【正文】 學 院： 軟件學院 系 專 業(yè)： 軟件工程 班 級： 05 級嵌入式 7 班 學 號： 8000105008 學生姓名： 曹銘 指導教師： 黃菊花 教授 起訖日期： I 電動汽車電池管理系統(tǒng)設計 專業(yè) :軟件工程 學號 :8000105008 姓名 :曹銘 指導教師 :黃菊花 摘 要 隨著電動汽車的快速發(fā)展，它的能量源 — 動力電池組，成了電動汽車發(fā)展的瓶頸。電池技術和電池能量管理系統(tǒng) (BMS)的研究成為解決這一問題的關鍵，越來越受到人們的關注。 系統(tǒng)以 單片機 為控制核心，采用分布式網絡控制系統(tǒng)結構， 一級保護板 可以實時檢測動力電池 的各種運行參數和狀態(tài)：電池 SOC、單體電壓、單體溫度、單路電流、總電流、總電壓； 二級保護板實現了 剩余電量的計算 、 電池 組 狀態(tài)的判斷 和組間均衡控制以及 故障時報警等相關功能 。 最后，將 磷酸鐵鋰電池與設計的軟硬件系統(tǒng)聯合進行調試、并在電動 車上安裝測試 。 關鍵詞： 電動汽車 ； 電池管理系統(tǒng) ； CAN 總線 ； MCU； FPGA II Electric vehicle battery management system Abstract With the rapid development of electric vehicles, and its energy source Power Battery Group has bee the bottleneck of the development of electric vehicles. Battery technology and battery management system (BMS) research has bee the key to solve this problem, more and more attention. In this paper, the stability of the current performance of lithium iron phosphate power battery designed for electric vehicle battery management system. Singlechip control system to the core, the use of distributed work control system, the protection of boardlevel power batteries can be realtime detection of a variety of operating parameters and status: the battery SOC, single voltage, single temperature, singlechannel current, the total current, the total voltage。經過長時間的大規(guī)模開采，石油資源日漸枯竭，按科學家預測，地球上石油資源如果按目前的消耗水平，僅僅可維持 60~100 年左右。 電動汽車是指全部或部分由電能驅動電機作為動力系統(tǒng)的汽車，包括純電動汽車 EV(Electric Vehicle)，混合動力電動汽車 HEV(Hybrid Vehicle)和燃料電池汽車 FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)三種類型 。 1881 年 法國人 Gustav Trouve 第一次應用鉛酸電池（二次電池）制成了電動汽車 ， 并 在巴黎舉辦的國際電器展覽會上 展出，成為歷史上第一輛電動車輛。培里也合作組裝了一輛三輪電動車。1899 年法國人 La Jamais Contecte 創(chuàng)造的電動汽車時速為 106Km,打破了當時的世界汽車最高車速的紀錄 。從以上可以看出，電動汽車在 19世紀末和 20 世紀初曾有過一段輝煌的歷史 [1]。這個時期的電動汽車經具備了現代汽車的雛形，電動汽車的性能也得到了極大的提高，電機效率提高到 80%90%。這一時期，電動汽車在技術上獲得了極大的發(fā)展，電動汽車的品種層出不窮。 進入 20 世紀以后，由于 大量發(fā)現油田，石油開采提煉和內燃機技術的迅速進步，電動汽車則由于電池技術進步緩慢，在性能、價格等方面都難以與燃油汽車競爭而逐步被燃油汽車取代。 20 世紀 70 年代以來的石油危機又喚起人類對有限石油資源的關注，電動汽車的研究有重新受到重視，成為“熱點”。 