1、 摘 要I本科毕业论文（20 届）电动公交车充电管理系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要随着汽车工业的发展和石油能源的紧缺，电动汽车越来越受到世界各国的欢迎，它节能环保，电能来源广泛，有火力发电、水力发电、太阳能发电、地热发电、潮汐发电等，可以缓解对石油资源紧张供应局面，各个国家相继投入大量资金用于电动汽车研究开发，电动汽车迎来了大好发展形势，我国很早就将电动汽车列为国家重点研究项目，已经取得很多重要成果，其中电源管理系统是电动汽车的关键， ，它是电动汽车的动力来源，电源的电量管理直接影响着电动汽车的续驶里程。本课题就电动汽车的
2、充电管理系统做了重点研究，采用镍氢电池作为充电的对象，本课题首先介绍了镍氢电池的性能，电池剩余量 SOC 的计算方法，还有各种充电方式，包括常规充电方式恒压充电、恒流充电、恒压恒流充电、涓流充电、分阶段充电法，快速充电法有脉冲充电、变电流充电、变电压充电、智能系统充电，经过分析电池管理系统的中央控制单元采用数据分散采集和集中处理的设计方案，电池管理系统对所有电池的电压、温度参数进行分析处理计算出电池的 SOC，判断电池的健康状态，对系统做出故障分析，利用 CAN总线与充电机进行通信，进行及时的数据通信，将用户选择的充电模式、充电电压和充电电流送给充电机。关键词：电动车；电池充电管理系统；控制芯
3、片 TMS320LF2407；SOCABSTRACTIIIABSTRACTWith the development of the automobile industry and the shortage of petroleum energy, electric vehicles, more and more by the welcome of the world, it is energy saving and environmental protection, a wide array of sources of electrical energy, thermal power, hydr
4、opower, solar power, geothermal power, tidal power can ease the tense supply situation of petroleum resources, all countries have invested heavily in research and development for electric vehicles, electric vehicles, ushered in a great development of the situation, our country as a national key rese
5、arch projects early will be electric vehicles, has achieved many important results , including power management system is the key of electric vehicles, electric vehicle power sources, the power of the power management .The subject of electric vehicle charging management system focus on nickel-metal
6、hydride battery as the charging object, the subject first introduced the performance of the nickel-metal hydride battery, the battery remaining amount SOC calculation method, as well as a variety of charging method, including conventional charging method constant voltage charging and constant curren
7、t charging, constant voltage constant current charging, trickle charge, phased charging method, fast charging method for pulse charging, variable charge current, variable voltage charging, intelligent systems charge, through the analysis of the battery management system the central control unit uses
