动力电池系统数据采集系统.doc
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1、摘 要 随着石油等化石燃料的日益枯竭、环境问题越来越严重及人们环保意识的逐渐增强,准绿色新型产品-混合动力汽车登上历史舞台,电池是电动汽车的动力,也是电动汽车的关键部件,也是制约电动汽车发展的关键,新能源动力电池产业随同动力汽车获得飞速发展。制约电动汽车发展的重要因素之一是:1、动力电池的使用寿命和安全性;2、动力汽车的生产成本。动力电池的使用寿命能大大降低动力汽车的生产成本。 电池管理系统即BMS通过测量电池组工作时其电压、电流、温度等对电池组进行监测,保证电池组的工作运行良好高效,从而保证整个系统的正常运作。 本文介绍了以飞思卡尔单片机MC9S12XS128为主控单片机芯片,通过传感器DS
2、2438对动力电池组进行电池电压、电流、温度测量、完成AD转换,STC89C52单片机对DS2438传输过来的数据进行读取和处理,通过CAN总线传输到主控单片机MC9S12XS128,MC9S12XS128单片机通过读取的数据完成对电池的SOC状态估计,同时,主控芯片将读取的数据通过RS232串口通信传输到VB界面显示。在系统的设计过程中,为建立简单有效的系统,需要建立良好的电池内部模型,以便于对系统做Simulink系统仿真时,主控单片机芯片对电池做SOC状态估计。关键词 DS2438 STC89C52 飞思卡尔单片机MC9S12XS128 VB人机界面ABSTRACT With the i
3、ncreasing depletion of oil and other fossil fuels, environmental issues become more and more serious and the gradual increase of the awareness of environmental protection, new quasi-green products - hybrid cars will be on the historical stage and the battery is not only the power of electric vehicle
4、, but also a key component of the electric car. At the same time it is the key to restricting the development of electric vehicles, new energy power battery industry, along with the development of.electric vehicle rapid. An important factor restricting the development of electric vehicles are batter
5、y life , security and electric vehicle production costs. The life of the power battery powered vehicles can greatly reduce the cost of production. BMS battery management systems work by measuring the battery voltage, current, and temperature monitoring of the battery pack. So that the battery pack c
6、an ensure a good and efficient operation of the work, so as to ensure the normal operation of the system. This paper introduces the Freescale MCU MC9S12XS128 as the main control chip microcontroller through the sensor DS2438 battery pack for battery voltage, current, temperature measurement, the com
7、pletion of AD conversion, STC89C52 DS2438 microcontroller to read the data transmitted and processed through CAN bus to the host microcontroller MC9S12XS128, MC9S12XS128 microcontroller through the read data to complete the SOC of the battery state estimation, while the master chip will read the dat
8、a through the RS232 serial communication transmitted to the VB interface display. In the system design process, in order to establish a simple and effective system, the need to establish a good battery internal model, in order to make the system Simulink system simulation, the host microcontroller c
