电动汽车电池管理系统设计与实现毕业论文
2020-02-19 07:52:47
摘 要
随着电动汽车的发展，锂离子电池因其充放电倍率高、循环寿命长、能量密度高、无污染的优点得到了广泛的应用。为了提高锂离子电池的使用效率，延长锂离子电池组的使用寿命，电动汽车运行过程中就需要电池管理系统对电池组的主要参数进行实时监测。
本文设计了基于STM32MCU和LTC6804电池组监测芯片的电池管理系统。通过一线总线结构的DS18B20芯片完成对电池组温度的监控，用霍尔传感器完成电池组电流的检测。使用LTC6804可以监测12个单体电池的电压，并可实现电池的均衡功能通过对电池组关键参数的采集，用电压、电流、温度的实时监测，完成对锂电池SOC的估算。
关键词：锂离子电池 电池管理系统 LTC6804 SOC
ABSTRACT
With the development of electric vehicles, lithium-ion batteries have been widely used due to their high charge-discharge rate, long cycle life and no pollution. In order to improve the use efficiency of lithium-ion batteries and prolong the service life of lithium-ion battery packs, the battery management system is required to monitor the main parameters of the battery pack in real time during operation of the electric vehicle.
This paper designs a battery management system based on STM32 microcontroller and LTC6804 battery pack monitoring chip. The LTC6804 can monitor the voltage of 12 single cells and realize the battery equalization function. The battery pack temperature is monitored by the DS18B20 chip of the one-wire bus structure, and the battery current is detected by the Hall sensor. Through the collection of key parameters of the battery pack, real-time monitoring of voltage, current and temperature is used to complete the estimation of the SOC of the lithium battery.
Key Words: lithium-ion,battery management system,LTC6804,SOC
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景、目的与意义 1
1.2 电池管理系统的国内外研究历史与现状 1
1.3 课题研究主要内容及章节安排 2
第2章 系统分析与设计方案 4
2.1 系统设计要求 4
2.2 整体结构设计 4
2.3 传感器选型 5
2.3.1 电压传感器的选型 5
2.3.2 温度传感器的选型 6
2.3.3 电流传感器的选型 7
第3章 硬件系统的设计 8
3.1 主控板硬件设计 8
3.1.1 单片机最小系统 8
3.1.2 控板电源设计 10
3.1.3 CAN接口电路设计 10
3.2 采集板硬件设计 11
3.2.1 电流采集电路 11
3.2.2 单体电压采集及均衡管理 12
3.2.3 隔离式SPI通信 13
3.2.4 LTC6804供电电路 14
3.2.5 温度采集电路 15
第4章 软件系统的设计 17
4.1 主程序设计 17
4.2 SOC估算算法 17
4.3 均衡模块程序设计 19
4.4 LTC6804程序设计 20
4.4.1 LTC6804初始化程序设计 20
