混合动力轻型客车动力电池监控系统的设计与开发.doc

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1、摘要电池监控系统主要是对动力电池的电压、电流、温度等状态进行实时的监控，并将监测结果及时地发送到汽车的控制系统中，为汽车整体的控制策略提供重要的实时参数。本课题以混合动力轻型客车为研究对象，主要研究动力电池特性及其荷电状态SOC（State of charge）估算方法，并完成对电池的电压、电流和温度的实时监控系统的设计和开发。根据系统设计的要求，确定一个磷酸铁锂电池监控系统总体设计方案。在本课题中主要是设计一个对整车动力电池单体测量的监控模块，将每10个单体的模块通过CAN总线组成一个系统。下位机系统采用单体监控模块中串联，各模块之间也互相串联的方法进行监控工作。主要是先对高共模电压隔离技术

2、的研究：如对电池的隔离、对CAN总线的隔离、对MCU的供电隔离以及对电源的隔离；再是AD对电压采集部分的设计，用传感器对电流和温度采集。设计MCU的AD采样程序，运用PIC18F4580系列单片机对光电开关的控制，实现采样通道的选通；通过CAN总线把MCU处理过的采集数据传送给上位机。上位机系统针对下位机硬件控制系统以及CAN总线传输而来的数据的具体要求而设计的实时监控软件，以实现对下位机的控制。所以，本设计的电池监控系统采用模块化的程序设计，实现了对电池参数的采集处理及分析，并且对电池的各工作状态进行实时的监控。同时本系统运用了综合的电池容量算法，提高了电池监控的效率，达到了实时性、准确性和

3、可靠性的要求，可以很好的实现对磷酸铁锂电池参数的监控要求。关键词：混合动力汽车；电池监控系统；硬件设计；软件设计ABSTRACTBattery monitoring system is mainly on dynamic battery voltage、current、temperature real-time status monitoring, and timely sent the monitoring results to the vehicles control system, the overall control strategy of the vehicle provides

4、important real-time parameters. The topics to Hybrid Light Bus object of study, mainly research batterys characteristics and state of charge SOC (State of charge) estimation methods, and completed the battery voltage、current and temperature of the real-time monitoring systems design and development.

5、 According to design requirements, identify a lithium iron phosphate monitoring systems program design. The main issue in this is to design a single measurement of the vehicle battery monitoring module, the module will be 10 monomers form a system through the CAN bus. Controller system with single c

6、ontrol module in series, each module with each other in series between the methods of monitoring work. The first major study is on the isolation technology: Like the battery isolation, the isolation of the CAN bus, the MCU on the power supply isolation, and isolation; longer part of AD to the voltag

7、e acquisition design, and sensors to the temperature 、current on collection . MCU of AD sampling design, using PIC18F4580 family of single chip channel sampling strobe; through the CAN bus for processing the collected data and send to the host computer. Host computer system is mainly devoted to the

8、lower computer hardware control systems and analysis of AD collection and CAN bus transmission of data from the specific requirements of real-time monitoring software designed to achieve control on the lower computer. Therefore, the design of battery monitoring system of modular program design, impl

9、ementation parameters of the battery collection and processing and analysis, and the working status of the battery monitor in real time. The system also used the integrated battery capacity algorithm to improve the efficiency of the battery monitor to achieve real-time, accuracy and reliability requ

10、irements, can well realize the lithium iron phosphate parameters of surveillance. Keywords: Hybrid Electric Vehicle; battery monitoring system; hardware design; software design 目录前言11 绪论21.1 混合动力汽车简述21.2 混合动力汽车电池监控系统的研究现状31.3 电池监控系统的研究意义41.4 本论文主要研究内容42 动力电池在HEV中的应用62.1 混合动力汽车中电池使用的种类62.2 HEV中磷酸铁锂电池