9、hip on the battery do SOC state estimates.Keywords DS2438 STC89C52 Freescale microcontroller VB interface目 录摘 要11.1 课题研究背景11.2 电池管理系统BMS在国内外的发展31.3 设计总体方案的确立31.4 小章总结4第二章 系统方案的确立52.1 传感器52.2 光电隔离62.3 数据采集部分处理器72.4 主控制器72.5 数据传输82.6 动力电池放电模型及SOC估计算法92.7 VB人机界面132.8 本章小结13第三章 硬件电路模块143.1 数据采集模块DS24381
10、43.2 STC89C52模块173.3 CAN及RS232串行通信模块193.4 本章小结21第四章 数据采集系统软件部分224.1 DS2438数据采集程序224.2 MCP2515软件程序部分264.3 本章总结28第五章 数据采集系统设计成果29第六章 展望 总结31参 考 文 献33附 录35第一章 绪论1.1 课题研究背景 自从英国工业革命开始,煤炭等不可再生的化石能源逐渐代替了传统能源,汽车也逐步取代传统的交通工具,在人们的日常生活中占据越来越重要的。然而,随着世界范围内人类无节制的开采与使用,煤炭、石油等化石燃料逐渐匮竭,能源危机正在加剧,与此同时,科学技术的不断进步与提高,人
11、们的环保意识逐渐增强,环境问题越来越严重,都促使人们去寻找一种更加符合现代化社会需要的新型能源,取代旧的传统燃料电池为汽车提供动力。因此,世界范围内,传统的燃料为动力的汽车逐渐被人们所淘汰,动力电池产业获得了发展的新的转折点,有了质的突破;而新型的以动力电池为动力驱动的动力汽车也获得了各国汽车行业的领头人的重视,飞速的发展,混合动力汽车和纯动力汽车逐步走向人们的视野与生活。 1886年德国制造了世界上第一辆汽车,不过百余年历史,全球范围内汽车保有量已达到7亿辆,汽车逐步取代其他交通工具,与人们的日常生活与工作息息相关。然而众多内燃机汽车(ICEV)每天排放的污染是全球气候变迁的重要原因之一,与
12、此同时,石油资源的逐渐匮乏也使得汽车行业面临严峻考验。因此,因此,汽车行业领头人逐渐意识到研究开发以可再生能源作为动力驱动如酒精,太阳能等的新兴动力汽车是汽车行业发展的必然趋势,也是形势所迫。在这种情况下,混合动力汽车及纯动力汽车以其独特的高性能,环保绿色无污染受到人们的青睐。1.1.1 混合动力汽车国内外发展现状 所谓新型动力汽车即是以可再生能源作为全部或者部分动力驱动的汽车,主要也即是电动汽车。电动汽车目前主流的有三种:1、是以传统的燃料电池如镉电池等作为动力驱动的传统动力汽车;2、同时能够使用燃油和动力电池作为动力驱动的混合型动力汽车;3、全部以新型动力电池作为动力驱动的纯动力汽车。然而
13、,尽管近几十年以来,尤其是进入二十一世纪以来世界范围内的经济与科技获得了飞速发展,动力汽车行业并未能取得较大的突破,纯动力汽车并没能够批量生产,反而,混合动力汽车有了重大突破。 毫无疑问,各国的汽车行业的领军企业在各个国家政府的支持下,凭借着远超同行的科学技术,在新兴动力汽车行业先后取得突破,纯动力汽车和混合动力汽车逐步取代了传统燃料电池为动力的动力汽车。1893年,波舍尔公司也即现在的保时捷公司的创始人费尔南德波舍尔造出了世界上第一车用电动马达,1898年制造出了两轮电动汽车即保时捷。目前世界范围内,动力汽车特别是纯电动汽车技术发展较为成熟,技术远超同行的的几个国家美国、日本及德国这几个国家
14、,而只有日本的本田汽车公司和丰田公司能够实现混合动力汽车的批量化生产销售,主导着世界上混合动力汽车市场形势;反观美国,三大汽车公司通用、福特、克莱斯勒-戴勒姆公司相较于日本汽车公司的蓬勃发展在混合动力汽车和蓄电池电动汽车行业则显得有些萧瑟,技术落后很多,仅仅实现了小批量生产。我国的动力汽车行业起步较晚,但是国家和政府投入了大量的人力、物力、财力用于自主研发拥有自己品牌的动力汽车,我国电动汽车项目实施以来在燃料电池动力汽车和混合动力汽车方面均取得了重要突破。纯动力汽车已经通过国家的相关体系认证,实现了小规模批量生产;混合动力汽车方面实际生产后动力性能方面接近理论值,在污染气体排放方面降低很多。1
15、.1.2 电动汽车发展面临的问题虽然目前国际汽车市场上已有部分公司实现了混合动力汽车的规模化批量生产,但是相对于大多数消费者而言,现有的混合动力汽车无论是在性价比还是车辆性能方面,远远无法满足市场需要,主要是以下几个原因:1、电动汽车的行驶里程有限,无法满足长远距离形行驶要求;2、市场油价过高,由于石油资源的日益枯竭,国际油价始终居高不下;3、电动汽车的动力电池系统使用寿命过于短暂,电动汽车电池管理系统随着电池的损耗,要实时的监控电池的相关信息,缺乏优秀的电池管理系统保障系统的高性能运行;4、电动汽车价格过高,目前市场上投入的电动汽车,由于电池管理系统的研发费用过高,电池使用寿命短暂以及设计的