8、 data distributed collection and centralized processing design, and battery management systems for all battery voltage, temperature parameters were analyzed to calculate the battery SOC, and to determine the health status of the battery, to make the system fault analysis using CAN bus and charger co
9、mmunicate timely data communication sent to the user to select the charging mode, the charging voltage and charging current to the charger.Key words:electric car; battery charge management system;control chip TMS320LF2407A; SOC.目 录III目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪论 . 11.1 研究背景 . 11.2 国内外研究 . 21.3
10、 本论文的主要内容 . 3 第二章 电池管理系统介绍 . 5 2.1 镍氢电池 . 5 2.2 电池管理系统简介 . 6 2.3 电池管理系统充电方法 . 7 2.3.1 恒压充电 . 8 2.3.2 恒流充电 . 8 2.3.3 涓流充电 . 9 2.3.4 恒压恒流充电 . 9 2.4 电池管理系统设计方法 . 10 2.4.1 BMS 整体设计方案 . 10 2.4.2 SOC 预测 . 11 2.4.3 电池状态监测 . 13 2.5 本章小结 . 13 第三章 BMS 硬件设计 . 14 3.1 总体方案设计 . 14 3.2 主控制板 TMS320LF2407 芯片介绍 . 14
11、3.3 DSP 系统 . 15 3.3.1 电源 . 15 3.3.2 晶体振荡器 . 16 3.3.3 复位电路 . 16 目 录IV3.3.4 EEPRAM 接口 . 17 3.3.5 DSP 仿真器和 JTAG 接口 . 18 3.4 信号采集 . 19 3.4.1 电压检测信号采集 . 19 3.4.2 温度检测信号采集 . 21 3.5 AD 保护电路 . 22 3. 6 CAN 通信 . 23 3.7 滤波电路 . 24 3.8 过压和过温保护 . 24 3.9 充电机介绍 . 24 3.10 本章小结 . 25 第四章 充电控制和软件编程 . 26 4.1 充电系统基本参数的确定
12、 . 26 4.1.1 充电电压范围 . 26 4.1.2 充电电流范围 . 26 4.2 快速充电控制技术 . 26 4.2.1 时间控制 . 27 4.2.2 温度控制 . 27 4.2.3 电压控制 . 27 4.3 充电终止判断方法 . 28 4.4 软件设计 . 29 4.5 本章小结 . 31 总 结 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 附录一 . 35 附录二 . 36 .第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 研究背景自进入新世纪以来，节能环保成了当前当前能源环保问题的一大焦点，各个国家对节能和环保问题都很重视，不信投入大量资金和精力用于科研开发上，其中电动汽车就
13、是很多国家重点研究开发的对象，因为当前越来越多的家庭都有了自己的电动汽车，而且私家车的数目还在不断增加，虽然给人们很多交通上的便利，但是却消耗掉了全世界每年石油产量的一半以上，这么多是由燃烧后排放出去的气体对环境来说也是一个巨大的负担，空气污染，酸雨都与这有着直接的联系，而且加剧了能源的紧张，导致油价上涨等等一系列问题，尤其是最近几年在我国有些地方出现了柴油、汽油紧缺的现象。电动汽车是解决这一系列难题的一个好的出路，它有这么三大突出的优点，第一，电动汽车利用的电能，电能来源广泛，有火力发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电、地热发电等发电方式；第二，电动汽车对环境的污染非常小，噪音小，
14、非常的环保；第三电动汽车的能源利用率高，正符合国家节能环保的政策。当前电动汽车的研究已经得到了越来越多的国家的欢迎和重视，从长远来看，电动汽车必将成为未来发展的重点，具有广阔的研究和应用前景，我国对电动汽车的研究表较早，很多大学和汽车公司已经研制出了很多类型的电动汽车，成果颇丰，我们学校为淄博市就研制出了一辆电动公交车，这也是我们学老师研究出来的成果，作为学校的一员同感荣幸。目前电动汽车主要有三种类型：纯电动汽车，它是以蓄电池的电能作为汽车的动力；混合动力电动汽车，它是发动机和电力传动并存的电动汽车，两者可以互相补充，是发动机汽车到电动汽车的过度型；燃料电池汽车，它是以燃料电池作为动力来源的。
