1、 2015届毕业设计说明书 纯电动汽车电池管理系统的设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 潘 辉 指导教师： 黄海波 职称 实验师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本 1105 班 完成时间： 2015 年 6 月 17 日 摘 要 随着经济的发展，电力电子设备的更新速度更是突飞猛进，然而传统的能源煤 ，石油，天然气的储量却在日渐减少，这样带来的能源问题就引起了广大用户的关注，作为生活中的重要组成部分，汽车越来越被称为了生活得必需品 ,传统汽车的动力消耗也会引起环境污染，所以导致新能源汽车的发展趋势加快。而能源的减少也引发了汽车动力的改革，而以电能代替传统的汽油的汽车
2、便走进了人们的视野中，它污染小，对周围的影响也小。电动汽车的主要特色就是它的电池工程，而对电池的管理系统也就成了试下研究的热点。电池管理系统作为电动汽车上不可缺少的一部分，在对电动车的电池管理，充放电控制，电池监控等方面有着很重要的作用。 设计拟以中国长安纯电动汽车的设计要求和主体设计规划为蓝本，设计一款以单片机 C8051F040 作为主要控制器的电池管理系统，实现对电池的综合检测与管理的设计。设计主要做了对电池管理系统的单片机的选择以及电压检测、电流检测、充电检测、放电检测的电路设计，并针对性的设计了外围 CAN 总线接口电路、及各个检测程序的软件设计。用外围的 CAN 总线分别连接上级控
3、制系统和下面的检测电路。最终实现了上级控制系统对设计的电池管理系统以上功能的检测与控制。 关键词 ：电动汽车；充电管理；锂电池； ABSTRACT With the economic development, power electronic equipment has been updating by leaps and bounds. However, the reserves of traditional energy sources, such as coal, petroleum and natural gas, have been decreasing with each pass
4、ing day. The energy problems thus incurred have attracted extensive attention from the vast users. As an important constituent part, vehicle has also become a necessity in our daily life. The power consumption of traditional vehicle will also cause environmental pollution, which leads to the acceler
5、ated development of new energy vehicle. The decrease of energy has also triggered the reform of vehicle power. Consequently, the replacement of traditional gasoline with electric energy in vehicle has entered the public s vision with its limited pollution and influence on the surrounding environment
6、. The primary characteristic of electric vehicle lies in its battery engineering, and the system of battery management also becomes a hot topic in the existing research. As an indispensable part of electric vehicle, battery management system plays a critical role in battery management, charge-discha
7、rge control and battery monitoring, etc. It is planned that the design requirements and main body design planning of Chinese Chang an electric vehicle should be taken as the blueprint in the design of a battery management system which takes C8051F040 single-chip microcomputer as the primary controll
8、er. It is hoped that the comprehensive detection and management of the battery can be realized through this design. The design mainly includes the selection of the single chip for the battery management system, as well as the detection of voltage, current, battery charging and discharging for circui
9、t design. Furthermore, peripheral CAN bus interface circuit and software of different detection procedures are designed pertinently. By virtue of the peripheral CAN bus, the superior control system and inferior detection circuit are linked up respectively. Finally, the detection and control of the a
10、bove mentioned functions of the designed battery management system are realized through the superior control system. Keywords electric vehicles； charge managementli； thium battery 目 录 1 绪论 . 1 1.1 选题背景及意义 . 1 1.2 纯电动汽车概况 . 2 1.3 论文主要内容的章节安排 . 2 2 整体研究方案 . 4 2.1 系统设计方案 . 4 2.2 系统总体设计方案的确定 . 4 3 硬件电路设
11、计 . 7 3.1 单片机的选择 . 7 3.2 电池管理芯片介绍 . 8 3.3 电源模块的选择 . 9 3.4 采样电路设计 . 10 3.4.1 传感器的选择 . 10 3.4.2 电压采集电路的设计 . 11 3.4.3 电流检测电路的设计 . 11 3.4.4 温度检测电路的设计 . 12 3.4.5 绝缘电阻检测电路的设计 . 13 3.4.6 故障报警模块电路的设计 . 14 3.4.7 CAN 通信模块 . 15 4 软件系统设计 . 18 4.1 软件系统整体设计思想 . 18 4.2 主控程序软件设计 . 18 4.3 主程序设计流程 . 19 4.4 初始化程序的设计 .
