1、武汉理工大学硕士学位论文 I （申请工学硕士学位论文） 基 基 于 DSP 的电动汽车电池管理 系统 培养单位 ：自动化学院 学科专业 ： 控制工程 研 究 生 ：唐斌 指导老师 ：邓燕妮 教授 2011 年 4 月 武汉理工大学硕士学位论文 II 分类号 密 级 公开 UDC 学校代码 10497 学位论 文 题 目 基于 DSP 的电动汽车电池管理系统 英 文 题 目 研究生姓名 唐 斌 姓名 职称 学位 单位名称 邮编 430070 申请学位级别 硕士 学科专业名称 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 2011 年 4 月 指导教
2、师 武汉理工大学硕士学位论文 III 摘 要 随着世界范围内的可再生能源的枯竭，以及环境问题的恶化，电动汽车技术在世界上各个国家得到了迅速的发展。由于电动汽车的快速发展，促进了车载电池及其管理技术的发展。车载电池是电动车发展的一项关键技术，而电池管理系统又是车载电池的核心，所以世界各国越来越重视电池管理系统的研发。 电池管理系统的英文缩写为 BMS，英文全称为 BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，是 近年来一个很热的研究系统， 电池管理系统 是 连接车载 电池与 电动汽车以及电动汽车和用户之间的重要 纽带， 可以说是是电池系统的核心部分。 简单来说，电池管理系统主要就是 对电池
3、在充放电的过程中的状态进行动态监测，根据采集到的电池的各种信息，如电流，电压，温度等，对电池的剩余容量进行估算，从而判断电池此时的状态，作出进一步处理，如电量不足时进行充电；电池容量满了时停止充电；温度过高时加快散热的速度；出现异常时进行报警。 电池管理系统 的要完成最重要的任务就是对电池的剩余容量进行估算 ，对电池的剩余容量进行估算有很多方 法，本文采用的是卡尔曼滤波算法电池的剩余容量进行估算。 此方法是根据采集到的电池动态参数，来建立蓄电池的二阶RC 模型，然后利用卡尔曼滤波算法对蓄电池的 SOC 进行估算。该方法要把电池当成一个动态系统，电池的 SOC 值只是系统的一个变量。该系统有输出
4、变量和输入变量，输入变量有电流和温度，输出变量为电压。此方法是当前应用最广泛地方法，因为它适用任何电池，对于充电和放电电流的波动大的车载电池，估算出来的 SOC 值误差较小，所以适用性比较强。 本论文是基于 DSP 的电池管理系统，论文分别进行了电池管理系统的硬件设计和软件设计 。硬件部分主要完成了 DSP 最小系统的设计，电池电压采集电路，电池电流采集电路，电池温度采集电路，环境温度采集电路，二阶滤波及采样保持电路， CAN 通讯电路和显示电路。软件部分主要有电池信息采集子程序，EEPROM 读写子 程序 ，电池状态检测子程序， CAN 发送子程序和中断服务子程序等。 关键词 ：电池管理系统
5、； SOC；卡尔曼滤波； DSP； CAN 武汉理工大学硕士学位论文 IV ABSTRACT With the worldwide renewable energy and exhausted , and the deterioration of the environment problems, Electric vehicle technology in the world each country got rapid development . Because of the rapid development of electric vehicles, promoted the batt
6、ery and its management technology development. The battery is a key electric car development technology, but battery management system is the core of the battery, therefore the world countries pay more and more attention to development of battery management system. The abbreviation of BATTERY MANAGE
7、MENT SYSTEM for BMS, English all MANAGEMENT SYSTEM, is called a few in recent years a very hot research systems, BATTERY MANAGEMENT SYSTEM is to connect the BATTERY and electric cars and electric vehicles and the important link between users, can saying is the core part is BATTERY systems. In simple
8、 terms, the battery management system is mainly in charge of the battery in the process of dynamic monitoring, according to the state of the battery to collect all of the information, such as current, voltage, temperature, etc, to estimate the residual capacity battery to judge the battery state of
9、making further at this time, processes such as electricity shortage to charge; Battery capacity full stop charging. Battery management system to accomplish the most important task is to estimate the residual capacity battery, the battery residual capacity to estimate there are many methods, this pap