11、概述62.3 动力电池监控系统研究72.3.1 电池SOC探讨82.3.2 电池监控系统概述92.4 实际HEV中电池参数监控系统的类型103 动力电池监控系统的设计123.1 监控系统设计的要求与难点123.2 监控系统硬件设计143.2.1 系统硬件设计思路143.2.2 隔离部分设计163.2.3 MCU的AD电路设计193.2.4 CAN通信设计233.2.5 电源部分设计263.2.6 电流传感器电路设计263.2.7 电池温度采集电路设计：284 软件设计314.1 设计思路314.2 AD算法并画出流程图314.3 电流采集的软件设计334.4 温度采集软件设计334.5 SOC

12、计算程序算法364.6 程序代码编译与下载374.7 显示界面设计375 结论39致谢40参考文献：41附录：42 54前言动力电池在使用的过程中由于是多块电池的串联，电池的个体差异会导致电池寿命及整车的性能受到很大的影响，而电池监控管理系统可以及时的发现电池的问题，并防止个体的差异在使用中被人为的扩大而造成损失，它还可以对电池的个体差异提供特定的补救措施而提高整车的电池使用寿命，因此，设计一个实时、准确、可靠的电池监控系统是非常有必要的。随着能源危机的日益严重，低碳经济的呼声也日益高涨，所以混合动力汽车有着节能省油低排放的优点，同时它也得到了社会各界的广泛关注。学校也本着环保的意识，提倡使用

13、新能源，学院特地组建一个团队研究混合动力型汽车电池的各个性能参数，以合理利用电池提供的能源，本课题就是这个团队中的一个子课题。针对磷酸铁锂电池监控系统的要求，设计了一个对电池参数进行实时监控的系统。目前在混合动力汽车普及的情况下，动力电池技术也需要上升一个台阶。在设计中主要解决动力电池在使用过程中安全性和可靠性的问题，为用户实时的显示电池的不同工作状态，以提高电池的寿命和整车性能。系统主要是对动力电池的电压、电流和温度通过MCU的AD进行实时的采样，CAN的总线控制处理和传输，到最后的上位机进行结果的显示。本文所设计的电池监控系统满足了实时性、可靠性的要求，能够快速准确的完成对电池的监控。本文

14、的混合动力汽车利用的是新能源中的电能，所以电池监控技术的发展会更能够促进混合动力汽车的发展。由于本课题是团队课题“混合动力轻型客车动力系统的研究”的子课题，只对电池监控系统进行研究设计，对动力系中别的部分不作深入研究。1 绪论随着石油资源的枯竭以及人们环保意识的提高，混合动力汽车将成为新世纪汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。发展新能源汽车，实现汽车动力系统的新能源化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经达成共识。在这种形势下国内外都不约而同地将以新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择，都希望通过新能源产业与传统汽车产业的结合，破解汽车工业能源环境制约，培育新型战略性产业，

15、提升产业核心竞争力，发展低碳经济，实现新一轮经济增长。所以混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。1.1 混合动力汽车简述混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV) 是指同时装备两种动力源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的符合汽车道路交通、安全法规的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求而进行灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车的整车性能，主要由控制系统、驱动系统、辅助

16、动力系统和电池组等部分构成。本文主要是对动力系中的电池组的监控系统进行研究1。混合动力汽车目前主要有3种动力源模式：一种是以发动机为主动力，电动马达作为辅助动力的“并联式”。这种方式主要以发动机驱动行驶，利用电动马达所具有的再启动时产生强大动力的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。这种方式的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动马达和电瓶。另外一种是，在低速时只靠电动马达驱动行驶，速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“串、并联式”。启动和低速时是只靠电动马达驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动马达共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装

17、置和发电机等，因此结构复杂。还有一种是只用电动马达驱动行驶的电动汽车“串联式”，发动机只作为动力源，汽车只靠电动马达驱动行驶，驱动系统只是电动马达，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种。 混合动力汽车的优点是：（1）采用混合动力后可按需用的平均功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率而内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。（2）因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。（3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动

