摘 要

随着当今世界能源匮乏以及日益严重的环境污染问题，电动汽车的发展和普及已成为世界潮流。而动力电池就是电动汽车的核心环节之一，与电动汽车的发展有着紧密的联系。动力电池相比其他汽车使用的能源具有超长寿命、使用安全可靠、清洁无污染、储存性能好，能量转换效率高、可循环使用等特点。而动力电池由几十到数百片单电池组成，在使用过程中，难免会出现差异，若不能及时检测出来，会干扰到电池的正常使用，甚至引起安全事故，因此设计出电动汽车动力电池监测仪来监测动力电池的工作状态是至关重要的。

本文主要对电动汽车动力电池监测技术进行研究，模块化地做出一整套动力电池监测系统。主要包括动力电池单片电压巡检电路模块、温度检测电路模块、信号处理及信号采集电路模块，估算电池电量。选取AT89C51单片机作为主要控制器，并设计CAN通信接口电路，。本文先后完成了相应的系统硬件电路设计和PCB绘制，同时完成了控制程序的编写，其中包括电压采集程序、温度采集程序、信号处理及信号采集程序、CAN总线收发程序等。最后完成了软硬件调试，结果显示出，基本可以实现所需要的功能，具有不错的测量精度。

关键词：动力电池；电压监测；温度监测；CAN总线；

ABSTRACT

With the energy shortage and increasingly serious environmental pollution in the world today, the development and popularization of electric vehicles has become the world trend. Power battery is one of the core links of electric vehicle, which is closely related to the development of electric vehicle. Compared with other energy sources used in automobiles, power batteries have the characteristics of long life, safe and reliable use, clean and pollution-free, good storage performance, high energy conversion efficiency and recyclable use. The power battery is composed of dozens to hundreds of single batteries. In the process of using, inevitably there will be differences. If it can not be detected in time, it will interfere with the normal use of batteries and even cause safety accidents. Therefore, it is very important to design an electric vehicle power battery monitor to monitor the working status of power batteries.

In this paper, the monitoring technology of electric vehicle power battery is mainly studied, and a set of power battery monitoring system is modularized. It mainly includes power battery single-chip voltage inspection circuit module, temperature detection circuit module, signal processing and signal acquisition circuit module to estimate battery power. AT89C51 single chip computer is selected as the main controller, and the CAN communication interface circuit is designed. This paper has completed the corresponding system hardware circuit design and PCB drawing, while completing the control program, including voltage acquisition program, temperature acquisition program, signal processing and signal acquisition program, CAN bus transceiver program. Finally, the debugging of hardware and software has been completed. The results show that the required functions can be basically realized and the measurement accuracy is good.

Keyword：power battery, voltage monitoring, temperature monitoring, Can bus.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

