電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)與設(shè)計文檔

0.jpg (57.91 KB, 下載次數(shù): 94)

下載附件

2018-8-31 17:53 上傳

0.jpg (50.78 KB, 下載次數(shù): 91)

下載附件

2018-8-31 17:53 上傳

0.png (39.96 KB, 下載次數(shù): 93)

下載附件

2018-8-31 18:03 上傳

包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻是電極材料及鋰離子在電解質(zhì)中的移動阻力造 成的；極化包括電化學(xué)極化和濃差極化。

2) 電池容量 包括理論容量、額定容量、實際容量。

3) 開路電壓和工作電壓 開路電壓指電路中無電流時，且除去極化電壓后，電池正負極之間的內(nèi)電勢差。工

作電壓在充電時由于電池內(nèi)阻的作用，會高于開路電壓，而放電時則低于開路電壓。通 常，通過直接測量電池正負極我們?nèi)菀椎玫诫姵氐墓ぷ麟妷�，它是開路電壓、歐姆內(nèi)阻 壓降和極化內(nèi)阻電壓的合成電壓。

4) 充放電倍率 充放電倍率指在規(guī)定的時間內(nèi)電池放出其額定容量時所需要的電流值，1C 在數(shù)值

5) 自放電率 由于電池材料的雜質(zhì)問題，電池產(chǎn)生的自發(fā)放電現(xiàn)象。

6) 充電效率和放電效率 充電效率是電池充電時電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能程度的量度。影響因素一般是電池工藝和

（至終止電壓）與電池的額定容量之比，影響因素一般是放電倍率，環(huán)境溫度，電池內(nèi) 阻。放電倍率越高，放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。

7) 循環(huán)次數(shù) 循環(huán)充電一定周期后，電池容量下降到某一值時，充電的周期次數(shù)。 根據(jù)文獻[9]所做研究：所選電池單體容量為1.25Ah，工作電壓范圍 3.0 至 4.2V。 充電：先以 550mA 恒流充電然后以 4.2v 恒壓充電至電流小于 50mA。所測電池電

壓隨時間變化曲線如圖 2.2  充電曲線圖。放電：以 550mA 恒流放電至 3.0v。所測電池 電壓隨時間變化曲線如圖 2.3  放電曲線圖。

圖 2.2              充電曲線圖              圖 2.3              放電曲線圖

由放電曲線圖電池工作電壓范圍內(nèi)電池開路電壓隨時間變化可估算出 SOC 與開路 電壓的對應(yīng)關(guān)系。顯然在剩余電量偏低時，開路電壓不與剩余電量程線性關(guān)系。

文獻[9]同樣通過測算在不同荷電狀態(tài)下（對應(yīng)開路電壓下）電池交流內(nèi)阻的大小， 得出了電池荷電狀態(tài)增大，則電池的交流內(nèi)阻增大的結(jié)論。

由文獻[10]所得結(jié)論知，25℃充電至滿，不同溫度放電，對電池容量的影響不大， 但溫度越低，總的來說，可放出電量越少。

文獻[11]指出了電池內(nèi)阻與電池老化水平的關(guān)系。結(jié)果表明，電池循環(huán)次數(shù)越多， 極化內(nèi)阻越大，而歐姆內(nèi)阻基本保持不變。因此車用鋰離子電池循環(huán)使用后性能變差的 原因主要是由于極化內(nèi)阻的加大，此時電池的高倍率放電能力降低。因此基于安全性的 考慮，同時為保證電池循環(huán)次數(shù)，兩端剩余電量區(qū)間，尤其是低剩余電量時，不宜采用 大電流充放電，需同時進行過壓、欠壓保護[12]。

荷電狀態(tài)（SOC；State Of Charge）是電池狀態(tài)估計的一個核心參數(shù)，它能夠很好 的反映剩余電量的多少。對 SOC 的定義，業(yè)界普遍認同的是指電池剩余電量與電池額 定電量的比值：

2.2.1 荷電狀態(tài)（SOC）影響因素

對電動汽車電池組而言，影響電池荷電狀態(tài)的因素主要有以下幾點：
1) 充放電倍率 放電倍率越大，荷電狀態(tài)越低，因為由于電池內(nèi)阻的影響，一部分能量被內(nèi)阻內(nèi)耗
吸收掉，電池能夠釋放的能量也越低。
2) 電池溫度 電池工作時的周圍環(huán)境溫度對荷電狀態(tài)的影響十分重要。這是由于溫度對鋰離子電
池化學(xué)反應(yīng)速率的影響造成的，當(dāng)電池溫度上升時，電池中活性物質(zhì)的活性更高，放電 時，電池單體能夠釋放出比平時更多的電量。反之，當(dāng)溫度降低時，反應(yīng)活性降低，導(dǎo) 致電離子的數(shù)量減少，電池單體能夠釋放的能量比標稱容量少。但是，如果充電時溫度 較高，則會致使化學(xué)反應(yīng)過快，造成氣體析出，極板結(jié)晶等一系列更嚴重的問題，所以 溫度是影響荷電狀態(tài)的重要因素之一。
3) 自放電率 電池在長期存放過程中，不可避免的存在自發(fā)放電的現(xiàn)象，盡管鋰離子電池的自放
電率十分低，但仍然存在。通過長期測量可以校準，對鋰離子電池而言，實際中也可忽 略。
4) 電池老化 隨著電池循環(huán)次數(shù)的增多，電池單體不可避免會產(chǎn)生不同程度的老化，此時電池容
量降低，直至不可使用。這會影響 SOC 的估算結(jié)果，需要對電池額定容量進行修正。

