1、1毕 业 设 计设计题目 基于单片机控制的电动汽车电池组 均衡控制器的设计学生姓名 学 号 2 专业班级 机械设计制造及其自动化 班 指导教师 院系名称 机械与汽车工程学院 2013 年 6 月 4 日2目录中文摘要 .3英文摘要 .41 绪 论 .51.1 研究的目的和意义 .51.2 国内外研究现状和发展趋势 .51.3 均衡控制的优点 .71.4 论文主要内容 .72 总体结构设计 .82.1 总体技术方案 .82.1.1 检测模块功能 .82.1.2 均衡电源模块功能 .82.1.3 控制模块功能 .82.1.4 均衡放电方法的特征 .92.1.5 总体功能流程 .93 均衡放电硬件电
2、路设计 .113.1 控制模块的设计 .113.1.1 控制模块电路的设计 .113.1.2 主控芯片的选型 .123.2 均衡模块的设计 .133.3 检测模块的设计 .143.3.1 检测芯片的选取 .143.3.2 电路设计 .153.4 电池模组的设计 .173.5 放电均衡过程 .184 均衡放电的软件部分设计 .194.1 系统程序总流程 .194.2 数据采集流程 .204.2.1 SPI 通讯原理 .204.2.2 SPI 读写程序 .214.2.3 LTC6802-1 读写程序 .214.3 仿真分析 .235 感悟与收获 .25致谢 .26参考文献 .27附录 .29系统原
3、理图 .293基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制器的设计摘 要：在电池使用过程中，由于制造上的差异各个电池的容量和内阻都有所区别，这就导致充电过程中有些过充电，有些欠充电，形成不均衡充电。使用次数越多，不均衡性就越严重，会使得电池提前损坏，降低电池寿命，造成高昂的成本。但是如果在充电过程中加入均衡控制器进行电压均衡，就可以很大程度的避免此类情况的发生，提高电池的寿命，降低经济成本。本文就针对电池充电过程中存在的过充现象设计出了一个均衡控制电路，能有效的抑止电池的过充。关键词：电池 均衡控制 过充电 4Design an balancing controller which based on
4、 MCU for electric vehicle batteryAbstract：In the process of battery using . Because of the difference of manufacturing，there are something different in capacity and internal resistance of battery. This led to a bad phenomenon of the charging process ,like the overcharge ,undercharge. The more the us
5、e, imbalance is more serious,This will cause cell damage in advance, reduce battery life, resulting in high costs. But if the voltage balance was included in the process of charging, can greatly avoid such situations, improve the battery life, reduce the economic cost.In this paper ,a balanced circu
6、it was designed for the overcharge phenomenon ,it can restrain the battery overcharge effectively.Keywords：battery overcharge voltage balance51 绪 论1.1 研究的目的和意义燃油汽车工业的不断发展，造成了全球能源危机的不断加深以及环境的严重污染，促使人们开发新一代节能环保汽车。各国政府和汽车企业也认为，未来汽车产业发展的主流方向是高效节能，低污染及低排放。而电动汽车作零排放优点的绿色交通工具成为各国汽车企业关注的焦点，所以发展电动汽车是解决这一问题的最