16、相关技术原因致使电动汽车价格偏高。车载数据采集系统应用的另一个重要方面是车辆运行工况记录仪,又称汽车“黑匣子”。随着科学技术的飞速发展,美国、欧洲相继不断推出性能优良的车载数字式记录仪,其功能也日趋完善。美国国家运输安全委员会一直在强烈要求汽车生产厂商安装记录仪,在它的推动下 GM、FORD 等大公司已为数百万出厂车安装了行车记录仪。日本汽车研究所研制出的“黑匣子”不仅能够记录车辆事故发生的各种数据,而且它还能自动收入事故发生前 10 秒和后 5 秒之间从驾驶室看到的画面。在我国随着汽车电子工业的不断壮大,在车载记录仪产品方面也有大的发展,由北京森泰克数据通信技术有限公司研制的“绿匣子”多功能
17、汽车行驶监控记录仪,通过了公安部交通安全产品质量监督检测中心和公安部安全与警用电子产品质量检测中心的严格测试,并已正式投入使用。1.2 电池管理系统BMS在国内外的发展 BMS也即动力电池系统数据采集系统的工作原理是通过对动力电池组进行实时监测,从而将检测的动力电池工作电流、各单体电池电压、电池组运行过程中总电压及电池工作时表面温度等电池相关信息采集并处理,并将采集到的数据传输到预处理单片机芯片中,预处理单片机对数据进行处理和分析,根据温度、电压、电流传感器检测的信息、分析结果,从而对系统各模块发送相应的控制指令,从而实现对于电池组的实时监控,并且将处理后的实时数据显示在人机界面,保证电池组的
18、正常高效运行。制约电动车发展的主要因素之一是动力电池的使用寿命及安全性和使用成本问题,而电池的使用寿命是降低成本的重要途径之一。为保证动力电池在正常使用的过程中,能够高效稳定的为电动汽车提供动力,降低动力电池由于内部各物质成分之间发生化学变化,造成的电池结构的损坏而导致的寿命,从而降低动力汽车的生产使用成本,从而需要对电池进行良好的管理和维护,从而延长其使用寿命,为此,世界各国汽车行业的领军企业均投入了大量人力、物力、财力对电池管理系统进行研究开发。美国三大汽车公司均将电池管理系统作为技术研发的工作重点。目前国内外电动汽车数据采集系统普遍存在的问题是数据采集的可靠性和抗干扰性问题。由于电动汽车
19、数据采集要求其硬件装置稳定性好,便携性好,同时其工作环境的复杂也给数据采集工作提出了较高的要求,系统的抗震性,抗干扰性以及对数据的存储能力、系统综合性能等都是需要考虑的重要因素。1.3 设计总体方案的确立 动力电池系统数据采集系统通过温度、电压、电流数字传感器DS2438完成对于电池组充放电电流各单体电池电压、电池正常工作时表面温度、及电池组供电总电压的测量,完成AD转换,在DS2438内部完成光电耦合隔离,传输到STC89C52单片机预处理,STC89C52单片机预处理后的数据经由CAN总线传输到MC9S12XS128主控单片机芯片,主控单片机完成最终数据的反馈,各控制指令的发送,控制各模块
20、完成动力电池系统的监控反馈工作,必要时显示在人机界面,其控制系统图如图1-1所示。图1-1 数据采集系统1.4 小章总结本章主要介绍了一些关于动力电池系统数据采集系统的相关信息主要由以下内容:1)动力电池系统数据采集系统相关课题的研究背景;2)混合动力汽车的发展历程及现在国内外发展现状及现在面临的问题;3)电池管理系统BMS在国内外的发展现状;4)课题最后的方案的确立,将别业设计设研究的课题的相关内容的大体框架勾勒了出来。通过本章关于动力汽车系统数据采集系统的一些信息的简要介绍,明确了课题研究的重点与难点,为后续的相关工作明确的方向。第二章 系统方案的确立动力电池系统数据采集系统数据所需要的硬
21、件模块主要有传感器模块、光电耦合隔离、数据采集部分处理器、主控单片机芯片及数据传输通信模块五个模块构成,下面将对这五个部分分别进行论证和确立最终方案。2.1 传感器 在前期做开题报告时选择了两种可选方案:一种是采用分立式数据采集,即各电芯电压值、总电压值、充放电电流值以及温度信息分别采用不同传感器。另一种是新一代智能电池监测芯片DS2438对动力电池系统电压、电流、温度进行统一测量。通过对这两种方案做深入的对比分析以确定最终的方案。 方案一:DS18B20对温度的测量;霍尔电流传感器采集电流信号;基于底层ECU的电压测量。 DS18B20是一种新型的智能温度传感器。其具有的特点:1、在实际的温
22、度测量系统中可以串联使用多个DS18B20并联使用;2、负压特性,即使当供电电压源极性接反时,温度测量模块不会被烧毁,但是不能正常使用;3、支持多点组网功能;4、能够通过编程的方式实现数字式读写;5、使用者可以根据实际需要自行设定温度警戒上下限;6、可以通过串行通讯线USB可以给DS18B20供电,7、采用单总线实现了传输数据到微处理器;8、在实际使用时不添加别的外围元件也能单独使用。 霍尔电流传感器(以下简称传感器)的特点1: (1) DS18B20内部采用的是补偿测量温度,因此具有优于一般传感器的精确性和线性度; (2) 和别的普通的电流传感器一样,DS18B20的输入和输出之间内部自带有
23、光电隔离电路,不需要搭建外围隔离电路;(3) 传感器磁路几乎是零磁通工作,在正常运行传输瞬时采集数据时补偿工作,所以传感器是无电感性的元件;(4) DS18B20本身是一个闭环回路系统,所以能够不失真的传输电流信号。 每种传感器都可以精确的实现数据采集,而且都具有较好的抗干扰能力。但使用分立式数据采集存在电路结构复杂,处理器负载大,检修困难等缺点。 方案二:使用新一代智能电池监测芯片及温度电压电流传感器于一身的传感器DS2438对电池电压、电流、温度进行统一测量。 DS2438具有功能强大、性能优越、高度集成化、硬件电路接线简单等优点,能够自动采集动力电池电压,电流和温度等实时参数,并将这些易
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