畢業(yè)設(shè)計(jì)-純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 送到主節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)車 的身上的各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。同時(shí)也會(huì)將電池組的 狀態(tài)量 傳送到顯示單元進(jìn)行顯示 。 基于 STM32的車在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制框圖 根據(jù)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)功能和實(shí)際參與控制的對(duì)象 , 設(shè)計(jì)出電池管理系統(tǒng)中央控制器及電池測(cè)控模塊 ,采用功能劃分和模塊化設(shè)計(jì)思想 , 系統(tǒng)分離成不同的功能模塊。電池管理系統(tǒng)中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心 ,整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由 3 個(gè)模塊組成 : （ 1）信號(hào)采集模塊 。 （ 2）中央處理器模塊 。 （ 3） 顯示模塊 。 本文設(shè)計(jì)的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如下圖 21 所示。 11 D B 1 2 0 3（ 1 4 ）S T M 3 2 F 1 0 3 V B芯 片K E Y緊 急 停 車加 速 踏 板制 動(dòng) 踏 板車 速 方 波P T 1 0 0電 流電 池 電 壓溫 度控 制充 電狀 態(tài)切 斷高 壓車 速狀 態(tài)電 機(jī)溫 度S O C 值計(jì) 算溫 度異 常控 制 輸 出繼 電 器緊 急 制 動(dòng)S O C 值電 機(jī) 溫 度車 速 狀 態(tài)電 池 溫 度故 障 信 息控 制 器 狀態(tài)制 動(dòng) 能量 回 收 圖 21 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖 信號(hào)的采集與處理 電動(dòng)汽車的蓄電池組通常要包含幾十只甚至上百只單體電池，鋰電池或鎳氫電池可能達(dá)到上百個(gè)單體，通常工作電壓在 300 V 左右，工作電流高達(dá)幾百安培 。電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的，檢測(cè)比較容易，而端電壓的檢測(cè)則比較困難 。 若只檢測(cè)電池組的端電壓，方法很簡(jiǎn)單，只需在電池組的兩端接上檢測(cè)電路即可，但這樣做是不行的，因?yàn)殡m然可以得到總的工作電壓，但無(wú)法判斷具體某只單體電池的端電壓，而只要有一只電池出問(wèn) 題就會(huì)影響整組電池的正常工作和性能 。 電池管理系統(tǒng)需要采集的信號(hào)有 :電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)。過(guò)多的信號(hào)將導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜 ,從降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性等方面考慮 ,電池管理系統(tǒng)越簡(jiǎn)單越好。電池管理系統(tǒng)信號(hào)采集如下 : 12 (1) 電壓信號(hào)的采集 :鋰離子電池管理系統(tǒng)需要采集每個(gè)單體電池的電壓信號(hào)。電壓采集電路通過(guò)線性光耦開(kāi)關(guān)依次選擇被測(cè)的電池單體 ,通過(guò)采樣保持電路后 ,經(jīng) A/ D 轉(zhuǎn)換采集電壓數(shù)據(jù)。 (2)電流信號(hào)的采集 :系統(tǒng)只需采集整個(gè)電池箱的充放電電流 ,故采用分流計(jì)采集電流數(shù)據(jù) 。 (3)溫度信號(hào)的采集 :采用溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。綜合考慮溫度的準(zhǔn)確性和可靠性 ,電池箱設(shè)置 10個(gè)溫度采集點(diǎn) ,均勻分布在電池箱的待測(cè)電池單體上。 本文所述信號(hào)采集系統(tǒng)的基本處理方法，是外圍電路提供一個(gè)參考電壓，把采集到的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)兩者的比較，把得出的數(shù)據(jù)通過(guò) CAN口傳輸?shù)絻x表上顯示。通過(guò)比較得出的 X值就是所檢測(cè)的電池電壓。本系統(tǒng)設(shè)定的參考電壓為 ，假設(shè)采集到的信號(hào)量為 X，采用的原理公式如下： 車載系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊 CAN 網(wǎng)絡(luò)的基本概念 CAN總線是德國(guó) Bosch公司 20世紀(jì) 80年代初 為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議 . CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ( ISO 11898) ,是具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線 ,規(guī)范 210A 和 210B. CAN 總線可支持 8 /16位 CPU,可與各種處理器接口或組成智能化儀器儀表 。