18、，实现零排放。（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。而混合动力汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统的结构复杂，技术较难，价格较高 2。1.2 混合动力汽车电池监控系统的研究现状混合动力汽车的核心是电池技术。由于，混合动力汽车主要是依靠串联电池组来获得足够的高压以提供动力。而交通运输应用中的电池组一般含有100块甚至更多的电池，可提供数百伏电压。一般公认50 V或60 V以上的电压可以致命，而可能导致电子设备损坏

19、的电压则更低。虽然这些电池组本身具有危险性，但仍然必须与电池壳内的电池监控电子设备通信。因此，通信方式必须安全可靠。而在本课题中研究的就是电池监控系统，它不仅要对动力电池的各参数进行实时的监控，对电池运行过程中的数据进行采样、显示并进行分析处理，而且在发现故障时还能及时的发出警报以方便使用者及时的进行维修和排除故障。电池监控系统针对动力蓄电池组在使用过程中的工作状况（如启动、爬坡、运行、刹车、停车），融合现代控制理论和人工智能技术，通过计算机控制，对电池组进行软硬件双套实时、可靠、有效、合理的监控与管理，从而确保电池组的安全使用。一般电池监控系统大致包括了如下四部分：电压及温度保护模块：此模块

20、主要是对电池组上下限电压、温度以及内压起到限制保护作用；电流均充保护模块：此模块运用安时积分法，对电池进行实时的SOC估算。在电池组充电过程起到了电池均充的作用；过温保护模块：此模块利用温度开关，在硬件上对电池组温度进行第二重控制，从而起到严密的双保险管理。在技术的不断改进和发展的过程中，以下问题的攻关需要行业的重视：（1）实验数据：目前，国内混合动力汽车各系统的实验数据积累还处于较低的水平，数据库不够强大。以电池及其管理系统为例：蓄电池荷电状态（SOC，State of Charge）是电池使用过程中的重要参数，电池管理系统（往往控制几百个电池）的SOC的分析与计算。（2）电池技术：对动力电

21、池的可靠性和稳定性的要求。车用动力电池未达到批量生产，电池总成可靠性、一致性难以保证，电池的比功率、比能量要提高，安全性和可靠性要保证。（3）安全管理：主要是对电压的安全管理。混合动力车的电压系统处于高压等级（110V以上），其诊断系统必须特别关注，而国内甚至国外，这项技术都未成熟。1.3 电池监控系统的研究意义电池作为混合动力汽车的能源之一，在它提供能量的同时也存在一些潜在的风险，例如安全性、可靠性等。而且电池在提供能量时通常都是多达上百块电池串联才可以提供足够的高压。但是太高的电压又会出现严重的安全隐患，而且多块电池串联起来使用，即使是生产电池的技术很先进能够达到每块电池的性能都相差无几，

22、但是在使用的过程中每块电池由于充放电的情况不一样，或者工作环境的不一致以及各种客观上的原因，总会导致每块电池出现差异。所以对每块电池的检测监控就显得特别重要。本文研究的电池监控系统就能实时的对电池的各参数进行测量和数据采集，当发现个电池参数出现差异的情况时，监控系统就及时的发出警报，以供用户及时的发现并进行故障处理。我们研究电池监控系统主要是为了延长电池的使用寿命降低成本，同时也提高了整车的性能，最终还起到了保护作用，安全性得到了保障。监控系统分别检测串联电池组中每只电池的电压和电流，控制电池组的充放电过程。电池组中每只电池的电压均在过充检测电压和过放检测电压之间，并且输出无短路现象时，系统输

23、出电池组电压，允许电池组进行放电操作；当串联电池组中的任意一只电池的电压下降到过放检测电压并且达到过放延时时间时，过放保护功能启动，禁止电池组对外输出电流，保护电池组安全，电路板进入休眠状态，电路板消耗电流为休眠电流以下，进入休眠状态的电路只有在连接充电器后，并且电池电压超过过放恢复电压后才能恢复；当任何一节电池电压上升到电池过充检测电压，并且超过过充延时时间时，过充保护功能启动，禁止对电池组充电，保护电池组安全，当电池组连接负载放电或者电池电压下降到过充恢复电压以下时，过充状态被恢复；当电池组放电端口发生短路时，保护电路会在短路保护延时时间后，禁止电池组对外放电，当外部短路被移除后，电路自动

