动力电池管理系统硬件设计电路图
毕业设计(论文)-纯电动汽车电池管理系统(bms)[管理资料]
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摘要随着工业发展和社会需求的增加，汽车在社会进步和经济发展中扮演着重要的角色。
汽车工业的迅速发展，推动了机械、能源、橡胶、钢铁等重要产业的发展，但同时也日益面临着环境污染、能源短缺的严重问题。
纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。
作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统(BMS)，是纯电动车产业化的关键。
车载网络数据采集系统就是这样一个电池管理系统，可以直接检测及管理电动汽车的储能电池运行的全过程，实现对车载多级串联锂电池、电池温度、车速等数据的监测、采集和分析。
本论文是基于CAN总线的车载网络数据采集系统选用STM32F103VB作为系统的核心芯片，通过芯片自带的12位ADC对端口电压分别进行采集和监测，并通过CAN网络将采集到的数据发送到汽车仪表盘，为车辆状态量实时监测提供数据来源。
关键词：纯电动车，电池管理系统，电池状态，STM32F103VBAbstractWith industrial development and social demand, vehicle of social progress and economic development play important roles. Although the rapid development of automobile industry promote the machinery, energy, rubber, steel and other important industries, it is increasingly faced with environmental pollution, energy shortages and other serious problems.With the merit of zero-emission, and low noise, the pure electric vehicles which is called green cars has got more and more attention around the world. As one of the key technologies for the development of electric vehicles ,battery management system (BMS) is the point of the pure electric vehicle industry. Vehicle network data acquisition system is a battery management system that can directly detect and manage the storage battery electric vehicles to run the whole process, to achieve the data monitoring, collection and analysis of the on-board multi-level series of lithium battery, battery temperature, speed, and otherThe thesis is based on the vehicle CAN bus data acquisition system to chose STM32F103VB network as the core of the system ADC which comes from the chip collect and monitor the port voltages and sent the collected data to the car dashboard through the CAN network , which offer real-time monitoring of vehicle status amount of data sources.Key words：Pure electric cars, Battery Management Systems, The battery state, STM32F103VB摘要 (1)Abstract (2)第一章前言 (5)本课题研究的目的和意义 (5)车载网络数据采集系统的国内外研究现状 (6)本论文研究的主要工作 (7)第二章车载网络数据采集系统设计的原理 (9)车载网络数据采集系统的功能概述 (9)车载网络数据采集系统的结构 (10)基于STM32的车在网络数据采集系统设计控制框图 (10)信号的采集与处理 (11)车载系统的网络通讯 (12)CAN网络的基本概念 (12)CAN网络在车载数据采集系统中的应用 (13)系统主要性能指标 (14)系统预期误差的评估 (15)第三章基于STM32F103VB数据采集系统的硬件设计 (16)STM32F103VB简介 (16)STM32F103VB电源模块的设计 (18)电源电路的设计 (18)STM32启动模式电路选择设计 (18)STM32F103VB外围接口电路的设计 (19)模数转换器的电路设计 (19)测温电路设计 (20)复位电路的电路设计 (21)STM32F103B通讯电路的设计 (21)CAN通讯接口电路设计 (21)JTAG程序调试接口电路设计 (22)RS485通讯电路设计 (23)第四章基于STM32数据采集系统的软件设计 (25)Keil uVision3平台简介 (25)基于STM32的车在网络数据采集系统的程序设计 (25)数据采集模块程序设计 (26)LCD显示模块程序设计 (27)数据存储模块程序设计 (27)CAN数据通讯模块程序设计 (28)RS485通讯模块程序设计 (28)第五章误差分析与处理 (29)误差概述 (29)误差的主要来源 (29)误差的处理 (29)误差分析 (30)测控系统的非线性 (30)系统工作环境的噪声 (31)系统的稳定性 (31)误差处理 (32)实测电压数据分析 (32)整机PCB板设计 (33)第六章总结与展望 (35)总结 (35)展望 (35)参考文献 (36)致谢 (36)第一章前言本课题研究的目的和意义随着世界工业经济的不断发展和人类需求的不断增长，对全球气候造成严重的影响，二氧化碳排放量增大，臭氧层遭受到破坏等。
纯电动汽车动力电池管理系统原理及故障诊断
图1 北汽新能源EV200控制系统网络通讯对于电动汽车动力电池来讲，各个整车厂商的控制策略基本相同，但选用的控制元器件精度、性能有所不同，特别是实现控制策略的算法、应用程序各不相同，因此也成为各个厂家的特色和机密。
各整车厂商在控制软件开发上，会根据使用过程发现的问题不断完善，可以通过刷程序来为车主的爱车升级。
维修人员取得整车厂商的授权，得到控制程序和密码后，就可以通过车辆图2 动力电池管理系统与外部系统CAN通讯关系框图图3 电芯电压检测接点分布从控盒电路板上的检测电路对各个电芯巡回检查，电压数据经隔离后送到电路板计算区域处理，再通过内部CAN线送主控盒分析处理。
主控盒要进一步计算整个电池包的SOC，以及最高电压电芯与最低电压电芯的差值是否超标，是否达到放电截止电压或充电截止电压，然后再做后续控制处理。
电池温度检测一般在电池模组上安置温度传感器检查，温度传感器安置在模组的接线柱附近。
温度传感器的测量引线分别送图4 电芯电压检测线与检测电阻阵列图5 动力电池上下电过程原理图图6 高压回路绝缘检测与继电器开闭状态检测控制盒2．动力电池母线继电器开闭状态检测与高压回路绝缘检测(1)动力电池对外高压上下电过程控制图5是动力电池上下电过程原理图。
动力电池对外部负载上的电指令如下。
驾驶员起动车辆，钥匙置ON位，动力电池负极继电器闭合，全车高压系统各个控制器初始化、自检，完成后通过CAN线通报。
动力电池对内部电芯电压和温度检查合格、母线绝缘检测合格，动力电池主控盒接通预充继电器（预充继电器与预充电阻串联，然后与正极继电器并联）。
动力电池为外部负载所有电容图7 变阻抗网络电路图9 套装在母线上的霍尔电流传感器图7b 变阻抗网络电路图7c 变阻抗网络电路关断时,图7b桥式阻抗网络的等效形式为R g1与串联。