可工作于多主工作方式 ,任一節(jié)點(diǎn)任一時(shí)刻均可主動(dòng)發(fā)送信息 ,不分主從 ,通訊方式靈活 ,可方便的構(gòu)成多機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng) 。節(jié)點(diǎn)可分成不同優(yōu)先級(jí) ,滿足不同的實(shí)時(shí)要求 。采用非破壞性總線仲裁技術(shù) ,多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí) ,優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn) ,主動(dòng)停止發(fā)送 ,優(yōu)先級(jí)高的不受影響繼續(xù)發(fā)送 ,有效的避免了總線沖突 。可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式傳送和接收數(shù)據(jù) ,直接傳送距離達(dá) 10km /5Kbps, 速率最高達(dá) 1Mbp s/40m,總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)理論值達(dá) 2021 個(gè) ,實(shí)際由于時(shí)延可達(dá)110個(gè) 。采用短幀結(jié)構(gòu)每一幀有效字節(jié) 8個(gè) ,傳輸時(shí)間短 ,受干擾概率低 ,重新發(fā)送快 。通訊介質(zhì)可采用雙絞線及光纖 。用戶接口簡(jiǎn)單、編程方便 。溫度 40℃～ + 13 125℃工作 。節(jié)點(diǎn)故障時(shí)有自動(dòng)關(guān)閉總線功能 ,可以與總線脫離 ,不影響總線操作 。每幀具有 CRC校驗(yàn)和其它檢測(cè)措施 ,保證出錯(cuò)率極低 。具有很高的適應(yīng)性 。接口收發(fā) 器具有瞬時(shí)電壓保護(hù) , RT抑制、熱保護(hù)、短路保護(hù)等 . CAN 通信協(xié)議規(guī)定了 4 種不同的幀格式 ,即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀。基于下列 5 條基本規(guī)則進(jìn)行通信協(xié)調(diào) ： （ 1）總線訪問(wèn) ； （ 2）仲裁 ； （ 3）編碼 / 解碼 ； （ 4）出錯(cuò)標(biāo)注 ； （ 5）超載標(biāo)注。 電動(dòng)車對(duì)通信系統(tǒng)的要求是 : （ 1） 數(shù)據(jù)傳輸可靠、實(shí)時(shí)性高 ,傳輸速率高、誤碼率低 。 （ 2） 系統(tǒng)的可靠性高 ,即當(dāng)節(jié)點(diǎn)或總線出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)整車性能的影響盡可能的小 。 （ 3） 系統(tǒng)的魯棒性好 ,允許多主網(wǎng)絡(luò)存在。 CAN 總線作為一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)完全能夠滿足這些要求 ,其模型結(jié)構(gòu)只有三層 ,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。 CAN 網(wǎng)絡(luò)在車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 電動(dòng)車 CAN 總線系統(tǒng) ,由中央控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)組成。各個(gè)控制器之間通過(guò) CAN 總線進(jìn)行通信 ,以實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的共享、控制指令的發(fā)送和接收等 ,并使各自的控制性能都有所提高 ,從而提高系統(tǒng)的控制性能。它們之間的通信與信息類型為信息類和命令類。信息類主要是發(fā)送一些信息 ,如傳感器信號(hào)、診斷信息、系統(tǒng)的狀態(tài)。 CAN 總線具有較高的性價(jià)比 ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,器 件容易購(gòu)置 ,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格較低 ,開(kāi)發(fā)技術(shù)容易掌握 ,能充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是應(yīng)用在電池電動(dòng)汽車的整車分布式 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的 , 對(duì)整個(gè) CAN 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22所示。 14 數(shù) 據(jù) 顯 示 系 統(tǒng)C A N 節(jié) 點(diǎn)S O C 系 統(tǒng)電 池 監(jiān) 控 系 統(tǒng)溫 度 、 電 壓 、電 流 信 號(hào)電 壓 、 電 流信 號(hào)溫 度 、 電 壓 、電 流 信 號(hào)電 池 組C A N 節(jié) 點(diǎn)C A N 節(jié) 點(diǎn)C A N 節(jié) 點(diǎn)電 池 保 護(hù) 系 統(tǒng)C A N 總 線 圖 22 CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 CAN網(wǎng)絡(luò)在 本文設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)中起到的作用跟如上所述相同。