12、 21 4.5 温度检测子程序的 设计 . 22 4.6 电流检测子程序的设计 . 23 4.7 绝缘电阻检测子程序的设计 . 23 4.8 CAN 总线通信子程序的设计 . 25 4.8.1 CAN 的 初始化 . 25 4.8.2 CAN 的发送 . 25 4.8.3 CAN 中断的接收 . 26 5 系统仿真 . 29 5.1 系统显示界面介绍 . 29 5.2 系统仿真结果 . 30 结束语 . 31 参考文献 . 35 致谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 .36 附录 A 整机电路图 .36 附录 B 程序清单 .36 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 人们现在的生活越来越离
13、不开汽车的存在。有当前调查的结果指出，当今，汽车以每一年三千万辆的速度持续增长着。全世界汽车现在已超过十亿辆，每一千人中间，就有着一百二十个人买了汽车的群体。 在一定数量内的汽车，它的尾气排放到大气中，由于大自然的平衡体系，能够吸收一定量的有害气体，防止对人类自身的健康造成危害，但随着人们生活步调的加快，汽车的需求量也在不断地增加，此时汽车排放的尾气就会有可能超出大自然的承受力，然而 ,随着人口增长和经济水平的提升，人们对于汽车的 需求也越来越大，因此 人 们 迫切需 要 寻找一种可以代替石油的新能源 汽 车，电动车就因此进入了人们的眼中。 自十八世纪七十年代初 ， 戴维逊成功地研制了第一辆电
14、动汽车 (Electric Vehicle,简称 EV)后 ,然而电动车在十九世纪就有了一定的发展 ,但由于蓄电池性能差 ,汽车续航能力差 ,越来越不能达到人们的需求，这样的汽车会逐渐的被新理念的车所代替 1。从汽车的发展看来，无污染的车已经成了汽车行业的关注焦点，现代的电动汽车技术是结合了多项工程技术成就的 先进的 技术，拥有电气化的高性能车就应运而生了。它将成为人们交通工具的首要选择 ,为人们的 生活提供更多的便利，它不仅在利用率上优于传统的汽车，它不存在尾气排放问题，所以开发前景十分广阔。就目前看来，发展电动汽车将是解决未来能源与环境问题的最有希望的措施之一 ,也是人们关注的焦点，它不仅
15、会带动汽车产业的发展，也会得到科研机构的高度重视，对于改善环境问题起着不可估量的作用。 中 国纯电动汽车最早开始于六十年代，然后再随后的几十年来也有不小的发展，但是真正的大发展的契机是开始于九十年代。进入新世纪后，在 中 国的 “十五 ”中长期发展计划中第一次电动汽车被 提出 ，获得了国家战略层面的认可。提出 “三横三纵 ”研发布局。 同时大气污染也越来越严重， PM2.5 指数 受到 人们 的 关注，汽油燃烧后产生的尾气是大气污染， 是影响 PM2.5 的主要指标，因此发展电动汽车对于大气污染的治理也是非常重要的。 在中国汽车群体里。人均汽车拥有量达到每 1000 人有 110 辆汽车，石油
16、进口就成为了突出性问题。因此从国家安全战略角度来讲，摆脱对汽油的依赖也变得十分重要。最新的权威机构发布的统计数据显示截止到 2015 年，纯电动汽车和油电混合动力汽车在世界汽车总产量上有望继续高速的持续增长，预计可以达到近 70%增长率。而中国将是这个大幅度增长中的主力军 。从另一方面来说，2 为了环境环保问题，中国也必须大力发展电动汽车。在经过了国家战略层级的两个五年规划大发展以及北京奥运会和上海世博会的初步推广，在电动汽车方面，中国的技术已经获得了很大的发展，初步建立起了中国自己的产业体系。据最新统计，目前已有有超过 75%的城市已经开始推广电动汽车，有将近 200 家汽车型号进入了推荐名
17、录，电动汽车的发展已经进入了一个新的时代，在中国的发展也更是走上了更加辉煌的道路。到 2011 年的第三季度，汽车新品发布会上，有超过二百款新能源汽车进军了领域，包括纯电动汽 车 126 款 ，以及混合动力 汽车73 款，还有燃料电池汽车 9 款，就现在来看，大家都认为混合动力和纯电动汽车以及燃料电动汽车是未来的汽车主要发展 的 转型空间。随着 “十二五 ”规划纲提出， 中 国的新能源汽车将会有巨大的突破性发展，也标志着能源汽车会是战略的新型产业。会加强发展纯电动汽车的发展，以及，可以预见到，在中国，新能源汽车必将获得长足的进步和发展。 1.2 纯电动汽车概况 纯电动汽车（ BEV）：通过电能
