基于DSP的锂电池管理系统研究与设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.68MB 68 页 15积分

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摘要

随着经济的发展和人口的增长，汽车的数量也在急剧的增加，导致能源的消

耗越来愈大，对环境的污染问题也越来越严重。于是世界各国都在研究电动汽车

来代替传统的燃油汽车，以减少环境问题和能源问题。电动汽车已有初步的发展，

但是仍有许多技术问题需要解决，对于所使用的电池的管理技术便是其中很关键

的一个。

本课题来源于企业横向课题——“电动汽车电池管理系统设计”项目，根据

项目内容及技术指标的要求，本文进行了电动汽车电池管理系统相关方面的研究

与设计工作。

本文首先介绍了锂离子电池的工作原理，性能参数、充放电特性及剩余电量

（SOC）的估算方法等，提出了自己的 SOC 估算策略，即将安时积分法与开路电

压法相结合，把两种方法估计的 SOC 根据间隔时间 t做加权平均。

然后研究了常用的电池模型并且提出了自己的改进型模型，创新性的添加了

“温度控制电压源”部分，将电池的温度影响以电路元件的形式统一到模型中，

在MATLAB/SIMULINK 中搭建了模型并进行了仿真。

接下来重点介绍了系统的硬件电路设计和均衡管理策略。在硬件电路方面，

系统采用分布式结构，分别设计了主控制板和采集板。在采集板中专门设计了基

于CPLD 逻辑控制的，光耦继电器作开关的开关网络。在均衡管理方面，针对锂

离子电池电量状态与其电动势具有一定对应关系的特点，提出了对不均衡电池进

行充放电的均衡策略，制订了本系统的电量均衡标准，提出自己的均衡算法。此

外，本文还做了电池电压检测以及均衡管理方面的实验，效果良好，验证了系统

的设计具有可行性。

论文最后分析了系统软件方面的设计流程并且基于 Delphi 开发平台设计了一

个电池状态的监测界面。

关键词：电动汽车锂离子电池电池管理 CPLD 光耦继电器

ABSTRACT

With the development of economy and the growth of the population, the number of

cars has greatly increased, which results in more consumption of energy and more

serious environmental pollution. To solve the issue caused by environment and energy,

many countries are now focusing on electric vehicles to replace those traditional petrol-

driven ones. Electric vehicles have been in an initial development stage with a variety of

issues yet to be solved and the battery management is an important one.

This topic is based on the crosswise tasks called “Design of Battery Management

System for Electric Vehicles”. In order to meet the requirements on content and

technique indicators, one battery management system for electric vehicles is designed.

Firstly, the principles and performance characteristics of lithium-ion battery and

the SOC estimation methods are reviewed. This paper gives a new method to estimating

SOC, that is combining the Ampere-Hour method and the open-circuit-voltage method

together and using an interval time to make the weighted average for the two SOC.

Secondly, some common models of lithium-ion battery are analyzed. After that, a

new model is presented in which Temperature Controlled Voltage Source is designed

and integrated to the model. Temperature Controlled Voltage Source can measure the

effect of temperature in the form of circuit component. A model is built and simulated

in the MATLAB/SIMULINK environment.

Then, the design of the hardware electrical circuits and the management strategy

are described in detail. Based on CPLD logic control, switching network is specially

designed with optical coupling relays as its switch. According to the correspondence

between capacity of lithium-ion battery and its electromotive force, equalization

strategy that discharging and recharging the unbalanced battery is proposed. Some test

about the voltage-detection and the equalization management are also made in this

paper. The result puts forward effective verification of the design.

At last, the process of the system software is analyzed and a battery-state

monitoring interface based on Delphi is designed.

Key Word: Electric Vehicles, Lithium-ion battery, CPLD, Battery

management, Optical Coupling Relays

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 课题背景及意义 ........................................................................................... 1

§1.2 国内外发展现状 ........................................................................................... 2

§1.3 论文研究内容及论文写作结构 .................................................................... 3

§1.3.1 研究内容 ............................................................................................ 3

§1.3.2 论文结构 ............................................................................................ 4

第二章锂离子电池 ...................................................................................................... 5

§2.1 锂离子电池的发展历史 ................................................................................ 5

§2.2 锂离子电池原理 ........................................................................................... 6

§2.3 锂电池常用参数性能指标 ............................................................................ 7

§2.3.1 电势和端电压 .................................................................................... 7