这时,电源电压为U 01，电流为I 1。
R/(R g1+R)) (1)关断时，图7c桥式阻抗网络的等效形式为R g2串联,这时,电源电压为U 02、电流为I 2。
电池管理系统硬件电路设计
电池管理系统硬件电路设计电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态：电池的电压、电流和温度，预测电池组的荷电状态SOC 和相应和剩余行驶里程，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充、过热，对出现的故障应能及时报警，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。
为了实现这些任务，本系统对各个功能模块进行了划分，形成各智能测量与控制节点，这些节点又统一由一个基于MC9S12DP512 的中央控制单元(CCU)进行控制管理，整个系统与整车各控制器间用基于CAN (ControllerArea Network)的总线来进行通讯。
CAN 总线的应用，可以完全满足现代汽车设计中通讯的高可靠性和快速性要求。
CAN 通讯的采用可以使整个管理系统与整车的管理系统对接，实现整车管理系统的优化。
同时为了便于以后对电池模型的研究，本系统设计了基于USBCAN 的PC 机端CAN 通讯接口，实现了PC 对BMS 的快速访问，以便用PC 强大的数据处理功能来处理所采集到的数据。
1.1 电池管理系统硬件方案设计1.1.1 BMS 硬件功能硬件的设计必须要实现对动力电池组的合理管理，首先必须保证采集数据的准确性；其次是可靠稳定的系统通信；最后非常重要的是抗干扰性。
在具体实现过程中，根据设计要求决定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求决定前向通道的设计；根据抗干扰性要求设计合理的通讯接口电路。
1）电池组管理系统的硬件电路为管理软件提供了工作平台，该硬件的主要功能与基本特点如下：(1)设计有掉电保护RAM，用于存储故障诊断结果、自学习结果、电池历史使用情况等参数。
由于研制阶段的BMS 的备用电源随时可能掉电，使用过程中的备用电源也可能在车辆维护过程中拆除，因此须在这些情况下保持数据不丢失。
(2)具有BMS 的自学习策略。
(3)BMS 的EMC 能力强。
(4)实现BMS 的模块化设计，特别是可靠的独立的CPU 板设计，降低开发成本、提高开发效率。
动力电源系统原理介绍
动力电源系统原理介绍一、基站电源供电系统的组成结构基站电源供电系统的组成结构如图所示。
图2-基站电源供电系统的组成结构图１、高频开关电源的基本组成图3-高频开关电源的基本组成２、高频开关电源主要特点◆重量轻、体积小、适用于分散式供电◆效率高（达90%以上）◆功率因数高（大于0.92)◆稳压精度高达0.2%◆噪音低◆维护方便◆可靠性强◆扩容方便◆调试方便◆便于实现集中监控、无人值守◆对交流输入电源要求低◆自动化程度高◆存在高频谐波干扰◆控制电路复杂二、基础电压指标◆三向输入连接法：三相四线制A、B、C、N的颜色顺序为黄．绿．红．蓝◆供电质量标准◆1、直流电源电压变动范围◆-48V系统：-40V—57V◆+24V系统：19V—29V◆全程最大允许压降：◆-48V系统：3V◆+24V系统：2.6V◆直流供电回路接头压降：◆1000Ah以下：每100安培≤5mV◆1000Ah以上：每100安培≤3mV1、交流市电电源供电标准◆额定电压：220V/380V；◆额定频率：50HZ；2、交流油机电源供电标准◆额定电压：230V/400V◆额定频率：50HZ；◆三相供电电压不平衡度不大于4%。
◆电压波形正弦畸变率不大于5%◆交换局接地电阻<1Ω；基站接地电阻值<5Ω；表是基站电源参数设置。
