完成了嵌入式單片機 STM32F103B 的程序設(shè)計，實現(xiàn)對車載多級串聯(lián)鋰電池、電池溫度、車速等數(shù)據(jù)的 監(jiān)測、采集和分析。以軟件流程圖的方式將系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計與軟件代碼結(jié)合起來，實軟件程序的編寫和測試。 9 第二章 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的原理 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能概述 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際上就是一套電動汽車的電池管理系統(tǒng)，它主要是對電池系統(tǒng)中的幾十塊甚至是上百塊電池進行有效地管理。對電池組中的每一塊電池的電量、溫度進行有效地檢測，以及檢查某一塊電池是否低電量、是否有故障，防止因某一塊電池電量過低或者出現(xiàn)故障而不能正常工作導(dǎo)致整個電池系統(tǒng)崩潰的情況發(fā)生。 表 、傳 感器采集信號和執(zhí)行器件 。 表 21 電池管理系統(tǒng)的主要模塊 電池管理系統(tǒng) 模塊 功能 傳感器采集 的信號 執(zhí)行器件 電池保護模塊 防止電池過充、 過放、過流 電壓、電流 充電機及電機功率轉(zhuǎn)換器 電池檢測模塊 監(jiān)測蓄電池的 工作狀態(tài)狀 電壓、電流、 溫度 顯示裝置 SOC 模塊 預(yù)測電池的 SOC 值 電壓、電流、 溫度 顯示裝置 均衡充放電模塊 對電池的充放電 進行均衡管理 電壓、電流 均衡裝置 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這樣一個電池管理系統(tǒng)對電動車電池組進行管理， 電池的電壓、容量、溫度參數(shù)進行檢測 。 比如電池低電量、電池溫度過高、使用時間過長以及短路等會導(dǎo)致電動車無法正常行駛的因素在即將發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生的危險信號等，可以起到報警作用，便于人們及時排除故障。 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)除了對電動車的電池系統(tǒng)進行有效地管理以外， 其他的功能還有能準確且及時檢測車輛系統(tǒng)的參數(shù)如 :發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開10 度、剎車、水溫、真空度、擋位、空調(diào)狀態(tài)、鑰匙狀態(tài)、離合器狀態(tài)等 ,并通過總線傳送給多能源管理單元 ,多能源管理單元以此作為決策依據(jù) . 因此 ,此系統(tǒng)可以作為整輛汽車系統(tǒng)的眼睛 . 綜上所述，車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的主要工作原理 可簡單歸納為：數(shù)據(jù)采 集電路首先采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，再由電子控制單元 (ECU)進行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息 。 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種新型且性能比較好的電池管理系統(tǒng)， 選用的是集成了 CAN 控制器模塊 STM32芯片平臺的 微控制器 ，建立在一塊 PCB板的嵌入式單片機。嵌入式系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分，由于其低功耗，體積小，集成度高等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng) 由性能較高的微處理器為核心 ,配合大 容量的程序和數(shù)據(jù)存存器及總線接口構(gòu)成 ,由此它能對從總線上傳來的系統(tǒng)信息進行迅速處理 ,大容量的數(shù)據(jù)存儲器中存放了系統(tǒng)運行最佳狀態(tài)參數(shù) ,這樣處理器就能及時并精確按控制策略對采集到的電池數(shù)據(jù)變量進行分析并處理。 本論文所描述的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要 由微處理器、開關(guān)量接口、 ADC轉(zhuǎn)換、頻率變換及 CAN總線接口構(gòu)成 。 電池管理單元由高性能 32位的，基于 ARM核的較高級的微處理器和必要的外圍電路構(gòu)成 ,采集 系統(tǒng)收集各電池的當前狀態(tài)參數(shù) (電壓、容量、溫度 ) ,并將這些信息進行處理后通過 CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)