國內外發(fā)展概況 近 幾十年來 ，三分汽車天下的美、日、歐洲國家的 80 多家公司 (其中有美國的福特、通用汽車、克萊斯勒公司，日本的豐田、日產、本田公司，法國的雷 諾、標致、雪鐵龍公司，意大利的菲亞特公司以及瑞士的荷拉奇和埃蘇拉公司等 )不惜投入巨額資金，研究開發(fā)新一代電動汽車。此后，美國國會和地方政府制定了一系列強制性法規(guī)和政策，特別是 1990 年 9 月美國加利福尼亞州大氣資源局頒布了對全球普及電動汽車有著重要影響的“加州立法”，規(guī)定在該立法正式生效的 1998 年加州境內銷售的零排放汽車要占汽車銷售總額的 2%，在 2020 年要達到 10%。法國雷諾在巴黎車展 2020 上展出了電動汽車概念車“ . Concept”。該車的目標是通過高效控制車燈及空調等能耗大的車載設備，實現環(huán)保及舒適性能。據悉，克萊斯勒將選擇其中一款在 2020 年投產，漸次推向北美和歐洲市場。 國際上涌動的電動汽車熱，為我國汽車工業(yè)實現技術跨越發(fā)展提供了空前的機遇。這意味著以汽車工業(yè)為國民經濟支柱的世界發(fā)達國6 家的工業(yè)體系面臨著重大的調整，選擇 發(fā)展電動汽車為我國汽車工業(yè)發(fā)展的新的增長點，對于改變我國汽車工業(yè)的落伍狀況、促進經濟發(fā)展、增強國 家實力具有現實的戰(zhàn)略意義，而不僅僅只是環(huán)境保護和節(jié)約能源的問題。奇瑞汽車有限公司長期致力于純電動轎車的研究開發(fā)工作，并與上海交通大學等國內十多家單位共同承擔了國家863 電動汽車重大專項“ QP 純電動轎車”項目。天津市清源電動車輛有限責任公司和一汽天津夏利股份有限公司牽頭，中國汽車技術研究中心、天津大學、天津和平海灣公司和天津藍天高科公司等十幾個單位共同承擔的國家 863 計劃一電動汽車重大專項純電動轎車項目，該項目在全國首批開發(fā)了 5 輛國際先進水平的純電動轎車，并將在兩年內實現產業(yè)化。這標志比亞迪電動汽車產業(yè)化的大幕已逐步開啟。 2020 北京奧運會期間為彰顯“綠色奧運、科技奧運、人文奧運”理念，北京市兌現了自己的承諾，實現了電動汽車的規(guī)?；瘧?，投入了 50 輛純電動大客車，做到了奧林匹克公園核心區(qū)內的零排放。 電池管理系統(tǒng)概述 電池管理系統(tǒng)的意義 電池管理系統(tǒng) (battery management system /BMS)是用來對蓄電池組進行安全監(jiān)控及有效管理，提高蓄電池的使用效率，達到增加續(xù)駛里程，延長其使用壽命，降低運行成本的目的，進一步提高電池組的可靠性，已經成為電動汽車的不可少的核心部件。如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動汽車的關鍵技術之一，而拋開純單體電池的性能不談，降低電池造價以及提高電池系統(tǒng)的管理水平也是提高電動汽車整體競爭力的關鍵因素。一方面是隨著電池技術的發(fā)展，提高單體電池的7 性能 指標和一致性；另一方面就是提高電池管理水平，建立完善可靠的電池管理系統(tǒng)。 電池管理系統(tǒng)的 現狀 隨著近幾年電動汽車研究和應用的不斷升溫，國外一些大的汽車生產企業(yè)和蓄 電池生產廠家針對各種電動汽車車載電池作了大量研究及試驗，構建出了各自的數學模型，成功地開發(fā)出電池管理系統(tǒng)，并在車上試用。德國 BATTMAN系統(tǒng) 。 通用汽車公司推出的“ EVI”電池管理系統(tǒng)采用了一個微型計算機對電池組進行管理，監(jiān)測和控制蓄電池的充放電工作狀態(tài)，預測蓄電池組的荷電狀態(tài)和剩余能量。電池組電流采用分流采樣 。 2. SmartGuard系統(tǒng) SmartGuard系統(tǒng)主要特點是在電池上裝有一分布式的管理裝置來測量電池的電壓和溫度。 3. BADICOaCH系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主要特點是在每個電池單元上有一非線性電路來測量電壓，并將電池組各個單元電壓通過一條信號線傳輸給 BADICOaCH系統(tǒng) 。對最近 24個充放電周期的詳細數據進行存儲，根據該數據對電池工作狀況好壞做出判斷，并快速查找電池基本信息和錯誤使用情況。 5. BatOPt系統(tǒng) 該系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)，有中心控制單元和各電池的監(jiān)控模塊構成。 此外，日本、法國的汽車企業(yè)也研制了各自的電池能量管理系統(tǒng)，在這里就不再作介紹。電池電子技術就是針對電池的復雜的電化學 系統(tǒng)，依托于電力電子技術、單片機技術、智能控制與最優(yōu)控制和電化學科學等相關學科而興起的新應用技術領域分支。 