1.2国内外研究情况 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 总体方案 4

2.1 燃料电池基本概述 4

2.2 燃料电池参数测量方法 4

2.2.1 电压测量方法 4

2.2.2 温度测量方法 5

2.3 CAN通信概述 6

2.4 系统总体方案设计 6

第3章 硬件部分 8

3.1 引言 8

3.2 总体电路设计方案 8

3.3 芯片选型 8

3.4 单体电压监测电路设计 10

3.5 温度检测电路设计 12

3.5.1 DS18B20简介 12

3.5.2 温度检测工作过程 13

3.5.3 测温电路 13

3.6 CAN总线通信电路设计 14

3.6.1 SJA1000芯片 14

3.6.2 CMT1050芯片 15

3.6.3 CAN通信电路 15

第4章 系统软件部分 17

4.1 引言 17

4.2 软件开发环境介绍 17

4.3 软件总体设计 17

4.4 电压监测程序设计 18

4.5 温度监测程序设计 19

4.6 CAN通信程序设计 20

第5章 结果与分析 24

5.1 引言 24

5.2 电压采集模块测试 24

5.2.1 实验目的 24

5.2.2 实验平台介绍 24

5.2.3 结果与分析 24

5.3 温度采集模块测试 25

5.3.1 实验目的 25

5.3.2 实验平台 25

5.3.3 实验结果及分析 25

总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

附录A 29

附录B 30

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

当今世界，科技的迅速发展、经济的快速增长，汽车已经走进了千家万户，成为了日常生活中人类不可缺少的交通工具之一。汽车的快速发展与普及，在给人类带来便利的同时，也给人类生活带来了一系列的负面影响，其中最为严重的问题便是它给环境带来污染的问题。据不完全统计，当下，每年全球汽车向大气排放两亿多吨有毒气体，占大气污染很大一部分比例，汽车也已经成为了大气污染中最大的污染源。全球排放的二氧化碳中，有将近五分之一来之汽车尾气。现如今我国汽车数量激增，汽车尾气已经对我国环境造成了严重的污染。汽车排放的污染物对环境的影响十分严重，尾气中的许多成分还会扩散到很远的地区，且长时间的保持影响。同时也含有很多对人类身体有着巨大副作用的物质，可能会影响人身体正常的代谢功能，导致人类换上一些与呼吸道相关的疾病，甚至引发癌症^[1-5]。

面对日趋严峻的环境污染现状，确保保护环境、经济发展、节约资源能够同时有效的进行，已经变成了全球各个国家共同努力的目标。为了未来汽车能够更多地使用，同时减少资源的使用，降低污染排放，全世界开始开发和推进电动汽车的使用。电动汽车比较符合国家节能减排的口号，一方面，电力做能源可以比油节约更多的钱，另一方面，电力相对比较清洁。虽然目前电动汽车技术还不算很成熟。动力电池的寿命也是有限的，同时，动力电池耐低温的技术还不是很合格，在低温环境下，动力电池的正常工作会受到较大的影响。增加续航能力也是当前环境下的一个较大的研究问题，这个方面需要花费巨大的经济及人力来研究攻克。同时，废弃的动力电池也将对环境造成严重污染，因此，增加动力电池的使用寿命也是当前电动汽车行业面临的一个很大的挑战。近几年来，美国、日本等部分发达国家为了促进电动汽车的进步，投资了巨额资金，同时每年继续投资大量的金额使其得到继续发展。各国政府也制定了相应的电动汽车发展计划，从这些计划运行的程度来看，很多大国和大的汽车公司把这些计划当做其汽车发展的重要部分，这将极大程度的发展如今电动汽车行业，使电动汽车的升级加快，让其往未来主流交通工具发展^[6-8]。

现如今，电动汽车补充电能的方式有两种，下面主要介绍插冲模式，其包括快充和慢充两种。

1. 慢充

慢充主要是夜间以很小的交流电进行充电，但其充电时间较长，一般8-12h。夜间为电价低估，这种方法有利于降低成本。但是无法保证紧急情况下的行驶要求。主要采用220V/16A的交流电。充电器使用国际统一标准，不会出现接口的规格不符问题。

1. 快充

快充主要是使用较大电量对汽车充电，时间一般在30分钟到一个小时。快充方式可以满足紧急出行情况，但是会影响电池寿命，同时大电流对技术和安全性更有一定的考研。快充模式具有以下特点：大电流、高电压，充电时间短。但是目前国际上尚未给出相关量的规定标准。如今使用的都是厂商自行设定的。

1.2国内外研究情况

（1） 国外情况

很多发达国家非常重视电动汽车这一领域，政府采用大量措施，鼓励电动汽车的发展。现如今，电动汽车已经在一些发达国家产生了很大的市场，在很多领域起到的表率作用，很多国家的政府用车都是电动汽车。

电动汽车之所以发展缓慢，其主要原因还是动力电池的技术不成熟。动力电池需要克服很多困难，在选择材料方面加以研究，就可以减少很多面临的问题。锂电池具有寿命长、能量密度大等优势，因此有很多公司将目光放到锂电池身上，为了让动力电池的规格同一，很多公司推广锂电池，想将锂电池作为动力电池的统一材料。