三、珠江电源系统介绍图1-珠江电源整流架珠江电源系统有如下型号及对应电压：PRS5000（-48V）PRS1800（-48V）PRS700（+24V）PRS4000（-48V）PRS1000（-48V&+24V）※PRS700电源系统的分类1、综合地柜式：（最多21个整流模块）–PRSB700–PRS700R2–PRSV7002、嵌入式电源：（最多4个整流模块）–PRS700M3–PRS700M4–PRS700M63、挂墙式电源：（最多7个整流模块）※主要技术参数及性能1 、输入参数(1) 输入电压:额定电压：220Vac165~275Vac 可连续正常工作275~300Vac 可工作10分钟300~345Vac 可工作400ms开机电压：187Vac 关机电压：165Vac故允许输入电压范围：187~275Vac(2) 输入频率：45~65HZ2 、输出参数(1) 输出电压范围:40~60Vdc之间可调 (48V系统)20~30Vdc之间可调 (24V系统)(2) 输出电流:（单个模块）58Vdc/13.5A 43Vdc/18A (48V系统) 29Vdc/23A 22.5Vdc/30A (24V系统) (3) 输出功率: （单个模块）800W、1000W (48V系统)700W (24V系统)(4) 系统最大输出容量：30~600A之间可选（考虑N+1冗余设计）3 、其他参数◆效率：η≥92% (满负载)◆功率因数：PF总≥0.995 (满负载)◆软启动时间：5~8S◆可闻噪声≤50dB◆衡重杂音≤2mv◆ 纹波电压≤100mv◆ 稳压精度： δ≤±0.5% (满负载)4、性能特点整流模块处于热插拔工作状态，因此可以在开机和带负载的情况下，拔出或插入模块。
动力电池管理系统BMS
动力电池管理系统BMSBMS是以某种方式对动力电池进行管理和控制的产品或技术。
典型的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理如图1-3所示。
BMS由各类传感器、执行器、固化有各种算法的控制器以及信号线等组成。
其主要任务是确保动力电池系统的安全可靠，提供汽车控制和能量管理所需的状态信息，而且在出现异常情况下对动力电池系统采取适当的干预措施；通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息；运用既定的算法和策略估算电池组S OC、SOH、SOP以及剩余寿命(Rem aining Usef ul Life，RUL)等，并将参数输出到电动汽车整车控制器，为电动汽车的能量管理和动力分配控制提供依据。
图1-3 典型的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理1.4.1 BMS的基本功能BMS的主要功能有数据采集、状态检测、安全保护、充电控制、能量控制管理、均衡管理、热管理以及信息管理等。
1.数据采集动力电池在电动汽车中的工作环境及状况十分复杂。
电动汽车需要适应复杂多变的气候环境，这意味着动力电池的运行需要常年面对复杂多变的温湿度环境。
此外，随着路况和驾驶人操纵方式的改变，动力电池需要时刻适应急剧变化的负载。
为了准确获取动力电池的工作状况，更好地实施管理对策，BMS需要通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息。
2.状态监测动力电池是一个复杂的非线性时变系统，具有多个实时变化的状态量。
准确而高效地监测动力电池的状态量是电池及成组管理的关键，也是电动汽车能量管理和控制的基础。
因此，BMS需要基于实时采集的动力电池数据，运用既定的算法和策略进行电池组的状态估计，从而获得每一时刻的动力电池状态信息，具体包括动力电池的SOC、SOH、S OP以及能量状态(State of Energy，SOE)等，为动力电池的实时状态分析提供支撑。
3.安全保护动力电池安全保护功能主要指动力电池及其成组的在线故障诊断及安全控制。
CC430F5137单片机的动力电池管理系统设计
大 ， 要 充 放 电 控 制 电路 对 电 池 进 行 保 护 充 放 电 ， 免 损 需 以
针对 以上缺 点 ， 现采 用基 于 单 片机 Ｃ ３Ｆ １７为控 制 核 ￣ ０ ５３ 心 的设计 方 案 。Ｃ＿ ０ ５ ３ Ｃ Ｆ １７内部集 成 了 ＣＥ ｌ１无 线 电收 发 Ａ３ Ａ ｌ０
１ 电池 管 理 系统 运 行原 理