7、佳途径。结合时代的需要，响应时代的号召，为了电动汽车的发展与普及，各国政府相继采取各种鼓励措施来推动电动汽车的发展，我国科技部为此制定了 863 电动汽车重大专项。电动汽车是目前国际国内的重点发展项目，所以作为电动汽车的心脏电池就显得尤为重要。目前国内对电池充电的研究主要集中在充电方法上，由于串联电池组的不一致性将对电池组充电过程产生巨大影响，这是任何充电方法都面临而且必须解决的问题，所以对电池组均衡性控制的研究是电池组电池研究的一个重要组成部分，对推动电动汽车的实用化进程有很大的实用意义。在电池使用过程中，由于制造上的差异各个电池的容量和内阻都有所区别，这就导致充电过程中有些过充电，有些欠充
8、电，形成不均衡充电。使用次数越多，不均衡性就越严重，会使得电池提前损坏，降低电池寿命，造成高昂的成本。但是如果在充电过程中加入均衡控制器进行电压均衡，就可以很大程度的避免此类情况的发生，提高电池的寿命，降低经济成本。1.2 国内外研究现状和发展趋势已知的传统电池组放电方法中，只是检测串联电池组的整体电压，不检测各个单体电池的端电压。这种方法简单易行，但由于使用过程中各节单体电池的电量不均匀，长期循环使用，差异会更大，使得电量较小的单体电池总是处于“过放”状态，寿命大大缩短，从而影响整个电池组的工作情况。这种放电方法往往设定一个放电终止电压，当检测到串联电池组的电压低于这个设定值时，终止放电。但
9、是电池组的终止电压不能反映电池组中的各节单体电池的电压，所以终止放电时，有些电池会出现“过放”现象，有些电池可能还有剩余电量没有使用，电池组能量使用6率低。事实上，电池的电量的影响因素比较多，同时还受到温度，充放电次数，电池本身的化学特性等因素的影响。在不同的温度，充放电循环次数下，电池组在充放电时能够存储并且释放出来的电量是不同的，充满电时的端电压也是不同的。要最大限度的利用电池，就需要充放电装置能够在不同的环境下，将电池的电量充满，并能在不损坏电池的情况下，将电池中存储的能量尽可能的释放出来共给负载。另外，电池组由于制造工艺和电池成组技术等原因，串联电池组充电时，单体电池电量存在一定的差异
10、，这种差异会在使用过程中逐渐增大，进而会影响整个电池组的工作状态，这就要求充放电装置能够尽可能地减小甚至消除这种差异，使得电池组在充放电过程中保持均衡状态。均衡充电的方案有多种，选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。美国托莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。这种方案是通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电，硬件设备比独立均衡简单，但效率相对较低。北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用一种电池组均衡充电保护系统方案，实现均衡充电和电池保护的综合运用，但是在放电时没有均衡管理，可能出现过放现象。在国内外流行的各种均衡充放电方法中，传统
11、的均衡充放电不能使电池达到电压均衡的目的，必须使用主动均衡的方式使电池电压达到平衡。主动均衡的方法很多,主要有:(1)“开关电容”法。在每两只电池间或多只电池间通过双向开关并联一个电容,在两只电池间频繁切换电容,使电压高的电池电量流向电压低的电池。(2)“变压器”法。变压器原边接电池组电压,副边为多个相同绕组,每个电池对应一个绕组。原边接控制开关控制均衡过程。均衡时,副边输出电压相同,SOC 低的电池会接受更多电流,从而使电池组达到均衡。缺点是线圈存在漏感和互感,做到各绕组输出电压完全一致较困难。(3)DC/DC 转换法。通过 DC/DC 转换将 SOC 高的电池能量向 SOC 低的电池转移。
12、(4)电阻放电法。每只电池通过一个开关并联一个电阻,当充电电压大于电池的最高限压时,使开关闭合,通过电阻使充电电流旁路,而其他电池继续充电,直到所有电池都充满。此电路的优点是方法简单,缺点是要将多余的能量消耗掉,转变成热量,效率低,对电池组又带来了散热的新问题。此方法只适用于小容量电池,因为放电电流不可能太大,一般限制在100200mA 之间1。7本文使用的是第四种方法，通过自设计均衡充放电电路改善了不利因素，可以使用在所有单体电池小于 5V 的所有电池组，并且放电电流可达到 2A，放电效率高可适用于大容量电池。此外，新添的充电回路补充了放电时的功能，用来管理放电时的过放电池，保证电池在相同的