电动汽车的巨大市场已经逐步被国外汽车公司认识到，因此，这些公司对动力汽车的发展保持积极态度，并对电动汽车发展提供了很大帮助，包括电池技术研发、基础设施建设，比如建设很多充电设备。另外，美国电力研究院和很多电动汽车公司合作，开展了很多与动力电池相关的研究

（2）国内情况

我国一直很重视电动汽车的发展，对其发展花费了大量的人力、物力和财力，也取得不错的成果，研究出了一系列的相关产品，分别在北京、武汉、杭州等地开展了相关的运行。很多大城市都开始电动汽车作为公交车。同时，电动轿车也有广泛的使用。国家对电动汽车的普及也开展了很多推进活动。北京奥运会上，电动汽车起到了代表作用，也进一步推动了其在我国的发展。

国家电网对电动汽车的发展也是十分重视。国家电网已经长时间的研究其相关技术开发和推广工作，主要体现在一下几个方向：动力电池系统、充电系统、能源供给模式等几个方面，同时，推进基础设施建设。目前，电动汽车在国家电网公司有很多方面的应用。

我国对于电动汽车电池管理系统的研究还处在前期阶段。很多高校与一些电池厂家合作，一起研究，取得了很多成果。比如同济大学和一家电池公司一起研发的电池管理系统，有电池电压、电流进行采集，监测电池温度等功能。

一些相关公司在电动汽车研究方向也获得了较大成就。比亚迪公司就对电动汽车开发了一整套系统，具有电压、温度检测、安全保护等功能。北京一家电子科技公司开发了一套电池管理系统，也可以实时监测电池的各个指标，同时在异常情况下进行报警。

1.3 本文研究内容

本设计主要是设计模块化的动力电池单片电压巡检电路、温度检测电路、信号处理及信号采集电路与程序 ，估算电池电量(SOC), 并设计CAN通信接口电路，将电池信息传送给整车控制器^[9]。

本文内容如下：

第一章绪论，介绍课题的研究目的及其意义，同时分析国内外现状。

第二章为总体方案，介绍相关监测量的基本测量方法，简述CAN通信相关内容。

第三章硬件设计，包括各个模块电路的设计^[10,11]；

第四章软件设计，包括各个模块相应程序的设计^[12]；

第五章实验结果，将电压监测模块和温度监测模块分别加以实验；

第六章结论，对全文进行总结与展望。

第2章 总体方案

2.1 燃料电池基本概述

燃料电池通过电化学反应发电，因此，电控系统是保证它正常工作的必要系统。燃料电池的单片电池电压可以展示该电池工作状态，同时电池温度、湿度等参数可以直接影响到该电池的工作性能和寿命，对相关物理量进行监测，有利于燃料电池的正常工作。所以，燃料电池管理系统需要实时对单片电池电压、温度等参数进行监测，同时将所得到的信息发送到汽车的控制器。

燃料电池具有很多优点，以锂电池为代表的燃料电池具有寿命长、电压高、无污染、重量轻、能量密度高等特点。因此，在目前全球的电动汽车行业内，锂电池被广泛使用。

2.2 燃料电池参数测量方法

2.2.1 电压测量方法

(1)共模测量法

共模测量法要确定同一参考点，将精密电阻等比例衰减，然后测量各点电阻的电压，一次将所得到的电压相减，再根据电阻之间的电压转换，得到各个电池的电压值。该方法简单，但是误差高，不能满足电池数量较多情况时的精度要求。下图2.1为共模测量法的电路图。

图2.1 电阻分压电路

由图可知，BAT5经过电压转换可以得到U1，BAT5 BAT4经过电压转换可以得到U1 U2，以此类推。这种方法虽然测量简单，成本低，但是当电池数量较大时，累积误差会越来越大。因此这种方法只适合于测量精度要求不高，或者电池数量较少的情况。