本 系统 安 装 在 电 动 汽 车 中 ， 以 实 时 监 视 电 池 的 状 可 况 。 当 电池 汽 车充 电 时 ， 统 可 以 将 充 电 数 据通 过无 线 模 系 块传 输 给 充 电 中心 ， 自动 进 行 充 放 电 管 理 。这 样 充 电 中 并 心就 可 以实 时 了解充 电 的状 态 ， 且 充 电 中 心 不 用将 其 他 而 线路 接 人 汽 车 内 ， 少 了搭 建 线 路 的 麻 烦 ， 高 了 工 作 效 减 提 率 ； 汽 车 在 正 常 使 用 电池 时 ， 当 系统 会 实 时 监 测 电池 的 用 电 情 况 ， 剩 余 电量 不 足 时 及 时 通 知 驾 驶 人 员 ， 将 警 报 在 并 通 过 无 线 模 块 发 送 给 充 电 中心 ， 知 需 要 充 电 。 告 电 池 管 理 系 统 结 构 框 图 如 图 １所 示 。 本 系 统 以 Ｃ ３ Ｆ １ ７为 控 制核 心 ； 电 池 充 放 电 控 制 电 路 主 要 是 Ｃ４ ｏ ５ ３ 蓄
２ ０ 第 ８期 １ ７年
ｗＷＷ ． ｍｅｓ ｅｆ ｃ ｎ ． １ ｎ ． ｏｒ ｃｉ
学 习 园 地
坏 电 池 ； 电 池 检 测 电 路 主 要 是 检 测 电 池 的充 放 电 电压 、 蓄
电动车控制系统组成简图
电动车控制系统组成简图电动车控制系统由整车能源分配与管理系统，行驶控制系统和辅助控制等系统组成。
1.整车能源分配与控制管理系统整车能源分配与控制管理系统由动力电池组、电池管理系统（BMS）、放电和充电等接口及其控制所构成。
为了获得最大的续驶里程及首务安全功能，能源分配与管理系统必须根据电动车实际行驶工况及电池组的SOC等参数，合理、高效的分配有限的能量，使得安全、高效行驶的同时最大程度延长电动车一次充电续驶里程。
2. 车辆行驶控制系统车辆行驶控制系统由整车行驶控制器、电机驱动控制系统、能量回收系统、变速箱控制系统及辅助控制系统等通过总线系统连接组成。
2.1 整车行驶控制器1）车辆行驶控制功能纯电动汽车的动力电机必须按照驾乘人员意图输出驱动或制动扭矩。
当驾驶员踩下加速踏板或制动踏板，动力电机要输出一定的驱动转矩或再生制动转矩。
踏板开度越大，动力电机的输出扭矩越大。
因此，车辆控制器要接收踏板信号并将其转换为对动力电机的扭矩输出要求。
这一功能是整车控制器的基本功能。
2) 车辆多主扁平的can Bus 控制管理在电动汽车中以CAN总线的应用理所应当。
整车控制器是电动汽车众多控制器中的一个，是 CAN总线中的一个节点。
整车采用多主扁平的can Bus 控制管理, 负责信息的组织与传输，网络状态的监控，网络节点的管理以及网络故障的诊断与处理。
各传感器采集到的数据由A/D转换器转换成数字信号传递给整车控制器;还有一些开关量信号如启动、停止等开关以及档位切换开关等信号也都传递给控制器。
控制器通过CAN总线实现指令的下达以及各模块间信息的共享等功能。
2.2 电机驱动控制系统电机驱动控制系统包含大功率交流异步电机控制器和功率逆变器以及电机本身，完成电动车正常行驶工况下的驱动控制任务,是电动车运动的核心问题所在。
2.3 能量回收系统能量回收系统主要是将汽车制动时的机械能转化为电能存储到电池组，实现制动能量的回收。
2.4 变速箱控制系统系统中采用了智能变速箱，智能变速箱由两部分组成：即减速和升速两个功能，正常行驶时作为减速器，提高电动车驱动系统的牵引驱动性能。
新能源汽车动力电池结构与检修 4-3动力电池管理系统检测及充电管理
《新能源汽车动力电池系统检测与维修》
充电模式介绍： 2）充电模式2（充电宝）的充电条件，明确只采用单相交流充电，即家用充电不 考虑三相交流充电的方式。 明确要求: 使用16A插座时，交流供电电流不能超过13A；最大充电功率限制在2.86kW 使用10A插座时，交流供电电流不能超过8A; 最大充电功率限值在1.76kW 影响 我司的模式2缆上保护盒在设 计中就已经考虑了功率限制。 基本满足国标的新要求。 为了使用安全等原因，家用充 电的速率就是慢于公共充电的 速率。
1、下电模式
在下电模式下，动力电池管理系统控制的所有高压继电器均处于断开状态；低压控制电源处于不供电的 状态，只有动力电池内部控制器的低压常供电有静态维持电流。
2、准备模式