10、er USES is kalman filter residual capacity of the battery are calculated. This method is based on the collected battery dynamic parameters, to build battery model, and the second-order RC kalman filtering algorithm to calculate the SOC battery. This method will put the battery as a dynamic system, b
11、attery SOC value just system of a variable. The system has the output variables and input variables, input variables have current and temperature, the output variables for voltage. This method is the most widely used methods, because it applies to any battery charging and discharging current fluctua
12、tions big car batteries. This paper is based on DSP battery management system, this paper respectively of battery management system and hardware design and software design. Hardware mainly completed DSP minimum system design, the battery voltage acquisition circuit, battery electric current acquisit
13、ion circuit, battery temperature gathering electriccircuit, environmental temperature gathering electriccircuit, second-order filter and sampling keep circuit, CAN communication circuit and display circuit. Software of main has a battery information acquisition procedure block, EEPROM literacy subro
14、utine, battery state detection subroutine, CAN send subroutines and interrupt service procedure, etc. Key Words: Battery management system； SOC； Kalman filter ； DSP； CAN 武汉理工大学硕士学位论文 V 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 电池管理系统概述 . 1 1.3 电池管理系统国内外发展状况 . 1 1.3.1 国外发展状况 . 2 1.3.2 国内发展现状 . 2 1.4 课题研究的意义
15、与内容 . 3 1.4.1 课题研究的意义 . 3 1.4.2 课题研究的内容 . 3 第二章 铅酸蓄电池的工作原理 . 5 2.1 蓄电池概念 . 5 2.1 蓄电池组成 . 5 2.3 铅蓄电池工作原理 . 6 2.4 铅蓄电池性能指标 . 7 第三章 电池剩余容量 SOC 估算 . 9 3.1 SOC 概念 . 9 3.2 铅酸蓄电池的 SOC 估算方法 . 10 第四章 基于卡尔曼滤波算法的 SOC 估算 . 13 4.1 卡尔曼滤波算法概述 . 13 4.2 电池的等效模型 . 13 4.3 电池 SOC 的卡尔曼滤波估计 . 15 4.4 仿真分析 . 17 第五章 电池管理系统的
16、硬件设计 . 20 5.1 总体设计方案及总硬件设计图 . 20 5.2 单元电路的设计 . 21 5.2.1 电池电压采样电流 . 21 5.2.2 模拟多路开关硬件电路 . 22 5.2.3 电池电流采样电路 . 23 5.2.4 二阶滤波及采样保持电路 . 24 5.2.5 温度采样电路 . 25 5.2.6A/D 保护电路 . 27 5.2.7 CAN 通讯电路 . 28 5.2.8 液晶显示 . 30 5.2.9 DSP 及外围电路 . 30 5.2.10 抗干扰措施 . 39 5.3 本章小结 . 41 武汉理工大学硕士学位论文 VI 第六章 电池管理系统的软件设计 . 42 6.
17、1 软件设计的概念 . 42 6.2 软件设计环境 . 42 6.3 DSP 资源配置 . 43 6.4 主程序设计 . 45 6.5 子程序设计 . 47 6.5.1 电池信息采集子程序 . 47 6.5.2EEPROM 读写子程序 . 48 6.5.3 电池状态判断子程序 . 50 6.5.4 CAN 发送子程序 . 51 6.5.5 中断服务子程序 . 53 6.6 本章小结 . 54 参考文献 . 56 致 谢 . 58 武汉理工大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景 随着世界范围内的可再生能源的枯竭，以及环境问题的恶化，电动汽车技术在世界上各个国家得到了迅速的发展