通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)各單體蓄電池的溫度和電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集，通過(guò) CAN總線與控制器進(jìn)行通訊，將蓄電池組 SOC，溫度和電壓等參數(shù)實(shí)時(shí)傳送 給總控制器。 系統(tǒng)主要性能指標(biāo) 一般認(rèn)為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集 (包括溫度 、 電壓 、 電流等 )、 電池荷電狀態(tài) (SOC)的準(zhǔn)確估計(jì) 、 不健康電池的早期診斷 、 對(duì)電池組安全運(yùn)行全面監(jiān)控，如防止電池的過(guò)充電和過(guò)放電等。 本采集 系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及指標(biāo) （ 1） 自動(dòng)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)不同標(biāo)定電壓電池的單體電壓及總電壓值 。 （ 2） 自動(dòng)對(duì)蓄電池組參數(shù)按時(shí)間順序循環(huán)檢測(cè) 。 （ 3） 電池老化監(jiān)測(cè)與落后電池甄別 ， 對(duì)其補(bǔ)充充電 。 （ 4） 電池組 / 單電池充電壓監(jiān)測(cè)與超常判斷 ， 報(bào)警 。 （ 5） 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì) ， 遠(yuǎn)程管理和集中監(jiān)控 。 （ 6）模塊化結(jié)構(gòu) ， 便于安 裝維護(hù) 。 15 系統(tǒng)預(yù)期誤差的評(píng)估 本文設(shè)計(jì)的的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)電動(dòng)車動(dòng)態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，由于諸多外界因素的影響，不可避免的會(huì)造成系統(tǒng)誤差。 (1) 電流測(cè)量誤差。本系統(tǒng)采用的是霍爾是電流計(jì)，二而電機(jī)內(nèi)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)霍爾電流計(jì)產(chǎn)生影響，這樣就導(dǎo)致了測(cè)量誤差的出現(xiàn)。 (2) 電池溫度誤差。電池的溫度是通過(guò)溫度傳感器采集信號(hào)的，電動(dòng)車在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)顛簸，可能導(dǎo)致傳感器松動(dòng)等不良測(cè)量狀態(tài)的出現(xiàn)，這樣測(cè)量的電池溫度就可能不全是電池溫度，采集的信號(hào)也可能是溫度信號(hào)。 (3) 電機(jī)溫度誤差。電機(jī)的溫度測(cè)量采用的信號(hào)放大 裝置， PT100 是很敏感的電阻。稍微遇到信號(hào)干擾就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值的偏差，比如噪聲等造成的。 (4) 車速測(cè)量誤差。車速測(cè)量采用的是脈沖采集法，由于每個(gè)脈沖方波的時(shí)間很短，對(duì)信號(hào)的采集控制就不容易控制。如 T 1T 2 圖 脈沖方波圖 如每五個(gè)周期的脈沖進(jìn)行一次采集，系統(tǒng)就可能以脈沖的上沿線和下沿線難以辨別，就會(huì)造成采集時(shí)間長(zhǎng)度 T1和 T2的不同，這樣就會(huì)存在一個(gè)周期的誤差。 16 第三章 基于 STM32F103VB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章重點(diǎn)介紹 STM32F103VB 系列芯片以及其外圍電路的設(shè)計(jì)。 選擇STM32F103VB 芯片的原因是因?yàn)檫@個(gè)芯片帶有 CAN 借口和 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而汽車上幾乎所有的端口都是 CAN 接 口。而且此采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多塊高壓電池的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并不需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就可以直接從 CAN 端口輸送到儀表上面顯示出來(lái)。具體可以檢測(cè)的內(nèi)容如查電池是否有故障，某一塊電池低電壓而且可以找出是哪一塊電池出現(xiàn)了異常。這就是本采集系統(tǒng)的意義所在。 車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的硬件主要分為微控制器最小系統(tǒng)、信號(hào)采集電路、電源電路、光電隔離電路、信號(hào)巡檢電路、 CAN 通信和串口通信以及擴(kuò)展 EEPROM 電路 。