准备模式时，系统所有的接触器均处于未吸合状态。当系统接受外界启动钥匙ON档信号、整车控制器 、电机控制器、充电插头开关等部件发出的硬线信号或受CAN 报文控制的低压信号后，动力电池管理系统 的控制初始化、自检完成后电池管理系统进入下一步上电模式。
《新能源汽车动力电池系统检测与维修》
充电桩 供电接口
供电插座 桩端充电枪
车辆接口
车端充电枪 车端插座
电动车
S3处于 断开状态
与接地导通 9V PWM
充电桩端连接完毕，车辆端充电枪连接CC CP端子接触，检测点3会检测到与接地之间的电阻为RC+R4的阻值时， 判断为充电枪为半连接状态
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《新能源汽车动力电池系统检测与维修》
取出某个电芯的电压值，控制板上的测量电路把检测到的每个电芯的电压值比较、运算、判
断，看看电芯一致性是否符合要求。放电时单个电芯达到放点截止电压，停止放电。充电时 单个电芯达到充电截止电压，停止充电。
动力电池管理系统硬件设计电路图
动力电池管理系统硬件设计电路图电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车。
目前主要有纯电动汽车、混合电动车和燃料电池汽车3种类型。
电动汽车目前常用的动力来自于铅酸电池、锂电池、镍氢电池等。
锂电池具有高电池单体电压、高比能量和高能量密度，是当前比能量最高的电池。
但正是因为锂电池的能量密度比较高，当发生误用或滥用时，将会引起安全事故。
而电池管理系统能够解决这一问题。
当电池处在充电过压或者是放电欠压的情况下，管理系统能够自动切断充放电回路，其电量均衡的功能能够保证单节电池的压差维持在一个很小的范围内。
此外，还具有过温、过流、剩余电量估测等功能。
本文所设计的就是一种基于单片机的电池管理系统。
1电池管理系统硬件构成针对系统的硬件电路，可分为MCU模块、检测模块、均衡模块。
1.1MCU模块MCU是系统控制的核心。
本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型号的单片机。
该系列所有的MCU均采用增强型M68HC08中央处理器(CP08)。
该单片机具有以下特性：(1)8MHz内部总线频率；(2)16KB的内置FLASH存储器；(3)2个16位定时器接口模块；(4)支持1MHz～8MHz晶振的时钟发生器；(5)增强型串行通信接口(ESCI)模块。
1.2检测模块检测模块中将对电压检测、电流检测和温度检测模块分别进行介绍。
1.2.1电压检测模块本系统中，单片机将对电池组的整体电压和单节电压进行检测。
对于电池组整体电压的检测有2种方法：(1)采用专用的电压检测模块，如霍尔电压传感器；(2)采用精密电阻构建电阻分压电路。
采用专用的电压检测模块成本较高，而且还需要特定的电源，过程比较复杂。
所以采用分压的电路进行检测。
10串锰酸锂电池组电压变化的范围是28V～42V。
采用3.9M?赘和300k?赘的电阻进行分压，采集出来的电压信号的变化范围是2V～3V，所对应的AD 转换结果为409和*。
对于单体电池的检测，主要采用飞电容技术。
动力电池管理系统（BMS）基础（五）
动⼒电池管理系统（BMS）基础（五）动⼒电池包的安全问题，从根本上说都是电池系统热失控问题。
系统散热能⼒与系统⽣热能⼒不匹配，热量在系统内积累，电池温度上升，最终导致燃爆等恶劣后果。
上图是锂电池热失控⽰意图。
图中体现的是性能正常的电芯，热量积累引发热失控的过程。
撞击，穿刺等机械损伤造成的热失控，不在这张图的描述范围。
锂电池负极SEI膜，是在系统温度上升过程中，最先出现失效的结构，反应起始温度在90到100°左右。
考虑电池的内外温差以及保留部分冗余设计，这就是我们的电池包⼯作温度上限⼀般设置在50到60°之间的原因。
正常使⽤中，防⽌热失控，⼀⽅⾯避免过多热量的产⽣和积累；另⼀⽅⾯，提⾼热管理⽔平，让电池在它最适合的温度环境下⼯作。
原因如前⾯所述，在过⾼温度下使⽤，从锂电池负极SEI膜溶解开始，失去保护的负极与电解液反应放热，电解液分解放热，正极分解放热，这些热量积累起来，反应逐渐加剧，反应从⼀只单体蔓延到附近电芯，⼀个模组的反应，给整个电池箱内的电芯加热，这就是所谓热失控的过程。