4.4.2 电压检测程序设计 21
4.5 温度传感器程序设计 22
4.5.1 DS18B20初始化程序设计 22
4.5.2 温度检测程序设计 23
4.6 CAN通信程序设计 24
第5章 总结与展望 27
5.1 全文总结 27
5.2 展望 27
参考文献 28
致谢 30
绪论
研究背景、目的与意义
随着我国经济发展速度的加快，越来越多的汽车出现在道路交通上，由于石油属于不可再生能源，同时汽车排放的尾气严重的污染了大气，因此发展新能源汽车可以很好的解决汽车尾气污染的问题。新能源汽车使用动力电池来做为汽车的动力驱动，符合可持续发展战略，减少了二氧化碳的排放，降低了对石油的依赖，保护了环境[1]。
新能源汽车根据动力驱动源划分为三种类型：混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池电动汽车。电动汽车的行驶动力的大小和电池组的性能密不可分，在当前电池技术条件下，通过利用电池管理系统BMS(Battery Management System)来实现对电池组性能的改善与监控。
锂离子电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池，它的优点是相比于其他的电池既有一个较高的能量密度，同时又有一个很大的放电功率。但是由于每节锂离子电池自身的结构性差异和实际工作中所处的环境不尽相同，可能会导致实际工作中每节单体电池的电压同一个电池组的其他电池都存在差异，有时这个差异还会随着时间的累积而越来越大，进而影响了整个电池组的正常工作，使电池组的实际工作时间远远小于预期，对电动汽车的行驶也会造成很大的影响。为了解决电池组的均衡问题，更好的利用锂离子电池，我们采用BMS来解决这些问题，BMS可以有效预防电池组过充和过放，实时采集电池组的各项信息，如温度，电压，电流等，对电池组的充电过程和放电过程进行优化。
电池管理系统BMS的主要功能有：实时监测电池组单体电池的各项参数信息，判断单体电池是否过度充电或是过度放电，电池的均衡功能，SOC估计等。根据传感器搜集的电压，电流，温度的信息，来判断电池的SOC，来判断单体电池间电压是否相差过大，以此决定是否对电池采取均衡措施，保持每个单体电池在合理的充放电的环境下进行，以此保证单体锂电池的健康状况。
电池管理系统的国内外研究历史与现状
电池管理系统是新能源汽车的重点研究对象。国外对电动汽车电池管理系统的研究比国内开始的时间要早，就目前而言，国外生产的BMS比国内还是要先进一些，不过国内BMS发展势头较猛，大有赶超之势。国内外对电池管理系统中的核心问题，如SOC、电池均衡策略，都有很广泛的研究。
在SOC估计方面，目前开发的SOC估算算法有放电测试法、开路电压法、安时电流法、神经网络法、内阻法、线性模型法、卡尔曼滤波法等[9]。文献[1]采用基于安培小时计数法和卡尔曼滤波电池等效电路法结合的混合卡尔曼滤波器（HKF）方法估计电池的SOC值，发现HKF测得SOC值具有较小的误差。文献[2]提出了一种将深度学习和模糊逻辑法相结合的方式来对SOC进行自适应神经模糊计算，通过神经网络训练的方法把模糊逻辑算法中的经验值转变为训练值，提高估算精度。
在均衡策略的制定方面，Yuang shung Lee 利用模糊控制原理来操作电池均衡时的放电电流，并且可以估计电池组完成均衡操作所需要的时间。重庆大学的凌睿等人使用非线性PID方法对电池组均衡制定控制策略，根据误差对PID的增益系数进行修正[18]。
对BMS的研究与实际生产运用，大部分是汽车零件生产商和汽车制造商在投入精力，使得BMS成功运用于很多的电动汽车当中。其中比较有代表性的电池管理系统有：现如今在电动汽车领域举足轻重的美国特斯拉公司研发的基于纯电动汽车的BMS，他们公司生产的电动汽车配备的BMS采用主从架构，主控制器（BMU）与从控制器(BMB)各司其职完成整个BMS的各项功能，使得特斯拉汽车几乎成为高端电动汽车的代名词。
惠州市亿能电子有限公司主要从事研发电动汽车、储能电站等比较大型的BMS，并且该公司还提供生产、销售服务。亿能电子的BMS核心技术在国内还是处于领先地位的，其生产和销售的电池管理系统在国内市场占有很大的份额。公司汽车BMS产品有EV01、EV02、EV03、EV04、EV05系列。公司产品逐步成为国际性重大活动所使用的纯电动大巴的首选。