18、。由于电动汽车 1的快速发展，促进了车载电池 2及其管理技术的发展。车载电池是电动车发展的一项关键技术，而电池管理系统 3又是车载电池的 核心，所以世界各国越来越重视 电池管理系统的研发， 很多国家开发了一些新的电池管理系统，如德国的 BADICOACH系统和 BATTMAN系统，美国的 SmartGuard 系统和 BatOPT 系统； 而在我国，对电动汽车的发展也 很重视，其中对电动汽车的充电机系统和车载电池管理系统的研发又是重中之重， 在十五期间，关于电池汽车电池管理系统的研究项目成立了，经过这几年的 发展， BMS 技术已经越来越成熟了，与国外的水平也相差无几了 。进入新世纪以来，随着
19、能源问题的日益严重，环境问题的日益恶化，电动汽车的发展是大势所趋，作为电动汽车发展的一项关键技术，车载电池管 理系统的研发就显得越来越有必要了。 1.2 电池管理系统概述 电池管理系统的英文缩写为 BMS，英文全称为 BATTERY MANAGEMENT SYSTEM3，是近年来一个很热的研究系统， 电池管理系统 是 连接车载 电池与 电动汽车以及电动汽车和用户之间的重要 纽带， 可以说是 是电池系统的核心 部分， 简单来说，电池管理系统主要就是 对电池在充放电的过程中的状态进行动态监测，根据 采集到的电池的各种 信息，如电流，电压，温度等，对电池的剩余 容量进行估算，从而判断电池此时的状态，
20、作出进一步处理，如电量不足时进行充电；电池容量满了时停止充电；温度过高时加快散热的速度；出现异常时进行报警。总的来说，电池管理系统是 为了能够提高电池的 合理利用 率，防止电池 在正常使用过程中 出现过充电和过放电， 监控电池的状态 ， 延长电池的使用寿命 。随着电池管理系统的发展，也会增添其它的功能。 随着电动车发展的需求，对电池的电压，电流，温度等数据的测量精度也越来越高，剩余电量的估计越来越精确，管理越来越规范。 1.3 电池管理系统国内外发展状况 武汉理工大学硕士学位论文 2 1.3.1国外发展状况 近年来，随着对电动车及其车载电动汽车研发和使用的发展，很多国家的汽车公司级电池生产商做
21、出 了很多大胆的尝试和创新，成功的研发了各种各样的车载电池管理系统并将其安装到电动车上使用，取得了不错的成绩，比较著名的有： 1.德国 的 BADICOACH 系统 它是使用一个典型的非线性电路来采集单个电池的 数据，并将这些数据通过信号线传送到系统中，同时要将各个电池中 SOC 最差的那个显示出来，而且要将历史的各种数据进行存储，从而可以准确的判断此时电池组的工作状况，检查出哪些电池已经损坏，并及时报警。 2.美国的 BatOPT 系统 该系统是一个分布式系统，由 中心控制单元和 单个电池的检测模块 组成，检测模块可以通过 twowire 总线向主控单元传送电池的电流，电压，温度等数据，中心
22、控制单元接收到这些电池的数据后，提供自动或手动的策略。 3.德国的 BATTMAN 系统 该系统将 将不同型号的电池做成一个管理系统，实现对各种型号的电池进行管理，是通过在软件上增加参数及改变硬件挑选的办法。这样做的原因是为了把不同型号的电池管理分为特殊的部分和共同的部分两部分。其中共同部分占得分量重一些。 4.美国的 SmartGuard 系统 该系统实现的功能有：提供放电和充电的极性反向报警；提供最差电池单元的剩余电量信息；过充检测同时防止过充；记录电池的 历史数据同时归档 。该系统的特点：利用一个装在电池上的分布式管理装置进行电压和温度的测量，同时可以随时启动电流旁路电路。 1.3.2国
23、内 发展 现状 我国发展电动车及电池管理系统比国外要晚，但近年来发展迅速，尤其是北京交通大学电池管理系统的研究走在全国前列。北京交通大学自 1999 年就一直对车载电池管理系统进行研究。经过了 十几年的发展，开发了多种电池如铅酸电池，镍氢和锂离子电池系列的电池管理系统。主要取得了如下进步： 系统结构：根据不同车型的需要，设计出了集散式，分散式和集中式机构； 武汉理工大学硕士学位论文 3 系统功能：除 了增加了充放电次数纪录，绝缘监测电池损坏分析和出错报警，等功能，还进一步完善了参数估算，监测，数据纪录，通讯接口和控制。 辅助设备：开发了便携系统，手持式监测设备，地面监测软件和车载液晶显示 ；
24、SOC 估算：采用自适应卡尔曼滤波预测方法。并成功的用到了纯电动汽车中。 到现在为止，北京交通大学开发的部分产品已经投入到市场中，并进行批量生产和使用，用户有 很多国内著名的大公司。 1.4 课题研究的意义与内容 1.4.1课题研究的意义 在全球性能源枯竭和环境污染日益严重的今天， 开发既节省能源又能 减少污染的产品已经是大势所趋。随着社会的发展，人们生活节奏的加快，汽车已经成为人们必不可少的交通工具。电动汽车由于既节省能源又对环境污染少越来越引起了很多国家的重视。而车载电池系统是电动车运行的关键部分，所以车载电池管理系统 就显得很重要了。如何精确的采集到电池及电池组的各种数据，计算其剩余电量
25、，使电池工作在最佳状态，有效地，充分的利用电池的能量，提高电池寿命，对电池的故障，老化进行早期预测和报警，防止由于某个电池的故障未作出及时处理而造成电池组甚至整个电动车的损坏，从而降低电动车的成本，提高电动车运行的安全 性，提高系统的效率。所以车载电池管理系统的研究是大势所趋。 1.4.2课题研究的内容 本论文主要是设计一个基于 DSP 的纯电动汽车电池管理系统。首先是要采集到单个电池及电池组的各种动态的，实时的数据，包括电池的电流，电压，温度，环境温度等，根据这些数据 根据卡尔曼滤波算法计算电池剩余电量，同时要对电池的状态进行检查，将这些信息输送到 DSP 中，在通过 CAN 通信在液晶显示器中显示出来，同时还要记录历史数据。 论文研究的对象是 24 个 12V/100Ah 铅酸蓄 电池的串联动力电池组。论文分为如下几部分： （ 1） 介绍动力 铅酸 蓄 电池的工作原理及电池剩余电量 SOC 估算方面的知识 （ 2）完成系统硬件设计总图，并分块介绍每部分的电路及原理，该部分主武汉理工大学硕士学位论文 4 要包括电压采集电路，电流采集电路，温度采集电路，滤波电路，采样保持电路， 保护电路， CAN 通讯电路，显示电路， DSP 外围电路等。 （ 3）介绍卡尔曼滤波算法，并利用该算法根据采集到的信息，对电池的剩余电量 SOC 估算。 （ 4）完成电池管理系统的软件编程及调试。