24、恢复；当电池组放电端口发生过电流现象时，保护电路会在过流保护延时时间后，禁止电池组对外放电，当外部短路被移除后，电路自动恢复；电池组在正常充电过程中，当电池组中的某串电池出现失衡现象时，单只电池首先到达均衡启动电压时，均衡电阻对充电电流进行分流，减小本串电池的充电电流，调整每串电池的均衡特性，若电池组不存在失衡现象，均衡电路不启动；电池组温度高于温度保护值时，禁止输出端输出电流，当温度降低后，温度保护状态解除，允许电池组对外输出电流。随着混合动力汽车的发展，动力电池的监控系统的技术研究也应该同步的发展，这应该是一个必然的趋势。1.4 本论文主要研究内容 本课题是团队课题“混合动力轻型客车动力系

25、统的研究”的子课题，拟通过对某型混合动力轻型客车的研究，提出动力系统结构方案和整车动力系统工作模式，确定总成的参数及选型，并对其结构参数进行灵敏度分析。本文主要是对动力电池监控系统的设计，其研究内容如下：（1）介绍混合动力汽车的发展及历史概况并简述动力电池监控系统的研究现状及意义。（2）简述动力电池的种类，重点是磷酸铁锂电池监控技术，对磷酸铁锂电池的特点分析及电池容量检测方法和电池监控技术。（3）主要提出硬件方面的设计思路和对硬件中的技术难点进行研究。包括硬件的隔离技术研究：电池隔离，MCU的供电隔离，CAN总线的隔离以及电源隔离，MCU的AD采样技术，传感器对电流和温度的采集及CAN总线通讯

26、技术。（4） 软件方面主要是运用PIC18F4580系列单片机的开发工具MPLAB-IDE2.5进行软件方面的设计，对程序代码的编译、简述AD算法，采集电压、电流和温度的大致工作流程图。（5）进行程序的运行调试并对最后的结果进行分析处理，最后得出结论。2 动力电池在HEV中的应用电池是混合动力汽车的能源之一，是影响混合动力汽车性能的关键部分，也是制约混合动力汽车发展的关键。为适应混合动力汽车的需要，车用电池发展也很快。一般应用于混合动力汽车和电动汽车的电池，即我们俗称的动力电池。2.1 混合动力汽车中电池使用的种类在混合动力汽车的发展史中动力电池随着技术的发展其使用种类也有所不同，以下是常见的

27、几种：（1）铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的正极采用二氧化铅，负极采用海绵状的铅，电解液是稀硫酸溶液。每个单元的基本电压为 2V。铅酸蓄电池的性能可靠，价格低廉，技术较成熟。但质量重，过充电、过放电性能差，易自放电，比能量、能量密度和寿命不够理想，快速充电困难。（2）镍镉蓄电池 镍镉蓄电池是一种碱性蓄电池，它的正极板为氢氧化镍，负极板为镉，电解质是氢氧化钾或氢氧化钠溶液。其单元电压为 1.2V。镍镉蓄电池有较强的耐深度放电能力，在低温、大电流放电时容量无明显下降，质量轻、寿命长，但价格高且金属镉有巨毒，其报废后必须进行回收，耐高温性能较差。 （3）镍氢蓄电池 镍氢蓄电池也是一种碱性蓄电池，其正极活性物