比亚迪股份有限公司是近来来发展势头极佳的汽车生产商。该公司生产的电动汽车拥有配套的电池组和BMS，比如该公司电动汽车的代表车型比亚迪秦，该车型配套的BMS除了一般BMS电池热管理、能量监控等功能，还能实现电池单体的自动均衡功能。未来带主动均衡功能的BMS肯定是发展趋势。
课题研究主要内容及章节安排
此次研究课题的主要内容是设计一个BMS来对电池组进行管理，电池组是由20串18并型号为21700的锂电池所构成。
第一章主要介绍研究BMS的的背景，目的，意义。文章从研究BMS的必要性，当前大的国际发展趋势，研究BMS促进电动汽车的发展会给整个能源领域带来的变革解释了BMS的重要性，通过对国内外目前BMS发展的阶段性状况做了一个简短性介绍。
第二章作为对整个BMS的框架式的结构分析，结合选题给出的具体要求，给出了一个整体方案，由于涉及到信息的采集，选用了不同功能的传感器，对这些主要的传感器做了一个初步的介绍。
第三章介绍了设计的BMS的硬件电路，从微控制器的选型，主控板的CAN接口电路到采集板的各个功能模块电路，都做了详细的原理分析。
第四章分析了设计的BMS的软件部分，从系统的初始化，对两个采集信息的芯片的初始化，到对SOC的估算算法，电池的均衡算法都做了一个阐述。
第五章则对全文做了一个总结和展望。
系统分析与设计方案
系统设计要求
锂电池采用新型21700电池，电池21700是圆柱型电池的型号，具体指：21指圆柱电池的外径为21mm；700指圆柱电池的高度为70.0mm。21700电池的单体电池容量可以达到3~5Ah，21700电池系统能量密度在300Wh/kg左右。
BMS对电池组的单体电压、电流、温度实施监测，所以BMS的输入信号有电压信号、温度信号、电流信号。本次设计的BMS监控对象是由20串18并构成的电池包。采集电池组的电压、电流、温度，通过CAN总线将采集的输入信号传送给上位机实时显示，通过MCU判断电池的荷电状态SOC，并根据单体电池的电压差值判断单体电池是否需要均衡。
每节锂离子电池工作电压为3.6V,一串锂离子电池组由20个单体电池串联而成，电池组的总电压为72V,单体电压采集20路，18并中的任一支路的20个锂离子电池的单体电压，单体电池的充电截止电压为4.2V，放电截止电压为3.0V，电压变化范围为3.0~4.2V。
每节单体电池的额定容量为5Ah，20串18并锂电池的额定容量为1800Ah，放电倍率1-3C,通过锂电池组带动额定功率为5kw,额定电压为72v的电机，放电电流约为69.4A，充电倍率为0.6C，在主线路上采集电流信号采集1路电流,用采集的干路电流除以18即可得到每个支路的电流值。
常规的锂电池工作温度为－20℃~60℃，锂电池性能完全的工作温度常见是0℃~40℃，采集18路温度（每一20串电池组的对应温度），温度范围为－20~60℃。
整体结构设计
本系统以20串18并构成的电池组作为电池管理系统的管理对象，整个系统由采集板
图2-1 系统结构图
和主控板构成，电池管理系统的整体结构图如图2-1所示。
电池管理系统采集板模块分为温度采集模块、单体电压采集模块、电流采集模块。温度采集模块通过单总线与MCU通信，单体电压采集模块通过SPI通信与MCU数据传输，电流采集模块，电流采集模块通过微控制器ADC通道输入储存器，MCU与上位机的通信通过CAN总线实现。MCU将模块采集的温度、电流、单体电池电压数据进行处理，通过已有的数据信息进行SOC估算，并判断单体电池是否需要均衡操作，通过MCU发出控制指令，进而将对应的单体电池进行放电操作，实现电池均衡。并将采集的温度、电压、电流、SOC通过CAN总线发送到上位机进行实时显示，监控。
传感器选型
电压传感器的选型
电压传感器用来采集单体电池的电压信息，由于需要同时采集20路电压信号，所以要用到20个电压传感器，每节单体电池的电压变化范围在3.0V~4.2V。
常用来做电池组电压监控芯片有美国LINEAR公司生产的LTC6804芯片，和日本ROHM公司生产的ML5238芯片。LTC6804作为第三代多节电池的电池组监视器，可以测量单体电池电压，一片LTC6804最多同时测量12串单体电池的电压，测量电压范围为－0.5V~5.5V，完成采集一片芯片上所有外接的单体电池电压的测量时间仅需要290us，电压采集的误差控制在1.2mv之内。ML5238芯片电压采集范围为0~5V，一片ML5238最多可以采集15/16串单体电池的电压，完成一次电压采集所需要的时间约为350us，电压采集的误差在10mv。