2.2.2 荷電狀態(tài)常用估計方法

目前，存在以下幾種常見估算方法[13; 14]：
1) 開路電壓法 荷電狀態(tài)按定義是計量電量多少的參數(shù)，直覺上感覺應(yīng)與電壓無關(guān)，但實際上，由上節(jié)所述電池單體放電曲線圖可知，開路電壓（OCV；Open Circuit Voltage）與荷電狀

態(tài)存在一定的一對一映射關(guān)系。通過測量電池 OCV-SOC 曲線，即可憑借開路電壓估算荷電狀態(tài)。但是由于 OCV-SOC 曲線隨著電池溫度變化、隨電池老化情況變化、并且當(dāng) 電池放電后，極化內(nèi)阻不能忽略，存在極化電阻電壓，需要長時間靜置，才能消除影響， 測得準確的開路電壓，存在一定的滯后性。因此這種方法具有不穩(wěn)定性，需要按條件修 正，因此使用受限。
2) 電池內(nèi)阻法
這一方法是由日本 CHUGOKU Electric Power Co.Inc.提出的，用于混合動力電動汽 車動力電池剩余電量 SOC 的估算。方法的具體流程是首先用不同頻率的交流電激勵電 池，與此同時測量電池交流電阻，最后通過計算模型得到 SOC  信息。但是，這種方法 并不常用，因為實現(xiàn)比較困難，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難建模。因此，很少在電池管理系 統(tǒng)中應(yīng)用這種方法。
3) 安時積分法 此方法是剩余電量估算的原理性方法，安時積分法的直觀表達就是，剩余電量等于
總電量減去已使用電量，在已知總電量的條件下，通過測量已使用電量，來推算剩余電 量。這里，我們利用了黑盒原理，不去關(guān)注電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，也不去關(guān)注電池內(nèi)部 的電氣特性，把一個電池單體當(dāng)做一個黑盒，只關(guān)注它的外特性，通過測量它累計向外 部輸出了多少能量，計算剩余電量。同時需要根據(jù)溫度，放電率對測算結(jié)果進行修正。 剩余容量與放電倍率也是密切相關(guān)的，只要電池以某較大電流放電，若已達 OCV 截止 電壓，此時若以某小電流放電，電池仍能放出一部分能量。安時積分法通過計算充入的 電量和釋放出的電量，迭代循環(huán)上一刻剩余電量與電量積分量，推算此刻剩余電量。算
法簡單有效。是目前較為流行的方法。迭代公式如下：

這是對某一系統(tǒng)內(nèi)的一系列狀態(tài)量做出最小方差的最優(yōu)估計算法。是一種精確測量 電池組剩余電量的方法。通�？柭鼮V波法僅用于線性系統(tǒng)，對于非線性系統(tǒng)，常常使 用擴展卡爾曼濾波法�？柭鼮V波法能夠有效的濾除測量噪聲，提高精度。這些算法的 基本思想是通過系統(tǒng)的建模方程算出狀態(tài)量的估計值，再結(jié)合當(dāng)前的測量值不斷修正。

一個狀態(tài)。通過建立相應(yīng)的電池數(shù)學(xué)模型，列出狀態(tài)方程和觀測方程，利用迭代遞推的 原理估算當(dāng)前電池荷電狀態(tài)�？柭鼮V波法有兩個弊端，一是過于依賴模型的準確度， 二是需要處理過多矩陣運算，計算復(fù)雜，對硬件資源有很高的要求[15]。

論述測量方法之前，需要簡單的介紹一下電壓測量的背景知識。本質(zhì)上，電壓是系 統(tǒng)中感興趣的兩點之間的電勢差。但是，容易混淆的地方就在于參考點的選擇。就目前 的電子設(shè)備而言，參考點默認是指系統(tǒng)中的公共地�！暗亍边@個術(shù)語源于電力裝置直接 與大地相連以保證電勢為 0 的應(yīng)用慣例。通常在一個系統(tǒng)中，只有一個公共地，是穩(wěn)定 不變的。電池組大多是有幾十個電池單體串聯(lián)而成，總電壓高，想要測量每個電池單體 的電壓有以下方法：

1) 共模測量法 它的基本原理是電阻分壓，選定最外端電池負極為公共地，然后設(shè)計一個分壓電阻

網(wǎng)絡(luò)，測量每一節(jié)電池單體正極相對于公共地的電壓，接著逐個求得相鄰正極的電壓差， 得到每節(jié)電池電壓。該方法原理簡單也易實現(xiàn)。但由于需要設(shè)計電阻網(wǎng)絡(luò)，對電阻的精 度要求高，容易帶來隨機誤差。并且電池越多，電阻越多，誤差越大。