28、质是氢氧化镍，负极活性物质是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质。每个单元的基本电压有 6V 的，也有 12V 的。镍氢蓄电池的比能量较大、使用寿命长，过充电和过放电性能好，能带电充电，并可以实现快速充电，低温性能较好，能够长时间存放，但镍氢蓄电池的成本很高。 （4）锂蓄电池 锂是最轻的金属元素，也是化学性质最活泼的金属元素。金属锂暴露在空气中或遇水时会发生燃烧。该蓄电池的比能量大，比功率高，充电放电效率高，可以快速充电，功率输出密度大，没有记忆效应等。但锂的制取较困难，管理和使用较复杂，要有严格的安全措施，价格也高3。2.2 HEV中磷酸铁锂电池概述（1）磷酸铁锂电池定义磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂

29、作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。概括起来磷酸铁锂电池的优点有：安全：磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的；稳定性高：包括高温充电的容量稳定性好，储存性能好等。这点是最大的优点，在所有知道的材料中，也是最好的;环保：整个生产过程清洁无毒，所有原料也都无毒;价格便宜：磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，这些材料都十分便宜。而它的缺点为：导电性差：这个问题是其最关键的问题；振实密度较低：一般只能达到1.3-1.5，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动

30、力电池；目前研究开发还不深入。磷酸铁锂的主要性能是：高能量密度； 安全性：是目前最安全的锂离子电池正极材料； 寿命长；无记忆效应； 充电性能：磷酸铁锂正极材料的锂电池，可以使用大倍率充电，最快可在1小时内将电池充满。 （2）磷酸铁锂电池的发展磷酸铁锂由于具有安全性与循环寿命优势、材料成本的诱惑，正在逐步进入锂离子动力电池市场。磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。磷酸铁锂电池的工作电压范围：2.53.6V，平台约3.3V。现在

31、磷酸铁锂最主要的问题是容量偏低, 制造成本偏高,在电池生产上加工困难(制浆,拉浆,辊轧等工序都需要特殊处理,很多企业不能很好的处理)倍率放电不稳定(需要特定的电池工艺配合,受工艺影响很大)而现在电器的使用趋势是小巧型发展,所以对电池也有同样的要求高体积能量密度.从容量上看磷酸铁锂没有前途,但在特定的电池领域使用较有优势，如动力电池。磷酸铁锂振实密度比较低,比表面积很大,需要改变电池先行工艺,而且电池极片的面密度低所以同样型号的电池容量更低。电解液也需重新开发适用的电解液体系，用现有的成熟电解液难发挥其性能。另外，磷酸铁锂电池没有批量配套的保护线路和充电器，较难在现有的电子设备上发挥出其特性，需

32、要一个整体的行业整合。2.3 动力电池监控系统研究电池技术是混合动力、电动汽车的核心技术之一。目前，国内外对电池监控技术都进行了大量的研究，取得了较大的成果。一般认为电池监控系统主要有如下功能：电池状态参数采集(包括温度、电压、电流等)；电池荷电状态(State of charge，SOC)的准确估计；对电池组安全运行进行全面监控，如防止电池的过充电和过放电等等2。2.3.1 电池SOC探讨(1) SOC定义一般 SOC的定义是为了准确计算电池的容量，即预测电池的剩余能量 。SOC是描述蓄电池状态的一个重要参数，通常把一定温度下蓄电池充电到不能再吸收电量时的电量状态(SOC)定义为 SOC=1

33、00 ，而将蓄电池在不能放出电量时的电量状态定义为 SOC=0。对于蓄电池 ，SOC可定义为：SOC =QcCI，式 中：Qc为蓄电池剩余的容量；CI为蓄电池以恒定电流I放电时所具有的容量 。 如果以已放出的电量Q来求得荷电状态参数SOC，则 ： SOC=1QCI式中：SOC=1表示蓄电池为充满电状态 ，SOC=0表示蓄电池已处于全放电状态。 蓄电池所能放出的电量容量要受放电率、蓄电池的温度、蓄电池充放电循环次数等诸多因素的影响 ，使得对于剩余容量的估算十分困难。以下的一些因素会给电池的实际剩余容量带来影响： 放电率：在不同的放电电流下，蓄电池的起始端电压和截止端电压都是不同的。其中放电电流越