（2）差分放大隔离法

差分放大隔离法是使用差分放大器获得单片电池电压，经选通单元，选择需要采集的电池，通过隔离放大器，送入A/D转换，就可以得到所需测量的电压。该方法消除共模电压，但是，在电池数量过大的情况下，需使用耐压值高的线性运放，对运放的数量要求也很多，同时需要很多精密元件，以至于设计成本高，且测量时容易破坏相关元件，总体稳定性不高。

2.2.2 温度测量方法

温度是电池工作时起着的参数之一，因此温度检测模块在整个系统中也是不可或缺的。在实际中，检测温度需要考虑很多因素。下面为几种常用的温度检测方法。

1. 热电阻测温

基于金属导体阻值随温度升高而升高的特点，我们选择金属导体作为电阻来进行温度检测。热电阻材料对金属纯度要求很高，而当前情况下铜和铂应用比较广泛。铂提纯率极高，性能稳定，随温度变化电阻改变的线性度好，灵敏度高，被广泛的使用在温度检测电路中。

热电阻测温电路通常使用电桥，将热电阻作为电桥其中一个桥臂，而电路中起着连接各元器件的导线也是有一定阻值的，且该阻值随温度变化，因此会出现一定的误差。

（2） 红外测温

红外测温系统是采用红外线技术来测量温度，有着响应时间快，精度准确，非接触式的优点。测温过程是：将光信号转变成电信号，再处理和放大所得信号，经过控制器将所得信号校正转变成温度值。但运行环境较苛刻，可能会被环境干扰，同时经济性不高，所以，并没有广泛的应用在生产生活中。

（3） 温度传感器测温

这里使用的是一款数字式温度传感器：DS18B20。具有体积小，抗干扰能力强的特点，同时与单片机相连的接口简单，还支持多个传感器并联使用。所构成的温度检测电路图如下图2.2所示：

图2.2 温度传感器监测电路

2.3 CAN通信概述

CAN是Controller Area Network的缩写，即控制器局域网络。CAN通信可靠性很高，工作性能好，已经被广泛使用在工业、医疗等领域，CAN网络在同一时间所有节点的数据是相同的，所以很适合传输电压、温度等信息。

CAN总线部分特点：

（1）总线结构为两线式，差分式电气信号；

（2）数据收发方式灵活，可实现多主工作，传输方式也具有多样性；

（3）CAN上出现问题时，可以自动关闭总线，不会对总线上的其他操作起到干扰；

（4）CAN发送的数据较短，为0-8Byte；

（5）CAN总线可以对信号定义优先级，满足不同时间的不同要求等。

2.4 系统总体方案设计

（1）单片电压巡检电路

该部分主要利用单片机控制三八译码器，控制每一块电池对应的三八译码器的输出电平，从而控制对应的光耦继电器的通断，起到选择电池的作用，再经过信号采集电路，获得所需信号，经过A/D转换电路，输送给单片机。

（2）温度检测电路

该部分主要利用单片机选择所需要测量的电阻对应的温度传感器，再将传感器的输出，经过一系列程序的数据处理，变成可以经过CAN通信后传给整车控制器的数据。

（3）CAN通信电路

该部分主要是利用单片机控制CAN总线的启动，然后CAN总线从单片机中获取数据，再将获得的数据发送到整车控制器。

（4）电池电量估计

由于锂电池的电压与剩余电量有一种非线性关系，我们可以测试出这种关系。电池电量可以根据电池电压大小估算得来，因此，在电压巡检电路得到电池电压后，就可以根据电池电压推算出电池电量，但是精度并不高。

第3章 硬件部分

3.1 引言

前面根据要实现的功能，对该系统做出了整体的构思，设计出了总体的方案，这一章，将根据前面的整体方案，设计整个系统的硬件部分，其中包括各种芯片的选型、单片电池电压监测电路设计、温度检测电路、CAN通信电路设计，在硬件方面对设计思路进行了一定的阐述。监测系统主要实现一下功能：

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