2) 選通測量法 通過開關(guān)選通某一節(jié)電池單體，測量電池單體差分電壓。由于串聯(lián)電池單體多，離

地越高共模電壓越高，此時容易造成芯片被高壓擊穿。由于總電壓可能高達幾十伏甚至 幾百伏，直接將電壓信號接入模擬開關(guān)或者采樣芯片都是不明智的。一般通過繼電器選 通，先用電池單體差分電壓對某一飛跨電容進行充電，然后控制繼電器斷開電池，測量 芯片測量飛跨電容上的電壓即是電池單體電壓，以此解決共地問題、高共模電壓問題。 這是一種差模測量方法。顯然經(jīng)過繼電器的反應(yīng)時間、電容的充電時間，測量時間變長， 且存在精度問題。

3) 獨立地測量法 前述差模方法中，最關(guān)鍵的問題主要是共模電壓過高的問題，那么將電池組的地與

電池管理系統(tǒng)的地隔離獨立開來，直接測量單電池的差分電壓，即可解決高共模電壓問 題，同時為解決采樣芯片的共地問題，需要信號調(diào)理電路[16]。

1) 采樣電阻法 使用采樣電阻將電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，再通過測量電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，最后計算對

應(yīng)電流值。電阻采樣技術(shù)，原理簡單，采樣精度高。但是這種方法的弊端在于，采樣電 路會消耗一部分功耗，產(chǎn)生壓降，拉低電源效率。若用于小功率系統(tǒng)，影響明顯。且無 法電源隔離。若用于大功率系統(tǒng)，不保證耐壓等安全問題。

2) 霍爾傳感器法 利用電生磁原理和霍爾效應(yīng)，將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值。它的優(yōu)點是很明顯的，首先，

電流輸入端與測量端有良好的電隔離，耐高壓。其次，它的頻響范圍寬，響應(yīng)速度快， 有利于采樣速率提高[17]。但是，霍爾傳感器多用于測量大電流，對小電流的測量精度達 不到要求。

本章分為三節(jié)，從電動汽車的分析角度，簡要介紹了一些相關(guān)理論知識。包括對電 動汽車動力電池的工作原理，鋰離子電池的充放電特性做了簡單論述，對鋰離子電池的 性能問題做了簡要介紹。對荷電狀態(tài)估算的四種主要影響因素做了簡要闡述，并介紹了 幾種常見的估算方法，結(jié)合前文分析、各估算方法優(yōu)缺點，本文主要結(jié)合開路電壓法和 安時積分法對荷電狀態(tài)進行估算。這樣既保證測量的準確性，又降低了算法的復(fù)雜度。 最后就串聯(lián)電池組的電壓電流采樣存在的問題，簡要的介紹了幾種方案。本文對電壓采 樣的方法主要是獨立地測量法，對電流測量使用采樣電阻法。

硬件的合理設(shè)計是軟件設(shè)計的前提，只有得到了電池的原始相關(guān)信息，才能對數(shù)據(jù) 進行處理，實現(xiàn)電池管理的功能。本章從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，硬件的功能模塊，介紹了電 池管理系統(tǒng)硬件電路的原理，硬件實物的搭建在最后一章中給出。

電動汽車上存在電磁環(huán)境復(fù)雜、強電弱電要隔離、空間有限等問題，而電池管理系 統(tǒng)的硬件設(shè)計是功能實現(xiàn)的前提，總方案的確定，需要從以下方面考慮：

就目前產(chǎn)品化 BMS 而言，硬件結(jié)構(gòu)上可分為三類：集中型、分散型、集成型[18]。 集中型成本低、安裝方便，但是數(shù)據(jù)采集不精確。分散型采集信息準確度高，但安裝難 度大，靈活性差，不易修改設(shè)計。集成型的 EMC 性能好、數(shù)據(jù)精度高，但靈活性差、 可擴展性差。

本文結(jié)合現(xiàn)有方案，采用主控板+巡檢板的雙板設(shè)計，將巡檢板安裝與電池組內(nèi)部 或附近的箱體之中，將主控板安裝于車體用戶附近。主控板與巡檢板之間通過總線連接， 通信方便，縮減了線束復(fù)雜度。巡檢板負責(zé)基本信息的采集，荷電狀態(tài)結(jié)果的估算。由 于巡檢板在電池組附近，避免了箱體之間直接連接功率線路的問題，同時縮短了傳輸線， 不易受汽車上復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，數(shù)據(jù)采集的準確性有保障，同時節(jié)省了空間。主控 板負責(zé)展示、存儲信息，用于用戶交互。硬件整體結(jié)構(gòu)拓撲如圖 3.1 所示。具體芯片及 元器件的選型如下文所述。