34、大，则起始和截至端电压越小，放电容量也越小，反之则变大。 电池温度对容量影响较大，放电时较高的电池温度会使电池放出更多的电量。充电时过高的温度会使更多的氧气析出，电极电压更容易达到最大值，反而会降低充电效果。 自放电率：电池在储存期间，由于电池内杂质的作用，使正极和负极的活性物质被逐步消耗，从而造成容量损失，这种现象称为自放电。 寿命：随电池寿命的变化，电池容量也会发生变化。当电池容量达到额定容量的80%时，可以认为电池寿命结束。 内阻：电池内阻的变化使电池容量的估计变得比较困难3。（2）SOC的计量方法蓄电池荷电状态（SOC）是不能直接得到的，只能通过对电池外特性电池电压U，电池电流I、电池

35、内阻R、电池温度T等参数的检测来推断SOC的大小。目前最常见的研究方法是通过研究电池复杂的外特性，如开路电压、恒流放电时电压的变化规律、电池内阻特性等来获得SOC。安时积分法。即电量累积法，通过累积电池在充电或放电时的电量来估计电池的SOC，并根据电池的温度、放电率对SOC进行补偿。安时积分法是已商品化的电动汽车用SOC测量装置上应用最普遍的方法。电压测量法。利用电池的开路电压与电池的放电深度的对应关系，通过测量电池的开路电压来估计SOC。开路电压法比较简单，但是不能用于动态的电池SOC估计 3。本文用到的SOC估算法是将安时积分法和开路电压法综合起来进行估算的。2.3.2 电池监控系统概述电

36、池监控系统与动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度进行实时的检测，同时还进行报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、车载显示系统等进行实时通讯3。例如以下针对动力电池特殊的工作环境要求设计了一种实用高效的电池参数监控系统 (BPMS)，主要由高压监控子系统 (HVMS)和电池监控子系统 (BMS)两部分组成：高压监控子系统负责整车高压参数监控和安全管理，检测绝缘情况和断路情况并控制高压继电器的接通和断开；电池监控子系统负责对电池组的电

37、压、电流和温度等进行采样分析，实时准确地估计电池组的 SOC及其最大充放电功率。（1）高压监控子系统 (HVMS)高压监控子系统负责对动力电池高压线路进行监测和管理,实时监测高压电路绝缘特性、漏电流、总线剩余电量等各项参数，根据电动汽车和人体安全标准要求，保证高压系统工作在安全范围内。 （2）电池监控子系统 (BMS)电池监控子系统是整个电池参数监控系统的核心部分,其主要功能包括对电池电压、电流和当前的温度数据进行采样；对电池的荷电状态 (SOC)进行准确的预测并计算电池所能承受的最大充放电功率等。本设计中监控系统所做的主要工作可简述为以下三点：电压测量BMS需要精确的测量电池电压、电流 、温

38、度，确保电池安全稳定的工作，同时为SOC的预测提供精确的数据输入，电压测量线束前段需接一个较大电阻，以起到分压、保护电路板作用。模块的电压正负极接入光藕继电器同一时刻只导通一路光藕继电器经过放大滤波。送入12位高精度的AD转换器，再将转换后的数字量经过光耦合器6N137，送入主控ECU起到保护ECU并隔离干扰，获得了较高的测量精度。这样可实现硬件部分分时复用，简化电路，降低成本。电流测量在混合动力客车上由于电流的变化很大(正负数百安培)，因此我们采用了高精度霍耳电流传感器，其线性度为1%，反应时间3s，跟随精度为50A/s经12位高精度AD转换,光耦合送入单片机，在底层软件设计上，区分电流方向