电池包都会标注⼀个使⽤温度范围，低于下限温度，如果在过低温度下使⽤，电池也是⽆法正常⼯作的。
低温放电，理论上没有跟热失控有明确关联，但低温造成电解质活性降低，导电能⼒变差，进⽽导致放电能⼒变差，就是我们所谓的放不出电来，车⼦没劲⼉。
如果是低温强⾏充电，则会造成负极析锂问题，容量会受到永久损伤不说，析出的锂积累在那⾥，是热失控的重要原因。
超过电芯允许能⼒的⼤倍率放电，系统热量不能及时散去，热量积累，逐渐加⼤了热失控的风险。
同时，过⼤倍率的放电，使得正极材料的锂离⼦嵌⼊过程超速进⾏，造成正极晶格坍塌，容量永久性损失。
⼤倍率充电，使得锂离⼦通过SIE膜的速度低于锂离⼦向负极积聚的速度，出现锂单质在负极表⾯堆积现象，如果过程反复进⾏，锂枝晶不断⽣长，最终会刺破隔膜，造成内短路，引发热失控。
过充，充电截⽌电压超过了电芯的最⾼电压，造成正极活性材料晶格塌陷，锂离⼦脱嵌通道受阻，使内阻急剧升⾼，产⽣⼤量热；负极堆积了过量的锂单质，附着在负极表⾯，所谓析锂现象。
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动力电池管理系统硬件设计电路图
电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车。
目前主要有纯电动汽车、混合电动车和燃料电池汽车3种类型。
电动汽车目前常用的动力来自于铅酸电池、锂电池、镍氢电池等。
锂电池具有高电池单体电压、高比能量和高能量密度，是当前比能量最高的电池。
但正是因为锂电池的能量密度比较高，当发生误用或滥用时，将会引起安全事故。
而电池管理系统能够解决这一问题。
当电池处在充电过压或者是放电欠压的情况下，管理系统能够自动切断充放电回路，其电量均衡的功能能够保证单节电池的压差维持在一个很小的范围内。
此外，还具有过温、过流、剩余电量估测等功能。
本文所设计的就是一种基于单片机的电池管理系统。
1电池管理系统硬件构成
针对系统的硬件电路，可分为MCU模块、检测模块、均衡模块。
1.1MCU模块
MCU是系统控制的核心。
本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型号的单片机。
该系列所有的MCU均采用增强型M68HC08中央处理器(CP08)。
该单片机具有以下特性：
(1)8MHz内部总线频率；(2)16KB的内置FLASH存储器；(3)2个16位定时器接口模块；(4)支持1MHz～8MHz晶振的时钟发生器；(5)增强型串行通信接口(ESCI)模块。
1.2检测模块
检测模块中将对电压检测、电流检测和温度检测模块分别进行介绍。
1.2.1电压检测模块
本系统中，单片机将对电池组的整体电压和单节电压进行检测。
对于电池组整体电压的检测有2种方法：(1)采用专用的电压检测模块，如霍尔电压传感器；(2)采用精密电阻构建电阻分压电路。
采用专用的电压检测模块成本较高，而且还需要特定的电源，过程比较复杂。
所以采用分压的电路进行检测。
10串锰酸锂电池组电压变化的范围是28V～42V。
采用3.9M?赘和300k?赘的电阻进行分压，采集出来的电压信号的变化范围是2V～3V，所对应的AD 转换结果为409和*。
对于单体电池的检测，主要采用飞电容技术。
飞电容技术的原理图如图1所示[2]，为电池组后4节的保护电路图，通过四通道的开关阵列可以将后4节电池的任意1节电池的电压采集到单片机中，单片机输出驱动信号，控制MOS管的导通和关断，从而对电池组的充电放电起到保护作用。
如图1所示，为电池组后4节的保护电路图，通过四通道的开关阵列可以将后4节电池的任意1节电池的电压采集到单片机中，单片机输出驱动信号，控制MOS管的导通和关断，从而对电池组的充电放电起到保护作用。
以上6节电池可以用2个三通道开关切换阵列来实现。
MAX309为1片4选1、双通道的多路开关，通过选址实现通道的选择。
开关S5、S6、S7负责将电池的正极连接至飞电容的正极。
开关S2、S3、S4负责将电池负极连接至飞电容的负极。
三通道开关切换阵列结构与四通道开关切换阵列类似，只是通道数少1路。
工作时，单片机发出通道选址信号，让其中1路电池的正负极与电容连接，对电容进行充电，然后断开通道开关，接通跟随放大器的开关，单片机对电容的电压进行快速检测，由此完成了对1节电池的电压检测。