§2.3.2 电池的容量 ........................................................................................ 7

§2.3.3 比能量、比功率、循环寿命 ............................................................. 8

§2.4 锂离子电池的充放电特性 ............................................................................ 8

§2.5 锂离子电池 SOC 的研究 ............................................................................ 11

§2.5.1 电池剩余容量的影响因素 ............................................................... 11

§2.5.2 SOC 常用估算方法简介 .................................................................. 13

§2.5.3 本论文拟采用的 SOC 的估算方法 .................................................. 14

第三章电池建模及仿真 ............................................................................................ 16

§3.1 电池模型的概述 ......................................................................................... 16

§3.2 常用电池模型介绍 ..................................................................................... 16

§3.3 改进型模型的提出 ..................................................................................... 18

§3.4 模型的 SIMULINK 仿真 ............................................................................ 20

§3.5 小结 ............................................................................................................ 23

第四章 BMS 系统结构............................................................................................... 24

§4.1 电池管理系统的结构设计 .......................................................................... 24

§4.2 电源电路的设计 ......................................................................................... 25

§4.3 主控板的设计 ............................................................................................. 27

§4.3.1 主控芯片的选取 ............................................................................... 27

§4.3.2 总电压采集的设计： ....................................................................... 28

§4.3.3 总电流采样的设计： ....................................................................... 29

§4.3.4 串口通讯电路的设计 ....................................................................... 30

§4.4 采集板的设计 ............................................................................................. 31

§4.4.1 采集板控制芯片的选择 ................................................................... 31

§4.4.2 光耦开关网络设计 ........................................................................... 32

§4.4.3 单体电压采集电路设计 ................................................................... 33

§4.4.4 温度采集电路的设计 ....................................................................... 33

§4.4.5 单体电压检测实验 ........................................................................... 34

§4.5 小结 ............................................................................................................ 35

第五章均衡管理 ....................................................................................................... 36

§5.1 均衡充电概念及其意义 .............................................................................. 36

§5.2 均衡充电的原理 ......................................................................................... 37

§5.3 均衡充电方法 ............................................................................................. 37

§5.4 逻辑控制电路设计 ..................................................................................... 41

§5.4.1 分立器件控制电路 ........................................................................... 41

§5.4.2 CPLD 控制电路 ............................................................................... 43

§5.5 充、放电电路设计 ..................................................................................... 45

§5.5.1 充电电路 .......................................................................................... 45

§5.5.2 放电电路 .......................................................................................... 47

§5.6 均衡策略 ..................................................................................................... 48

§5.7 均衡实验 ..................................................................................................... 51

§5.8 小结 ............................................................................................................ 53

第六章系统的软件设计 ............................................................................................ 54

§6.1 主控板软件设计 ......................................................................................... 54

§6.2 采集板软件设计 ......................................................................................... 55

§6.3 电池均衡管理软件设计 .............................................................................. 56

§6.4 采集板与主控板的 CAN 通讯设计 ............................................................ 57

§6.4.1 CAN 通讯介绍 ................................................................................. 57

§6.4.2 报文定义 .......................................................................................... 58

§6.4.3 CAN 发送和接收示意流程图 .......................................................... 59

§6.5 显示界面的设计 ......................................................................................... 60

§6.6 小结 ............................................................................................................ 60

总结与展望 ................................................................................................................ 61

参考文献 .................................................................................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 64

致谢 ............................................................................................................................ 65