本文所設(shè)計的鋰離子電池管理系統(tǒng)，主要用于以鋰離子電池作為動力源的純電動汽 車上，需要完成電池組電池單體電壓的測量、電池組電流的測量、電池單體溫度的測量、 荷電狀態(tài)的估算、用戶交互、閾值報警、總線通訊等功能。需要有強大的處理速度和計 算功能，I/O 資源需要足夠多，要有寬泛的工作溫度范圍，同時要有足夠的程序儲存空 間。同時結(jié)合成本要求的考慮，可從汽車電子常用單片機中選型。事實上，單片機家族 “浩如煙�！�，各種各樣的應(yīng)用于各種場合，各種價位的單片機層出不窮。

由意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的 ARM Cortex-M3 內(nèi)核芯片 STM32F103 就是一種很 好的選擇。作為 ARMv7 架構(gòu)中第一款亮相的Cortex 系列,CM3 處理器集高性能、高代 碼密度、小硅片面積等優(yōu)點于一身，是汽車電子中的“翹楚”。CM3 處理器性能高，中 斷等待時間短，能用于實時系統(tǒng)。CM3 處理器內(nèi)嵌中斷向量控制器，支持上百外部中 斷，又高度集成，同時成本價格低廉[19]。STM32 有很多優(yōu)異之處，如外設(shè)眾多，SPI、 I2C、USART、ADC、DAC、TIMER、DMA、RTC 等常見外設(shè)都有集成；型號眾多， F10x 系列有上十種型號可供選擇，同時各種諸如 QFN、LQFP、BGA 封裝可供選擇； 功耗控制優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗；并且開發(fā)時不需要昂貴的仿真器，通過 Jlink 仿真或 串口即可燒寫代碼[20]。結(jié)合本文研究實際，最終選定 STM32F103 這款 ARM 單片機， 它在十元人民幣之內(nèi)就可購得。作為低成本電池管理系統(tǒng)的主控芯片再適合不過了。

STM32F103 最高工作頻率 72MHz，具有單周期硬件乘法、除法性能，程序儲存區(qū)

FLASH 從 32K 到 512K 字節(jié)不等，最大可支持 64KB 的 SRAM 運行內(nèi)存。結(jié)合研究實 際，選定了 STM32F103RBT6 這款芯片（128K 字節(jié) FLASH），芯片原理圖如圖 3.2 所示：

圖 3.2              STM32F103RBT6 原理圖 本設(shè)計中使用到了 STM32 單片機的如下集成外設(shè)：

STM32F103RBT6 共有 GPIOA、GPIOB、GPIOC 三組 16 位通用 IO 口，外加 GPIOD_1， GPIOD_2 兩位 IO 口，每位 IO 有八種輸入輸出模式（輸入浮空、輸入上拉、輸入下拉、 模擬輸入、開漏輸出、推挽式輸出、推挽式復(fù)用功能、開漏復(fù)用功能）。

芯片內(nèi)部集成 12 位逐次漸進型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個 ADC 模塊都有 18 個通道（16 個 外部信號，2 個內(nèi)部信號），轉(zhuǎn)換時間為1.17us（系統(tǒng)時鐘 72MHz），ADC 輸入時鐘不 能超過 14MHz，各通道有四種轉(zhuǎn)換模式（單次、連續(xù)、間斷、掃描）。

SPI 是高速、全雙工、同步串行外設(shè)接口，雙向串行總線僅需要四根物理連線（單

備份寄存器位于備份區(qū)域，當(dāng)主電源 VDD 掉電后，可通過 Vbat 電池供電，維持數(shù) 據(jù)，系統(tǒng)復(fù)位或電源復(fù)位也不會清除之中的數(shù)據(jù)。總共包含 42 個 16 位寄存器，可存儲

7) RTC 實時時鐘 由獨立連續(xù)計數(shù)器構(gòu)成，也處于系統(tǒng)備份區(qū)域，斷電后可電池供電，提供時鐘日歷

通用定時器由可編程 16 位自動裝載計數(shù)器構(gòu)成，本系統(tǒng)中用于 SOC 算法（安時積 分法）計算積分時間，以及用戶交互過程中，忽略報警倒數(shù)計時。

電源電路是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提，電動汽車的電池組電壓范圍變化寬，不利于 穩(wěn)壓，同時電壓采樣模塊使用了獨立地方法，因此，電池管理系統(tǒng)的電源獨立提供。

STM32F103 工作電壓為 2.0V 到 3.6V，芯片內(nèi)部集成調(diào)壓器提供 1.8V 數(shù)字電源， 當(dāng)主電源 VDD 斷電時，實時時鐘 RTC 和備份寄存器 BKP 可通過 Vbat 供電。通常數(shù)字 系統(tǒng)選擇 3.3V 的穩(wěn)定工作電壓。STM32 芯片的 ADC 模塊測量電壓范圍上下限由 VSSA 和VDDA 決定，通常并入主電源 VDD 中。系統(tǒng)中還有信號調(diào)理電路需要使用 5V 的電 源，因此選擇 5V 的獨立穩(wěn)壓電源，同時利用 LDO芯片進行 DC-DC 穩(wěn)壓產(chǎn)生 3.3V 電 源如圖 3.3 所示：