若发现检测电压小于2.8V，则可推断出电池可能发生短路、过放或保护系统到电池的检测线断路，单片机将马上发出信号切断主回路MOS管。
重复上述过程，单片机即完成对本模块所管理的电池的检测。
1.2.2电流采样电路
电流采样时，电池管理系统中的参数是电池过流保护的重要依据。
本系统中电流采样电路如图2所示。
当电池放电时，用康铜丝对电流信号进行检测，将检测到的电压信号经过差模放大器的放大，变为0～5V的电压信号送至单片机。
如果放电的电流过大，单片机检测到的电压信号比较大，就会驱动三极管动作，改变MOS管栅极电压，关断放电的回路。
比如，对于36V的锰酸锂电池来说，设定其保护电流是60A。
康铜丝的电阻是5mΩ左右。
当电流达到60A时，康铜丝的电压达300mV左右。
为提高精度，将电压通过放大器放大10倍送至单片机检测。
1.2.3温度检测
电池组在充、放电过程中，一部分能量以热量形式被释放出来，这部分热量不及时排除会引起电池组过热。
如果单个镍氢电池温度超过55℃，电池特性就会变质，电池组充、放电平衡就会被打破，继而导致电池组永久性损坏或爆炸。
为防止以上情况发生，需要对电池组温度进行实时监测并进行散热处理。
采用热敏电阻作为温度传感器进行温度采样。
热敏电阻是一种热敏性半导体电阻器，其电阻值随着温度的升高而下降。
电阻温度特性可以近似地用下式来表示：
1.3均衡模块
电池组常用的均衡方法有分流法、飞速电容均衡充电法、电感能量传递方法等。
在本系统中，需要较多的I/O口驱动开关管，而单片机的I/O口有限，所以采取整充转单充的充电均衡方法。
原理图如图3所示。
Q4是控制电池组整充的开关，Q2、Q3、Q5是控制单节电池充电的开关。
以10节锰酸锂电池组为例，变压器主线圈两端电压为42V，副线圈电压为电池的额定电压4.2V。
刚开始Q4导通，Q2、Q3、Q5截止，单节电池的电压不断升高，当检测到某一节电池的电压达到额定电压4.2V以后，电压检测芯片发出驱动信号，关闭Q4，打开Q2、Q3、
Q5，整个系统进入单充阶段，未充满的电池继续充电，以达到额定电压的电池保持额定电压不变。
经测试，电压差值不会超过50mV。
图3整充转单充的均衡模块电路图
2SOC电量检测
在锂离子电池管理系统中，常用的SOC计算方法有开路电压法、库伦计算法、阻抗测量法、综合查表法[3]。
(1)开路电压法是最简单的测量方法，主要根据电池开路电压的大小判断SOC的大小。
由电池的工作特性可知，电池的开路电压与电池的剩余容量存在着一定的对应关系。
(2)库仑计算法是通过测量电池的充电和放电电流，将电流值与时间值的乘积进行积分后计算得到电池充进的电量和放出的电量，并以此来估计SOC的值。
(3)阻抗测量法是利用电池的内阻和荷电状态SOC之间一定的线性关系，通过测出电池的电压、电流参数计算出电池的内阻，从而得到SOC的估计值。
(4)综合查表法中电池的剩余容量SOC与电池的电压、电流、温度等参数是密切相关的。
通过设置一个相关表，输入电压、电流、温度等参数就可以查询得到电池的剩余容量值。
在本设计中，从电路的集成度、成本、所选MCU的性能方面考虑，采用了软件编程的方法。
综合几种方法，采用库伦计算法比较合适。
(1)用C表示锂电池组从42V降到32V时放出的总的电量。
(2)用η表示电流i经过时间t后，放出的电量与C的比值。
其中CRM为剩余电量。
令ΔCi=i×Δt，表示?驻t时间内电池组以i放电的放电量；或者是以i充电的充电量，剩余电量实际上是对ΔCi的计算以及累加。
设定合适的采样时间Δt，测定当前的电流值，然后计算乘积，得到Δt时间内剩余容量CRM的变化量，从而不断更新CRM 的值，即可实现SOC电量的检测。
3试验结果
通过电池管理系统对锰酸锂电池组进行充放电测试。
图4(a)为锂电池组放电测试图，放电电流为8A，当电池组电压降至32V时，放电MOS管关断。
图4(b)为充电的测试图。
充电结束4小时后，均衡完成。
本文的电池管理系统以M68HC08GZ16为核心，实现了对电池组单体电压、电流、温度信号的采集。
充电电量平衡以后，单体电池的电压差值不超过50mV。
整体系统运行性能良好，能够满足电动车动力电池组应用需要。