我國在十五期間設立電動汽車重大專門研究項目，經過幾年的發(fā)展之后，在電池管理系統(tǒng) (BMS)技術方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近。此外還有清華大學、同濟大學等承擔的多能源動力總成控制系統(tǒng)和 DC/DC變換器等一大批相關課題。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車最關鍵的技術之一，在近年來雖然有很大的提高，很多方面都已經進入實際 應用階段，但有些部分仍然不夠完善，尤其是在采集數據的可靠性、 SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。主要原因有 : ，目前很難產業(yè)化，目前常用的蓄電池可9 存儲的能量有限，導致電動車續(xù)駛里程短，還遠達不到普通燃油汽車的水平，如何合理利用這些有限能源也成了一個不小的問題。 串聯起來為電池汽車提供能量的，由于單電池之間存在個體差異，且在運行中可能由于運行狀態(tài)的不一樣，導致單電池的性能不一致，即會出現有些電池變成落后電池而有些電池狀態(tài)還比較好的現象。 ，不至 于半路拋錨，在燃油汽車中通過油表來提示，在電動車上是通過提示剩余電量來完成的。但是由于蓄電池本身是個復雜的電化學反應系統(tǒng)，且影響電量估測的因素很多，并且在使用中，蓄電池是封閉的，所以對于電量準確估測的難度較大，是個國際性的問題。 國家“十一五” 863燃料電池客車項目在性能上對電池管理系統(tǒng)提出了以下具體要求：電池 管理系統(tǒng)工作穩(wěn)定；傳輸的數據真實可靠； CAN通訊功能穩(wěn)定；有效的 充 放電保護措施和散熱環(huán)境；通過國家權威機構電磁兼容性試驗及振動實驗；保證電池與電池箱之間的絕緣電阻；工作溫度范圍為 20~60℃；電壓檢測精度為 177。 %；溫度檢測精度為 177。 BMS作為電動汽車最關鍵的技術之一 ,近年來已經有很大的提高 ,很多方面都已經進入實際應用階段 ,但有些部分仍然不夠完善 ,尤其是在采集數據的可靠性、 SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。10 電池狀態(tài)的非線性變化嚴重制約了 SOC 的預測精度 。 (2) 根據對 BMS的功能要求和目前研究中的問題可知 ,如何把握電池內部狀態(tài)的變化規(guī)律 ,用更有效的方式和采用更適當的算法來正確估算 SOC,減小 SOC的估算誤差 ,仍將是今后研究的重點。 (4) 目前的很多 BMS應用某一類型的電池時效果很理想 ,但卻難以應用到其它類型的電池上。 研究目的和意義 與其他種類的汽車相比，電動車能給中國汽車制造商創(chuàng)造趕超跨國競爭對手的最好機會。但與跨國同行相比，中國汽車制造商在發(fā)動機和傳動系等關鍵零部件上仍較落后 ， 即便是在混合動力傳動系這類相對較新的發(fā)動機技術上，中國企業(yè)也遠遠落后于跨國公司。對我國這樣人口眾多的國家，發(fā)展微型電動汽車尤其重要。在我國，加大節(jié)能減排力度已列入《國務院2020 年工作要點》中，并制定了相關政策，提出 “十一五”期間，中國汽車工業(yè)將重點研究開發(fā)和掌握純電動汽車等新能源汽車整車 和零部件的關鍵技術。該公司旗下的電池生產部門 Power Solutions的負責人 Alex Molinaroli表示，中國政府可能會通過政策引導，為 13 億人口中的很多人提供電動車輛。 業(yè)內人士分析認為，小型純電動汽車作為適合中國國情的代步工具，具有龐大的潛在用戶群和廣闊的市場前景。據預測，近五年國內小型電動汽車需求量可達 500 萬輛以上，國外的需求量有可能更大。投資大師巴菲特旗下的 Berkshire Hathaway近期購進中國 電動汽車、 電池制造商比亞迪 10%的股權， 也 顯示對此領域發(fā)展前景看好。雖然目前電動汽車仍處 于研制、試制、起步階段，沒有形成產業(yè)化規(guī)模，其廣闊市場短期內還將 讓位于傳統(tǒng)汽車，但有理由認為：電動汽車的產業(yè)化經營具有廣闊的發(fā)展前景。本世紀將是電動汽車取代燃油汽車的世紀。終止電壓指充放電結束時的電池電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓。如果以電流 I 放電，電池在 n 小時內放出的電量為額定容量的話，這個放電率稱為 n 小時放電率。 單位為 A?h。理論容量是假定電池中的活性物質全部參加反應，根據法拉第定率計算所能給出的電量，它是電池容量的最大極限值； i 小時率放電容量是指在恒流放電條件下，