1.3V，負載調(diào)整率最大 0.4%，穩(wěn)定性滿足要求。圖 3.3 中 BUTTOM 為一自鎖開關(guān)，電 容 C6、C8 用于濾除低頻紋波，電容 C7、C9是高頻旁路電容。

STM32 有三種時鐘信號源（高速內(nèi)部時鐘 HSI、高速外部時鐘 HSE、PLL 時鐘） 且這些設(shè)備還有兩種二級時鐘（40K 低速內(nèi)部時鐘、32.768K 低速外部時鐘），總共需要 外界兩種晶體振蕩器。如圖 3.5 所示：

圖 3.5              單片機晶振電路

STM32 可以通過串口下載代碼，但目前大多數(shù)上位機 PC 機已不帶串口接口，因此 使用 USB 轉(zhuǎn)串口芯片轉(zhuǎn)換，用于兼容 USB 接口。并且，電源也來自 USB 接口，只要 一根線即可實現(xiàn)供電、串口程序燒寫、串口調(diào)試三種功能。

當(dāng)下載程序時應(yīng)當(dāng)選擇系統(tǒng)存儲器模式，因此為實現(xiàn)一鍵下載功能，設(shè)計如下下載 電路如圖 3.6 所示：

STM32 串口 ISP 代碼燒寫的流程是：首先， BOOT0 置高（BOOT1 置低）進入系 統(tǒng)存儲器，接著，單片機復(fù)位進入 ISP 模式，最后，串口下載代碼。所以為實現(xiàn)一鍵下 載，首先要控制 PL2303_RTS_N 引腳為低電平使 BOOT0 置高，然后控制 PL2303_DTR_N 引腳為高電平使復(fù)位引腳 NRST 置低，保持一段時間，再使 PL2303_DTR_N 引腳為低 電平結(jié)束復(fù)位，STM32 芯片加載 ISP 代碼，進入代碼更新模式，此時就可以通過串口下 載程序代碼了。

圖 3.6              串口一鍵下載電路

3.2.3 其他電路

TFT 顯示模塊位于主控板上，是用戶交互的主要途徑，顯示屏用以展示基本數(shù)據(jù)信 息和剩余電量信息、報警信息、報警閾值設(shè)定界面等，配合觸摸屏可進行閾值設(shè)定，解 除報警等操作。

本設(shè)計中所使用的 LCD 顯示屏是一款具有 26 萬色，分辨率為 240X320 像素的彩色 液晶顯示屏，物理尺寸為 2.8 英寸，顯示屏的驅(qū)動 IC 為 ILI9341，支持串行模式連接和 并行模式連接，本設(shè)計使用并行模式共 23 根引腳（VDD、GND、16 位并行數(shù)據(jù)口、4 位控制口、1 位背光控制）。觸摸屏是四線電阻觸摸屏，控制 IC 是 XPT2046。觸摸屏模 塊使用 SPI 接口通信，共 6 根引腳（VDD、GND、4位 SPI 通信總線、1 位中斷觸發(fā)）。 如圖 3.8  所示：

C21、C22 是電源濾波電容，C20、R20、R21 對觸摸屏 PEN 信號線進行濾波，使讀

圖 3.9              蜂鳴器驅(qū)動電路 本設(shè)計使用有源蜂鳴器報警，同時顯示屏上給出提示信息。R24 是限流電阻。

3.3 檢測電路的設(shè)計

3.3.1 采樣信號調(diào)理電路

結(jié)合上文分析，本設(shè)計結(jié)合差模測量法，并應(yīng)用獨立地法，克服高共模電壓的問題， 設(shè)鋰離子電池的工作電壓范圍為 3.0V 至4.2V，而 STM32 單片機 AD 采樣的模擬輸入范 圍為 VSSA 至 VDDA 即 0V 至 3.3V。設(shè)計信號調(diào)理電路如圖 3.12 所示。

本設(shè)計使用軌到軌 LMV324  運算放大器構(gòu)成典型全差動運放電路也稱為儀器儀表 放大器，由 U29B 及 U29C 構(gòu)成差分運放前級電路、由 U29A 構(gòu)成中間級反相放大電路、 最后由 U29D 構(gòu)成電壓跟隨。U29B 為差動輸入（輸入信號+），U29C 為差動輸出（輸入 信號-），前級電路的放大倍數(shù)為 A1。U29A 是基本型差分比例電路，其放大倍數(shù)為 A2。 電壓跟隨器的放大倍數(shù)為 1，用于隔離緩沖，其輸入電阻趨于無窮大，輸出電阻趨于 0  。 具體電路分析如下：

INA333 是軌到軌放大器，輸出電壓寬，電源抑制比好，增益倍數(shù)小于 100 時，增 益誤差最大值小于 0.25%，溫漂小典型值為 ?15ppm?C。同時壓擺率在增益 100 時能達 到 0.05V/s。本設(shè)計采樣周期小于 200ms，所選芯片滿足要求。REF3320 是一款電壓基 準芯片，輸出電壓 2.048V 輸出噪聲為 55uVpp，穩(wěn)定度高。