39、，以辨别是充电还是放电状态，并准确计算出SOC。温度测量由于充放电过程中的可逆与不可逆现象会使电池温度升高，过高温度会引起电池性能恶化，并减短电池寿命，电池容量急剧变小，为此，需将电池温度控制在合适范围内，由于温度变化较慢，本设计中运用的是数字式温度传感器，既满足了要求又降低了成本。将测得值送入12位高精度AD转换器，再经过光耦合器送入ECU。同时HEV客车中电机 、高压电、发动机等的存在,电磁环境十分恶劣，干扰严重，需要在硬件设计上，从元器件的选择，接地技术，电磁兼容设计，到PCB板布线都需要全盘精心考虑。在软件上也需要做相应的处理，采样信号软件滤波处理，程序采样冗余处理等，提高了系统的抗干

40、扰能力和可靠性4。2.4 实际HEV中电池参数监控系统的类型目前，已有混合动力汽车中的电池参数测控系统根据使用电池种类的不同有不同的测控系统分类：（1）铅酸蓄电池监控系统基于监控测量的蓄电池管理系统：在给电池充电的过程中，涉及到电池工作电压、工作电流、温度等参数，这些都是表征电池状态的重要参数。采用传感器提取这些参数，然后再配合故障诊断、遥控遥测、自动报警和事故现场处理等功能，就可以组成一个电池管理系统。在通讯、供电系统中，为了保证电网掉电时蓄电池组能及时补充电能，在规定时间内向负载供电，保证通信或电力合闸系统的正常运转，通常是将电池组直接挂接在电源模块输出端。当电网正常工作时，电池组工作在浮

41、充状态，起到平滑滤波和保持容量(补充自放电的容量损失)的作用。一旦电网掉电，蓄电池组立即投入工作，当电网恢复，电源模块立即对电池进行充电。 由于和电源模块是联系起来的，所以，可以从充放电过程上来优化电池工作状态，电池充电成为可控的过程，建立这样的监控单元应该具有电池管理系统所有功能，并且可以和电源模块直接“对话”，根据要求对电池进行管理，并且可以实时监控电池的放电状态，对电池的工作进行优化。（2）镍氢电池测控系统同样是对电池组电池参数进行测量监控，以延长电池的使用寿命。对于镍氢电池下面提供了一种基于CAN总线的测量系统方案。图 2-1 镍氢电池管理系统的简单框图如上图所示，方案中采用总线的方式

42、组成，应用现场总线完成各个节点之间的数据交换。在分布式方案中，多能源控制器为主控ECU，它通过现场总线和多个下位ECU通信。电池的SOC值是电池控制器通过CAN总线发送给多能源控制器，而整车的工作模式则是多能源控制器通过采集各个ECU的信息通过一定的逻辑算法来确定的。一旦确定了这些参数，那么我们就可以决定是启动发动机还是关闭发动机，也可以决定电机应该工作在哪个状态。例如，当电池的SOC值在50%与70%之间，这个时候多能源控制器算得整车工作模式是在起步模式，那么就表示当前系统的电能源充足，不需要开启发动机，而且，电机可以以驱动方式来工作。系统硬件组成：电池控制器可以与外部汽车中其他控制系统通过

43、CAN总线网络进行通信。一个电池管理ECU（电子控制单元）和4个电池组信息检测ECU； 4个电池组ECU与电池包ECU组成一个 CAN总线网络，一个CAN控制器与电池组ECU组成电池管理系统内部的CAN网络，另一个CAN控制器与汽车中其他控制系统组成整车光纤CAN总线网络 5。（3）锂电池测控系统本文主要研究的就是锂电池的监控系统，主要是基于CAN总线由单片机PIC18F4580自带的AD进行模数转换，及内带的CAN控制器作为硬件部分的主导。后面的章节将对锂电池监控系统进行详细的设计研究。3 动力电池监控系统的设计混合动力汽车的整车性能很大程度上依赖于动力电池，高性能、高可靠性的电池监控系统能