18、由电动机驱动的汽车。电动车的电能来自于内部的蓄电池，纯电动汽车基本上是采用车内的电动机来进行牵引，当然也有例外的就是把电动机安装在轮子中 的特殊的电动汽车。对于燃油汽车和纯电动汽车相比较而言，区别还是比较明显的，其中纯电动汽车最大的差异在于其中的四个主要结构：电池、车载充电器、调速控制器、动力电机。纯电动汽车性能的差异主要取决于这主要的四个部件，四个部件的品质也起到决定了价值的意义。首先是驱动电机的功率，决定了车能提供多大的驱动能力决定了车的速度和负重能力；其次电池的容量决定了车的续航能力，容量越大续航能力越强；同时充电器的好坏决定了充电速度的快慢，而调速控制器的性能也决定了车的基础能力。 目
19、前纯电动汽车驱动电机有直流有刷电机和永磁电机，另外 还有交流同步 电动机，一个车的性能好坏，速度如何主要决定于电动机的选择，同时也影响着车的用途，性价比高的车子在电机的控制方式上也有着自己独特的特点，现阶段的电机控制主要分为两类，分别为调速控制器和不调速控制器。电动汽车也成为时下的一个研究的主题。 1.3 论文主要内容的章节安排 本文主要的研究内容如下所示： 第 1 章绪论，首先介绍纯电动汽车电池管理系统的课题研究背景及其意义，纯电动汽车的概念，并设计出对论文研究的章节安排。 第 2 章整体方案，并根据需求提出了各种方案，对方案做了对比，选择了最终的方案。 3 第 3 章硬件系统设计，主要是设
20、计了电池管理系统的各种的电路，包括单片机系统以及电压电流检测电路，温度检测电路。 第 4 章软件系统设计，主要包括了 ADC 程序的编写，以及 CAN 总线的通信等部分。 第 5 章系统的仿真，主要包括了系统显示界面的介绍，以及显示系统仿真的结果。 4 2 整体研究方案 现代电动汽车相较于传统的燃油汽车的最大区别就是电动汽车的电气化水平极高，需要很多传感器采集很多的信息。电池管理需要收集数据来达到控制和管理的作用，主要需要监控的数据有 电压，电流以及温度等，在系统设计初期，针对了电动汽车的需求，提出了系统设计方案，并根据需求确定了详细的各模块的设计方案，查阅了相关的资料进行了汇总。 2.1 系
21、统设计方案 设计主要是设计一款电动汽车电池管理系统，电池使用了的普通的高能锂电池单体 12 节组成了一个电池包，以管理此电池包为我们的需求来进行设计，并有如下具体的细致要求： （ 1）可以检测单体的电压，也可以检测总体的电压，并且也可以检测通过的总电流； （ 2）具有在充电和放电时都有可以测量电流的能力，正负电流都要分别测量； （ 3）可以进行实时的温度检测 ，检测电池的当前温度值； （ 4）可以检测绝缘性能，检测电池当前的绝缘性能的好坏； （ 5）具有报警功能和故障处理功能，可以发出报警声； （ 6）可以进行 CAN 总线的通信，通过 CAN 总线进行信息的交互 ； 2.2 系统总体设计方案
22、的确定 对于电动汽车来说，它所使用的大量单体锂电串联一起组成的动力源，涉及到电池的体积以及重量的方面，若干个串联的模块被分散安装在车体中组成了电动汽车的电池组 2。对于电池系统来说，如果使用分布式的系统方案的话所耗费的成本就会过高，并且系统本身也会过于庞大 ；如果使用集中式的系统方案的话， BMS 的中心处理单元就会负担过重，所以，现在如果使用电动汽车的话，在电池管理系统中通常会使用一个折中的方案。一个庞大的电池包被 12 个单体的电池组成在一起的， BMU 是由为每个电池包配备一个电池模块的监控单元，在这里， BMS 是由一个主控单元（ CMU）与多个 BMU 组成的，整个电池管理系统可以分
23、成结构上层的主控模块以及下层中的监控模块 3。其中，监控模块与主控模块之间可以通过 SCI 的总线来进行系统内部的联系，其余， CAN 总线和 系 统 的 外 部 间 实 现 通 讯 组 成 的 主 控 模 块 4 。5 电 池 管 理 系 统 中 央 电 控 单 元C A N本 地 电 控 单 元通 信外 部 输 入 信 号 控 制 信 号车 载 中 央 处 理 器芯 片 ， 传 感 器电 池 组图 1 系统总流程图 电池管理系统主要由以下几部分组成：数据采集模块、 MCU 主控单片机模块、均衡模块，包括传递温度信息的温度传感器、监控电流的电流传感器和电压传感器，也包括连接这些器件的辅助器件，比如说漏电检测模块、显示单元一级需要实现控制功能的控制器件 5。 采集模块主要是 ADC 采集，可以采集电池的电压、电池的放电电流，单体电池的电压等部分组成，用来测量电压信号。 温度检测电路：对电池组的温度进行采集，温度采集非常重要，因为电池 高温可能发生自燃，造成危险，因此在充电和放电过程中必须要对温度进行严格监