15、当然电动汽车的发展还存在许多问题，主要是动力电池和高效率的充电问题，电池管理系统是很重要的一个研究方向。第一章 绪论- 2 -1.2 国内外研究目前世界各国都在大力研制电动汽车。下面介绍几种典型的电池管理系统。电流电池模块3电池模块2电池模块1电池模块4电池模块5电池管理系统控制模块上位机诊断模块充电机 显示模块 速度调节模块温度调节模块U 1 U 2U 3 U 4 U 5图 1-1 法国研制的电池管理系统(1)德国柏林大学研究的电池能源充电管理系统该电池管理系统系统包括：屏幕的显示模块、电压测量模块、温度测量模块、CPU 诊断模块，为实现电池均衡充电的平衡器。采用 CAN 总线作为系统总体控
16、制传输控制线，微控制器模块采用的是 TMS320LF 芯片，如图 1-1。这个电池管理系统的功能有实时监测电池的各单体电池的电压、电流、温度等重要参数，检测是否过充电，温度是否超过最高限制温度，具备电池的热量管理系统，几时开冷风机进行降温保护措施对剩余的电量进行及时而又准确的估计，即时显示在屏幕上，该智能电池管理系统功能齐全、控制准确合理又安全性高，在世界上是一个技术很高的系统。(2)韩国某家汽车研制公司研制的电池管理系统这个电池能量管理系统可以优化电池的充电方案、实时的进行电压、电流、温度等数据的采集，管理安全可靠、及时估算电池的剩余电量，对出现的充电故障及时采取保护措施。第一章 绪论- 3
17、 -在这个电池管理系统中有管理电池充电的单元、充电器、故障警告系统、电池热量管理、传感器设备，CPU 控制单元是系统的关键，一切功能都有它来决策和发送正常的指令给每个控制和检测模块，保证电池正常安全地工作。(3)北京交通大学研制的电池管理系统主控制器显示按键历史记录日历时钟远程监控输出接口电流检测检测模块检测模块检测模块检测模块电池模块 1电池模块 2电池模块 3电池模块 n电流环通讯网络图 1-2 北京交通大学电池管理系统这个电池和管理系统是在国家“863”计划支持下由北京交通大学完成的用于动力镍氢蓄电池监测及管理的系统装置，在 2002 年 12 月科技部验收了这个电池管理系统项目。系统装
18、置可以监控电池的运行状态、估量电池的剩余电量、对使用过程中出现的故障进行早期的诊断和充电，如图 1-2 所示。1.3 本论文的主要内容本课题是电动公交车充电管理系统的一部分，主要负责对充电进行管理和控制。系统监测所有电池的电压，温度等工作状态，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，系统通过 CAN 总线与充电桩通信，具有过压、第一章 绪论- 4 -过温的保护功能，要求设计相应的充电管理硬件及软件完成相应的功能。主演内容是针对电动汽车用镍氢蓄电池组，完成系统整体方案的设计，底层电压、温度的采集方案完成了硬件的设计和调试。电动汽车动力电池一般有多个单体电池串联组成一个电池模块，加
19、上微控制器为核心的电池管理系统组成一个车用电池组。本课题串联 384 节 1.2V DC容量为 300Ah 镍氢电池，本课题实现了 BMS 控制器对电池电压、温度参数进行采集，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，为进一步实现完整的电池管理系统提供原始数据和软硬件平台。本课题的主要内容是 BMS 整体方案的设计与电路设计，核心为集中数据处理和分散数据采集的方案，采集电路将采集到的数据送给主控制器，然后经过主控制器的计算和出理做出应对决策，采用软件控制各个子电路。第二章电池管理系统介绍- 5 -第二章 电池管理系统介绍与动力电池相关的管理控制设备称为电池管理系统（BMS） ，作
20、为一个整体在电动汽车中发挥作用。BMS 的作用主要可分为两个方面：保证电池安全；合理高效的给电池充电。电池管理系统是一个监控系统，所以在研制它之前首先要对监控的对象非常熟悉。所有的电池管理系统都是针对一种电池甚至是一个品牌一个型号的电池而言的。2.1 镍氢电池镍氢电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉型电池相似，但它不存在重金属污染问题，被称作“绿色电池” 。镍氢电池正极活性物质是NiOOH（放电时）和 Ni（OH） 2（充电时） ，负极的活性物质是 H2（放电时）和 H2O(充电时 )，电解质一般采用 KOH 碱性水溶液，镍氢电池的充放电时的正极、负极化学反应和总反应方程如下：正极反应 N
21、i（OH） 2+OHNiOOH+H 2O+e-负极反应 M+H2O+e-MHx+OH-总反应 M+Ni（OH）2MHx+NiOOH目前镍氢电池所能达到的指标性能是：单体电池的电压为 1.2V；功率密度是 160500W/kg;能量密度为 5570Wh/kg;工作温度是-3050；快速充电从满容量的 4080需要 15 分钟；它的循环使用寿命超过 1000 次。镍氢电池优点有：功率密度和能量密度均高于铅酸电池和镍镉型电池，在电动车用电池中循环使用寿命是最高的，深度放电性能和快速充电性能好，没有重金属污染，充放电效率很高。镍氢电池的缺点有：成本很高是相同容量电池价格的 5 至 8 倍，自放电损害较大，而且它的单体电池的电压低对环境温度敏感，此外电池组热量管理任务重。