通過在采樣電阻電壓信號上疊加已電壓基準使得正負不同區(qū)間電壓平移至合適區(qū) 間。電路形式如圖 3.13 所示，基準電壓通過加至INA333 的電壓偏置引腳，同時差分采 樣信號加上基準偏壓，此時采樣電阻電壓零點被挪至 2.048V。增益調(diào)節(jié)電阻即為圖中R39。U33 是由 OP07 運放構(gòu)成的電壓跟隨器。

3.3.2 選通隔離電路 出于安全性考慮，電池管理系統(tǒng)與電池單體之間增加了光耦隔離。 為了應(yīng)對動力電池組電池單體多的問題，使用循環(huán)選通的方法節(jié)約巡檢板主控芯片

的 I/O 資源，同一時刻只測量一路電池單體電壓信號，通過控制各路光耦開關(guān)，選擇不 同電池單體。電路原理如圖 3.14 所示。

圖 3.14              循環(huán)選通電壓測量電路

模擬開關(guān)本設(shè)計選用德州儀器公司的單片八路數(shù)據(jù)選擇器 CD4051。光耦選用日本 松下公司生產(chǎn)的 AQW214S。上圖中，CD4051芯片 EN 端為使能端，低電平有效，不使 能時 X0-X7 輸出高阻態(tài)，使能后，由地址線 A、B、C 指定輸出端口，Xi = X 的數(shù)據(jù)狀 態(tài)，如 CBA = 011，則 X3 = X。CD4051 的 I/O 端口不足以驅(qū)動光耦，因此增加了驅(qū)動 三極管 Q21、Q22，光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.15 所示

圖 3.15              光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu) 發(fā)光管陽極已上拉電源，若驅(qū)動三極管導(dǎo)通，發(fā)光管接地導(dǎo)通，對應(yīng)光耦導(dǎo)通；若

耦截止。因此，只要按時序循環(huán)選擇導(dǎo)通各路光耦，就能實現(xiàn)循環(huán)檢測各路電池單體電 壓的功能。AQW214 光耦的輸出側(cè)導(dǎo)通電阻典型值為 30 歐姆，對測量精度影響不大， 滿足要求。

溫度測量使用美國 Dallas 公司設(shè)計的單總線溫度測量芯片 DS18B20，單總線技術(shù)縮 減了系統(tǒng)布線復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

單總線系統(tǒng)是由一個總線主機多個從機（含一個）構(gòu)成的。主機通常由單片機擔(dān)任，

按照總線協(xié)議規(guī)定的時序和波形，對掛載到總線上的各從機識別，數(shù)據(jù)交換。單總線定 義了一條信號線兼具地址線、控制線、數(shù)據(jù)信號線的功能，通過嚴格的時序保證信號的 正確傳輸。同時不同從機（芯片）都定義了唯一的 ID 序列號，通過尋址識別序列號， 分辨不同從機，使各從機串行分時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。

每個 DS18B20 在出廠時，內(nèi)部 ROM 中都存儲了各自的 64 位 ID 序列號，方便識別。 它的溫度測量范圍為-55℃至+125℃，測量精度為 0.5℃，提供 9 位數(shù)字溫度讀數(shù)。

控制器局域網(wǎng)（CAN；Control Area Network）是由德國 Bosch 公司開發(fā)的一種多主 機局部網(wǎng)絡(luò)，是 ISO 國際標準化的串行通信協(xié)議，是目前國際上應(yīng)用的最廣泛的現(xiàn)場總 線之一，尤其在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛。CAN 總線可靠性高、特別適合工業(yè)設(shè)備單元互聯(lián)， 通信介質(zhì)可以是雙絞線、光纖、或者同軸電纜。CAN 總線有以下特點

2) 理論上，網(wǎng)絡(luò)中可接入節(jié)點是無限制的。當(dāng)然受實際物理電氣特性影響，有節(jié)點接 入數(shù)目限制，目前最多達 110 個[21]。

5) 非破壞性總線仲裁技術(shù)。以 CSMA/CD 方式接入網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點以固定幀格式傳送消

息，當(dāng)多節(jié)點同時傳送數(shù)據(jù)時，逐位仲裁比較，優(yōu)先級高的傳送，優(yōu)先級低的立刻 終止傳送。

6) 支持單元檢錯，并發(fā)送錯誤幀，支持屏蔽持續(xù)錯誤單元。 這些特點使得 CAN 總線成為汽車行業(yè)的標準通信模塊。

CAN 總線使用一對差分傳輸線傳送物理信號，分別用 CAN_H 和 CAN_L 表示，在 傳輸線上用“顯性”（Dominant）、“隱性”指示數(shù)字系統(tǒng)中的“0”、“1”邏輯值，當(dāng)傳 輸邏輯“0”時，差分線上傳輸“顯性”信號，此時 CAN_H 程高電平、CAN_L 程低電 平，存在差分電壓；當(dāng)傳輸邏輯“1”時，差分線上傳輸“隱性”信號，此時 CAN_H、 CAN_L 的電平相同，差分電壓為零。如圖 3.17 所示。