13、电量状态下。1.3 均衡控制的优点所设计的均衡充放电控制系统主要具有以下优点：(1)各个单电池电压都均衡的电池组,其性能和寿命与单个电池类似,不会有巨大差异;(2)可以摆脱由于电池不均衡造成的电池失效,常见的是某些电池长期处于欠充状态下极板硫化失效和过充电造成电池失水;(3)加主动均衡的电池组不再需要被动均衡的高压过充电,可降低最高充电电压,这样可以使电池失水更少,延长电池寿命,并且大大降低电池热失控的可能性;(4)当电池组中某只电池损坏后,只需将该只电池更换,而不需整组更换,可节约可观的费用。均衡充放电系统将使新旧电池电压保持一致,正常工作7。1.4 论文主要内容论文的主要工作包括以下几个方
14、面：1设计均衡充放电硬件电路和相关模块电路，对电路相关元器件进行选型，搭建实验系统的硬件部分。2根据所需要完成的功能，设计均衡充放电电路控制系统的软件部分，绘出系统功能流程图，并进行调试。82 总体结构设计本文设计了一种动力型锂离子电池均衡充放电控制系统，实现电池组单体电池载荷状态的监测，以及在较短时间内响应并控制电池组中各节单体电池的充放电状态。实验系统结构如图2-1所示，由控制模块、均衡电源模块、检测模块、电池模块组成。U电 池 模 组 4控 制 模 块 1均 衡 电 源模 块 2检 测 模 块 3图2.1 系统结构图2.1 总体技术方案设计的均衡充放电控制系统主要是面向动力型锂离子电池，
15、其中实验系统的动力型锂离子电池组为12节电池串联构成的电池模组，每节电池由两个小电池并联组成。再通过检测板和均衡电源板协同处理，实现均衡充电回路和均衡放电回路的切换，而控制模块负责数据融合处理和命令发送。2.1.1 检测模块功能 检测模块主要对12节电池的电压温度进行实时检测回报给控制模块，由控制模块对每节电池的状态做出评价并返回相应命令。2.1.2 均衡电源模块功能 均衡电源模块在电池充电过程中可控制检测模块中的均衡放电回路对相关电池模组的多节电池进行均衡放电。达到均衡状态时关闭放电回路。2.1.3 控制模块功能 控制模块包括主控芯片及其外围电路，主控芯片分别与检测模块的电压检测回路、均衡充
16、电回路连接。主控芯片主要功能：通过电路对检测模块中均衡充电回路，9可以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。主控芯片接收检测模块中电压检测回路检测到的电池模组中各节单体电池的电压值并进行运算比较处理，当电池模组中的某节单体电池处于“过充电状态”时，控制模块中的控制程序驱动均衡电源模块，结合检测模块中的光耦合器件和检测芯片的控制门打开检测模块中的均衡放电回路。2.1.4 均衡放电方法的特征与其他的传统电池均衡充放电方法相比，其特征在于：1.检测模块、电池模组均内置级联端口，电池模组通过级联端口实现电池模组的串联，检测模块通过级联端口相互级联实现对相互串联的电池模组实现均衡控制。2.控制模块通过检
17、测模块中的电压检测回路检测电池模组中各节单体电池的电压信号来判断所述各节单体电池的充放电状态，当检测到某节电池的状态异常时，控制模块同时控制均衡电源模块和检测模块的均衡充回路实现充电过程的均衡控制。3.检测模块可以与控制模块实时通信，将电压和温度数值传送给控制模块，用以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。2.1.5 总体功能流程该均衡充电电路的设计是以各节单体电池的电压量为衡量依据，在充电过程中，通过电压检测回路来检测各节单体电池的电压，通过在控制模块中对检测得到的电压值进行运算比较处理，确定各节单体电池是处于“过充状态”还是“正常状态” ，然后通过控制模块控制均衡放电回路，达到使“过充”电
18、池放慢充电速度的目的，实现均衡充电。均衡充放电电路控制系统包括控制模块、均衡电源模块、检测模块和电池模组，控制模块内部包括主控芯片和输出电路，检测模块中集成了电压检测、均衡充电两个回路，通过检测模块和控制模块的实时通讯可以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电，检测模块和电池模组均可以通过级联的方式实现对多个串联电池模组的检测。对电池均衡充放电的管理方法是，在充放电过程中，实时检测各节单体电池的电压参数，通过相应的融合计算，对采集得到的电压信号进行处理，从而判断各节单体电池所处的状态，是“正常状态”还是“过充状态” 。在充电过程中，对于处于“过充状态”的电池采用均衡放电回路并联电阻分流，来降低其充电速度，从10而达到系统均衡充放电的目的。均衡电源模块用于在充放电过程中对异常状态的电池及时进行处理，以达到均衡充电的目的。电池模组由12节电池串联而成，每个并联单体电池的端点都通过引脚引出，通过接插件接入检测模块3的检测回路，检测模块3通过接插件的引脚之间的电位差来实现电池模组中的单体电池电压的检测。