如圖 31所示： 電 壓 信 號(hào)電 流 信 號(hào)溫 度 信 號(hào)S T M 3 2 F 1 0 3 B串 口 通 信C A N 通 信巡 檢 電 路電 源 模 塊單 體電 壓 信 號(hào)擴(kuò) 展E E P R OM 圖 31電池管理系統(tǒng)硬件框圖 STM32F103VB 簡(jiǎn)介 STM32F103VB是一 個(gè)完整的系列，其成員之間是完全地腳對(duì)腳兼容，軟件和功能上也兼容， 其 功能 描述如下。 （ 1） 內(nèi)核： ARM 32位的 Cortex?M3 CPU： 最高 72MHz工作頻率；在存儲(chǔ)器的 0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá) ； 單周期乘法和硬件除法。 （ 2） 存儲(chǔ)器：從 64K或 128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器；高達(dá) 20K字節(jié)的 SRAM。 （ 3） 時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理： ～ I/O引腳；上電 /斷電復(fù)位 (POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測(cè)器 (PVD)； 4～ 16MHz晶體振蕩器 ； 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校17 的 8MHz的 RC振蕩器內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的 40kHz的 RC振蕩器；產(chǎn)生 CPU時(shí)鐘的 PLL；帶校準(zhǔn)功能的 32kHz RTC振蕩器 （ 4） 低功耗：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式； VBAT為 RTC和后備寄存器供電 （ 5） 2個(gè) 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 1μs 轉(zhuǎn)換時(shí)間 (多達(dá) 16個(gè)輸入通道 )： 轉(zhuǎn)換范圍： 0至 ； 雙采樣和保持功能 ； 溫度傳感器 （ 6） DMA： 7通道 DMA控制器；支持的外設(shè)：定時(shí)器、 ADC、 SPI、 I2C和 USART （ 7） 多達(dá) 80個(gè)快速 I/O端口： 26/37/51/80個(gè) I/O口，所有 I/O口可以映像到 16個(gè)外部中斷；幾乎所有端口均可容忍 5V信號(hào) （ 8） 調(diào)試模 式：串行單線調(diào)試 (SWD)和 JTAG接口 （ 9） 多達(dá) 7個(gè) 定時(shí)器： 3個(gè) 16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá) 4個(gè)用于輸入捕獲 /輸出比較 /PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入； 1個(gè) 16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的 PWM高級(jí)控制定時(shí)器； 2個(gè)看門狗定時(shí)器 (獨(dú)立的和窗口型的 )；系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器： 24位自減型計(jì)數(shù)器。 （ 10） 多達(dá) 9個(gè)通信接口：多達(dá) 2個(gè) I2C接口 (支持 SMBus/PMBus)多達(dá) 3個(gè) USART接口 (支持 ISO7816接口， LIN， IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制 )；多達(dá) 2個(gè) SPI接口 (18M位 /秒 )； CAN接口 ( 主動(dòng) )； USB 。 （ 11） CRC計(jì)算單元， 96位的芯片唯一代碼 （ 12） ECOPACK174。封裝 這些豐富的外設(shè)配置，使得 STM32F103VB產(chǎn)品容量增強(qiáng)型系列微控制器適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合： （ 1） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制 （ 2） 醫(yī)療和手持設(shè)備 （ 3） PC游 戲外設(shè)和 GPS平臺(tái) （ 4） 工業(yè)應(yīng)用： 可編程控制器 (PLC)、變頻器、打印機(jī)和掃描儀 （ 5） 警報(bào)系統(tǒng)、視頻對(duì)講、和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等 18 STM32F103VB 電源模塊的設(shè)計(jì) 電源電路的設(shè)計(jì) STM32F103VB系列的供電方案如下： （ 1） VDD=： VDD引腳為 I/O引腳和內(nèi)部調(diào)壓器供電。 （ 2） VSSA， VDDA = ：為 ADC、復(fù)位模塊、 RC振蕩器和 PLL的模擬部分提供供電。使用 ADC時(shí)， VDDA不得小于 。 VDDA和 VSSA必須分別連接到 VDD和 VSS。 （ 3） VBAT=～ ：當(dāng)關(guān)閉 VDD時(shí)， (通過(guò)內(nèi)部電源切 換器