隱性信號電平規(guī)定為 2.5V，當(dāng)總線“空閑”時或傳送“1”時出現(xiàn)。顯性信號高電 平規(guī)定為 3.5V，低電平規(guī)定為 1.5V，當(dāng)總線傳送“0”時出現(xiàn)。

硬件原理設(shè)計完畢后，即可繪制對應(yīng)元器件硬件封裝圖，繪出 PCB 設(shè)計圖，完成 電路板的設(shè)計。最后即可焊接元器件，制作出實物，驗證產(chǎn)品功能了。

本設(shè)計中存在小信號放大電路，數(shù)字電路等各種不同電路，貼裝元件體積都十分靈 巧，便于集成，不同電路、不同元器件集中在一起，若不合理安排空間，設(shè)計線路，必 然會相互干擾，對電路功能產(chǎn)生影響。所以需要考慮電磁兼容問題，電磁兼容是指在同 一電磁環(huán)境下工作的各種系統(tǒng)、設(shè)備能夠正常工作，互不干擾。合理的設(shè)計，既能保證 電磁兼容，又能使調(diào)試更加方便。

1) PCB 板的尺寸，層數(shù)； 本系統(tǒng)需要手工焊接，因此元器件大小要適中，電阻電容的規(guī)格統(tǒng)一選擇 0805 大

小的封裝。電路板尺寸應(yīng)根據(jù)元器件的尺寸、原理圖合理設(shè)計。尺寸太大，空間利用率 低，導(dǎo)線變長，阻抗變大，對電路的影響越大，抗干噪能力越低。尺寸太小，空間太過 密集，若存在功率器件，散熱必然產(chǎn)生問題，同時不利于布線，容易產(chǎn)生線間干擾。印制電路板層數(shù)一般可分為單層板、雙層板、多層板（偶數(shù)），單層板多用于低密度電路 板，雙層板多用于中密度、模數(shù)混合電路、而多層板多用于高密度、高頻信號、模數(shù)混 合電路[23]。本設(shè)計使用雙層板。巡檢板尺寸為 82mm  x 99mm，主控板尺寸為 66mm  x

2) 元器件布局 按電路原理分模塊、分區(qū)布局，分模塊指以功能單元的核心元器件為中心，就近布

局，縮短不必要導(dǎo)線距離，元器件間距合理，整齊緊湊。分區(qū)是指按電路的屬性，將模 擬電路、數(shù)字電路等不同信號類型的電路放置于不同空間區(qū)域上，同時也要注意不同電 壓范圍的元器件空間布局上的距離，電位差大的電路，間距要適當(dāng)增加�？臻g上，元器 件排列要整齊，保持平行排布，這樣有利于信號流通，信號完整性更好，同時也有利于 焊接。接插件最好統(tǒng)一放置在電路板一側(cè)，防止連線后產(chǎn)生環(huán)路輻射。避免信號環(huán)路與 電源環(huán)路重疊。板邊緣的元器件過重要考慮板子的機械強度，一般離邊緣不小于兩毫米。

電源線與信號線著重分隔開來，避免功率線路對信號線的干擾。布線過程中，要避免長 距離的平行線，極易耦合，產(chǎn)生串?dāng)_。無法避免長距離，兩兩信號線之間，可增加一根 平行的接地線，能有效減少干擾。對雙層板而言，上下兩層的信號走線一般是垂直的， 這樣能最大程度減少線間耦合。另外，對線寬、線間距、拐角形狀的設(shè)定也很重要。線 寬主要由電流大小決定，銅箔厚度確定后，按最大電流決定最小線寬，本設(shè)計中最小線 寬為 8mil。線間距由電壓和絕緣電阻決定。布線過程中避免直角，極易輻射，影響其他 電路。一般選擇 45 度拐角。電源的線寬建議大一些，間距也大一些。另一個重要的部 分就是地線的布線了，模擬地、數(shù)字地、機殼地要隔離，最后單點連接，如通過磁珠或 零歐電阻連接。通過大面積鋪銅縮短回路，提供統(tǒng)一電勢參考平面。集成芯片的電源與 地之間要并聯(lián)陶瓷電容去耦合。高頻去耦電容建議使用鉭電容，電解電容有等效電感。

比如，PCB 原理圖與封裝管腳不對應(yīng)，導(dǎo)致 PCB 板錯誤，需要重新打樣。PCB 打 樣周期長，不利于調(diào)試。所設(shè)計 PCB 板工藝要求高，無法印刷制作。板面鋪銅后散熱 快，不易手工焊接。微型封裝的芯片手工焊接若使用焊錫膏則容易虛焊、漏焊，若使用 焊錫絲則容易粘連、短路。焊接完畢后首先要先測量電源供電是否正常，其中主控板第 一次焊接后一上電 AMS1117 芯片就發(fā)燙，用萬用表測量發(fā)現(xiàn)電源與地之間電阻過低（沒 完全短路），最后發(fā)現(xiàn)是芯片引腳之間有灰塵（混有焊錫）造成短路。芯片晶振不起振， 需要調(diào)節(jié)參數(shù)等等問題。焊接完成的主控板如圖 5.1 所示，巡檢板如圖 5.2 所示：