第一章绪论

§1.1 课题背景及意义

根据美国能源部发布的国际能源展望，世界能源的消耗量 2030 年预计将会

比2005 年增加 50%。随着能源消耗的逐年增加，二氧化碳的排放量也将增加，

在目前二氧化碳的排放中，有大约 25%是来自于汽车。在我国，如今城市里的大

气污染主要是由于汽车尾气排放所产生的，我国已是世界第四大汽车生产国，在

汽车消费方面也可居世界前三，而且汽车行业仍在加速的发展。汽车的发展依赖

于石油资源，我国石油资源并不丰富，需要大量进口，石油进口量每年都要呈两

位数的百分比增长，在 2010 年时对于进口依存度竟达到 50%。因此，大力发展

新能源汽车可以减少对于石油资源的依赖，而且还可以减少环境污染，这对于我

国的经济发展具有重要的意义[1]。

新能源汽车通常是指采用非常规的汽油柴油以外的能源作动力源的汽车，包

括纯电动汽车、混合动力汽车、太阳能汽车、氢能源动力汽车以及其它新能源汽

车等[2][3]。

电动汽车上的电池用来为电动机的驱动提供电能，电能通过电动机转化为机

械能，驱动车轮和工作装置。因此，电池是电动汽车发展的关键因素，如果想普

及电动汽车的话，就需要安全可靠、电力持久、价格低廉的电池组。目前我们通

常使用的二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池[4]。传统

的铅酸以及镍氢和镉镍电池已经使用较久，而相对来说对于锂离子电池的使用时

间还较短。锂离子电池被称为性能最优的可充电电池，受到市场的广泛青睐，号

称"终极电池"。随着 MP3、MP4、手机、笔记本电脑、蓝牙、PDA、数码相机和

便携式摄像机等的消费持续走强，锂离子电池的需求一直在不断的增加，这种巨

大的需求促进了锂离子电池行业的快速发展，锂离子电池的产量越来越大，性能

也越来越好，所以锂离子电池应用于电动汽车作为动力源会越来越广泛。

与铅酸蓄电池，镍镉，镍氢等电池相比，锂离子电池具有许多优点，比如单

体电池电压高，通常为 3.7V，充满电时可达 4.2V。锂离子电池的比能量大，比

功率高，这使得电池组可以小而轻。它的自放电小，循环寿命长，所以可以使用

较长时间。锂离子电池没有记忆效应，也就意味着可以随时充电，而且它可以快

速充放电并且效率高。这些优点都意味着锂离子电池用于电动汽车会有广泛的前

基于 DSP的锂电池管理系统研究与设计

景。锂离子电池应用于电动汽车时需要串联起来使用，以便达到电压及功率要求，

然而受其自身物理化学特性的限制，以及实际工况的应用要求，在使用锂离子串

联电池组的时候应该给其配备一个电池管理系统来监控在电动汽车运行时电池的

实际工作情况。该电池管理系统除了具备实时监控功能，还应该具备报警及对电

池组的保护功能。比如电流过大时的报警和保护，电池电压过低或太高时的提醒

及断电保护等，这可以提高电池的使用效率及电池寿命。因此，一方面我们要继

续发展生产工艺，生产更高质量的电池，另一方面可以对电池配以电池管理系统

来提高电池的使用效率，延长使用寿命。电池管理系统还有一个重要的作用就是

对电池的荷电状态（SOC）做估算，它可以使驾驶人员知道电池大约还有多少电，

还能行驶多远，以便决定何时充电。

从上面的叙述可以看出来，作为当今电动汽车技术研究当中的一个重要的且

非常关键的部分，电池管理系统(BMS)在电动汽车的市场化、产业化发展中起着

很重要的作用。电池管理系统对于提高电池使用效率、延长使用寿命具有重要意

义，而且荷电状态的准确估算对于电动汽车的驾驶者也很重要，是电动汽车的一

个重要挑选条件。因此，为了电动汽车的发展，为了使其得到大众化的应用，电

池管理系统的研究与设计应该被给予足够的重视。

§1.2 国内外发展现状

近些年来凸现出的能源过多消耗问题、环境污染问题引起了社会的广泛关注，

于是电动汽车应运而生并快速发展。世界上许多国家都制定了大力发展电动汽车

的鼓励政策。比如在 1993 年9月时，美国政府提出了一个 PNGV 项目，也就是

“新一代汽车合作计划”项目，它由美国政府主导，组织了几十个公司与机构来

大力开发电动汽车。在这种情况下，许多公司也分别制定了自己发展电动汽车的

规划，经过不断研究，电动汽车的一些关键技术已经得到突破，然后制造一些样

车，之后小批量生产试用，到现在一些欧美发达国家已经可以商业化生产电动汽

车了。在我们国家，电动汽车发展速度也很快。科学技术部立项的关于发展电动

汽车的 863 电动汽车专项已经取得了显著的进展，成功设计开发出一些电动汽车

的样车[5]。

在电动汽车的发展中，电池以及电池管理系统的发展有相当重要的意义，可

以说它们制约着电动汽车的前景。在电池管理系统的研究方面，我国目前刚刚起

步，即使在那些电动汽车研究水平较发达的一些欧美国家，他们的电池管理系统

也不成熟，仍在进行大量的实验研究。如何准确的监控电池的运行状态，对电池

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