ML5238芯片自身不支持级联，而LTC6804支持级联可以把多个LTC6804芯片串接起来完成对多组单体电池的同时监测，由于此次需要同时采集20串单体电池的电压，而且此次设计的BMS是针对电动汽车，所以选择精度更高的LTC6804芯片，它能够满足单体电池电压数据采集的所有要求。
LTC6804内有13个电池输入引脚接口，分别为C0~C12,可以同时测量12节单体电池的电压，LTC6804内部内置两个ADC通道，能够将采集的单体电池电压实行A/D转换。由于此次设计需要采集20个单体电池的电压，而单片LTC6804最多只能测量12节单体电池的电压，所以要对LTC6804级联。LTC6804是可以串接的芯片，可以同时采集很多单体电池的电压信息。不过LTC6804的串接方式有两种，LTC6804芯片有两种型号，LTC6804-1,LTC6804-2。LTC6804-1需要串接多个芯片时，采用菊链式连接方式，这种方式连接所有LTC6804-1仅有一根MCU接线。LTC6804-2需要串接多个芯片时，采用将多个芯片并联至MCU，每个器件都有自己的地址，对每个LTC6804-2采用个别寻址的方式。此次设计选用LTC6804-1，完成对20串单体电池电压的监测。
此次设计采用LTC6804-1芯片，LTC6804-1芯片的管脚结构图如图2-2所示：
图2-2 LTC6804-1管脚图
温度传感器的选型
温度传感器用来完成对电池组的温度监控，防止电池组的温度过高影响电池组的工作性能，此次设计的BMS需要对每个电池组的温度进行测量，需要采集18个电池组的温度信号。
常用的温度传感器DS18B20和热敏电阻，由于采用热敏电阻测温输出的是模拟信号，而采用DS18B20测温输出的是数字信号。使用DS18B20外围电路极其简单，实现多点同时测温只需要把多个芯片通过一条总线连接起来，不占用MCU的I/O口资源，同时还具有较高的灵敏度；使用热敏电阻测温的外围电路相对复杂，同时占用了过多的I/O口资源。为实现18路温度信号的同时测量选用DS18B20芯片。DS18B20管脚结构图如图2-3所示
图2-3 DS18B20管脚图
DS18B20是应用广泛的数字温度传感器，DS18B20的单线接口方式使得与微处理器通信时仅需要一条口线，即可完成信号的双向传输。DS18B20的测温范围是－55℃~ 125℃，能够完成设计要求的测温范围的温度测量。使用DS18B20时芯片接线简单，芯片的外围不需要其他额外的接线和元件，由于要采集18路的温度信号，需要用到多个DS18B20，仅需要将多个DS18B20并联在三线上（电源线、地线、数字信号输入/输出端）即可完成接线。DS18B20内部具有AD转换功能，可以将采集的温度由模拟信号转换为数字信号通过数字信号输入/输出端传递给MCU，将测量的温度数字信号通过单总线以串行方式传输给MCU，从而实现对电池组的温度测量。
电流传感器的选型
采用分流器检测电流的方法采集电流会存在一定的误差，会同时产生共地、热管理等问题，所以用这种方式采集电流并不可取，在此次设计中采用霍尔传感器来对电流值进行采集。霍尔电流传感器是利用霍尔效应的原理制作的一种非接触式电流测量器件。在此次电池管理系统的设计中，放电电流达到了69.4A，可以选用ACS758LCB-100B霍尔电流传感器。ACS758LCB-100B的芯片管脚图如图2-4所示。
图2-4 ACS758LCB-100B引脚图
ACS758LCB-100B灵敏度为20mV/A，测量范围为-100~100A。ACS758LCB－100B的供电电压可以选用3.3V~5V的电源供电，查询芯片的数据手册可知，ACS758LCB－100B输出与输入的关系为式2-1所示：
(2-1)
其中Viout为ACS758LCB-100B输出的电压值，Vcc表示芯片的供电电压，此次设计选用的Vcc为5V，Ip表示测量电流，S为芯片的灵敏度，芯片输出引脚的电压压介于2.5～4.5V之间。
硬件系统的设计
主控板硬件设计
BMS的主控板主要发出控制命令，配合采集板完成对电池组各项数据的采集。将采集板采集的各项数据传输到主控板的储存器，通过对数据的分析与处理，完成SOC的估算，是否对单体电池采取均衡措施，并将是否开启单体电池的放电标志位反馈给LTC6804内部的标志寄存器。将采集的各项数据信息、当前SOC估算值、哪些电池在进行均衡操作，通过CAN通信电路传输给上位机实时显示。
单片机最小系统
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