圖 5.2              巡檢板實物圖 主控板連接彩屏后，運行界面如圖：開機后進入歡迎界面，如圖 5.3 中所示。在歡

后返回歡迎界面，此時點按“BMS”進入系統(tǒng)，展示相關(guān)信息，如圖 5.5 所示。所展示 信息包括所測電池單體溫度、電池單體電壓、電池組電流、及電池組剩余電量。

圖 5.5              信息展示界面              圖 5.6              閾值設(shè)定界面

通過點擊“SET”按鈕可進入報警閾值設(shè)定界面如圖 5.6 所示，可設(shè)定溫度上限、 電流上限、及剩余電量下限。

符合報警條件時，蜂鳴器鳴叫報警，同時顯示提示信息。當(dāng)溫度超過范圍時，提示 信息如圖 5.7 所示，當(dāng)電流過大時提示信息如圖 5.8 所示，當(dāng)剩余電量過低時，提示信 息如圖 5.9 所示。

標信息。在此期間若數(shù)據(jù)一直超過設(shè)定指標，該項數(shù)據(jù)將以紅色字體特別標注，5 秒后 重復(fù)顯示提示信息。

本章主要介紹了印制電路板的繪制過程中，PCB 抗干擾的相關(guān)原理。及實物制作中 出現(xiàn)的問題。并演示了系統(tǒng)的操作流程。

通過實驗驗證，文檔所設(shè)計的鋰離子電池管理系統(tǒng)基本實現(xiàn)了預(yù)期功能，可測量電 池組電流，電池單體電壓、溫度，可計算荷電狀態(tài)估算值，可實現(xiàn) CAN 總線通信，可 檢測故障并報警，用戶可設(shè)定故障報警閾值。同時也存在一些問題，比如尚未實現(xiàn)漢化， 界面語言不友好。功能上仍有很大提升空間。

作為一種新能源汽車，電動汽車越來越受到世界各國的關(guān)注，對電動汽車的研究也 越來越多、越來越深，研究過程中可以看到，電池是電動汽車中最容易出現(xiàn)問題的部件， 電池的壽命往往是限制電動汽車產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。有兩類途徑改善電池的容量和壽命：改 進電池制造技術(shù)、改善電池管理系統(tǒng)。本文對電池管理系統(tǒng)做了如下研究：

通過大量查閱文獻資料，總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)研究的進展情況。分析電池的工作原理， 充放電特性，研究了電池特性對荷電狀態(tài)估算的影響因素。介紹了現(xiàn)有研究對荷電狀態(tài) 常見的幾種估算方法，本文提出了一種結(jié)合開路電壓法和安時積分法并帶參數(shù)修正的估 算算法。以開路電壓作主要依據(jù)，以安時積分作細節(jié)估算。通過長時間靜置消除極化電 壓對開路電壓測量的影響，通過軟件濾波提高電流測量的準確度。最后利用 C 語言實現(xiàn)。

本文還設(shè)計了電池管理系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)由主控板和巡檢板組成的雙板電路構(gòu) 成。電池基本參數(shù)的測量是荷電狀態(tài)估算的前提，文檔通過分析電動汽車動力電池組多 電池串聯(lián)的相關(guān)問題，介紹了常見的幾種檢測方法，并設(shè)計了獨立“地”循環(huán)選通電壓 測量電路以及采樣電阻電流測量電路。本設(shè)計使用單總線集成溫度傳感器測量溫度。同 時還設(shè)計了主控電路、CAN 總線電路。

根據(jù)所設(shè)計硬件電路，編寫了 ARM 芯片的軟件程序。本設(shè)計結(jié)合模塊化、分層編 程思想，對各外設(shè)分類，分別從硬件驅(qū)動層、數(shù)據(jù)處理層和功能應(yīng)用層，層層往上按模 塊封裝程序函數(shù)。主控板主要實現(xiàn)用戶交互和 CAN 通信功能，巡檢板主要實現(xiàn)基本數(shù) 據(jù)的檢測和 CAN 通信功能。

結(jié)合硬件設(shè)計繪制了 PCB 板，完成電路板制作，并生成了目標代碼，燒寫至板上。 研究過程中，深感電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度和所涉及領(lǐng)域的廣泛性。要對電池原理、工藝 要深度了解，要對電池做大量的測試，比如溫度對充放電特性的影響。本文時間精力有 限，缺乏實驗器材，無法得到必要的實驗數(shù)據(jù)，程序中多參考經(jīng)驗值或其他文獻數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)效果有待提高。同時功能也需要完善，需要大量時間和資源進行研究。比如對 SOC 算法的研究，還能結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，或者通過實驗數(shù)據(jù)建立電池模型，結(jié)合卡爾 曼濾波分析估算。同時 BMS 的功能也有很大擴充空間。

電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)與設(shè)計.pdf (1.92 MB, 下載次數(shù): 280)

2018-8-31 17:18 上傳

點擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5