44、使电池在各种工作条件下获得最佳的性能。通过蓄电池管理系统（BMS）来实时监测电池状态，如电池电压 、充放电电流、温度等、预测电池（SOC），以提升电池性能和寿命，提高混合动力汽车的可靠性和安全性。所以研制出一套电池组的监控系统显得很必要也尤为重要。3.1 监控系统设计的要求与难点电池监控系统可简单的认为分为三部分：数据采集单元，检测单元，显示控制单元。在一般情况下，所有的采集单元均处于睡眠状态，不进行数据采集，而显示控制单元也只是显示内存中的有关电池数据，并保持与上位机通信。在显示控制单元内部设有定时程序，当定时时间达到预设时间时，显示控制单元就开始下达数据采集命令。首先向设定为第一号的数据采

45、集单元下发采集命令，当第一号的所有采集通道都采集完毕时就向显示控制单元上发采集到的数据，显示控制单元正确接收完送来的数据后接着就向第二号数据采集单元下发采集命令，后面的就是重复上述步骤，直到所有的数据都采集完毕，显示控制单元就开始向检测单元下达命令，并开始进行检测，检测完后再将数据送到显示控制单元。显示控制单元就对这些数据进行分析和处理，对异常蓄电池进行声光警报，并在显示屏上显示报警信息，便于用户及时发现故障并进行处理。电池监控系统针对动力电池组在使用过程中的工作状况，融合现代控制理论和人工智能技术，通过计算机控制，对电池组进行软硬件双套实时、可靠、有效、合理的监控与管理，从而确保电池组的安全

46、使用。由于电动汽车蓄电池组通常是由几十个甚至上百个单体电池组成，所以，每一个单体电池的工作状态正常与否不仅反映电池组性能的好坏，而且影响电池组的容量及剩余能量。实践表明，在混合动力汽车运行过程中，如不及时对电池进行检测，找出老化电池并给予调整，电池组的容量将变小，寿命将缩短，影响整个电池组的高效安全运行。图3-1所示为BMS由电池监控系统、电池荷电状态(SOC)系统、数据显示系统3部分构成。传感器、电池监控系统和SOC系统构成底层系统，数据显示系统为上层系统，系统之间通过内部CAN总线通信6。图3-1 CAN在监控系统中的结构位置下面介绍动力电池工作状态检测方法：动力电池组一般都采用串联方式工

47、作，工作电流与单体电池是一样的，检测比较容易，而端电压的检测则比较麻烦。若只检测电池组的端电压方法很简单，只需在电池组的两端接上检测电路即可，但这样做是不行的，因为虽然可以得到总的工作电压，但无法判断具体单体电池的端电压，而只要有一块电池出问题就会影响整组电池的正常工作和性能；另外，对检测电路的精度要求很高。一个单体电池端电压的正常工作范围比较小，而整组电池检测很难发现单体电池的缓慢变化，包括单体电池本身的老化和因单体电池一致性问题而带来的积累效应。整组检测无法检测电池及电池组实际容量，无法筛选其中已老化的电池。实用的方法是检测每一个单体电池。但对于串联形成的电池组，要自动检测每个单体，测电池

48、的端电压所遇到的主要问题是测量参考点的选择以及检测电路与被检测电池组的电隔离问题。电位参考点的选择不仅影响测量精度，还对测量电路的测量范围提出了很高的要求。而被检测电池组与检测电路的隔离不仅涉及到系统的安全还影响检测电路的复杂度和可实现性。根据本课题的设计要求，在此采用集中分布式检测法如图3-2所示：此方法提出“局部集中”、“整体分布”的检测思路，即将全部电池分成若干个小组，每个小组用一个检测模块进行“集中式”检测，整个系统由若干个检测模块通过CAN总线连接而成。简言之，集中分布式检测系统的实质就是检测单元部分模块化、本地化，数据靠总线传输。集中分布式检测有以下主要优点：加强了组建系统的灵活性和扩充性；增加了系统的可靠性；具有较高的性价比。为了降低成本、缩小体积、简化电路，电池检测模块应由单片机完成。单片机选型的主要条件是：至少有4路10位精度以上的AD转换器(因为