毕业设计（论文）-纯电动汽车电池管理系统(BMS).docx

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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，STM32F103VB

Abstract

Withindustrialdevelopmentandsocialdemand,vehicleofsocialprogressandeconomicdevelopmentplayimportantroles.Althoughtherapiddevelopmentofautomobileindustrypromotethemachinery,energy,rubber,steelandotherimportantindustries,itisincreasinglyfacedwithenvironmentalpollution,energyshortagesandotherseriousproblems.

Withthemeritofzero-emission,andlownoise,thepureelectricvehicleswhichiscalledgreencarshasgotmoreandmoreattentionaroundtheworld.Asoneofthekeytechnologiesforthedevelopmentofelectricvehicles,batterymanagementsystem（BMS）isthepointofthepureelectricvehicleindustry.Vehiclenetworkdataacquisitionsystemisabatterymanagementsystemthatcandirectlydetectandmanagethestoragebatteryelectricvehiclestorunthewholeprocess,toachievethedatamonitoring,collectionandanalysisoftheon-boardmulti-levelseriesoflithiumbattery,batterytemperature,speed,andother

ThethesisisbasedonthevehicleCANbusdataacquisitionsystemtochoseSTM32F103VBnetworkasthecoreofthesystemADCwhichcomesfromthechipcollectandmonitortheportvoltagesandsentthecollecteddatatothecardashboardthroughtheCANnetwork,whichofferreal-timemonitoringofvehiclestatusamountofdatasources.

Keywords：

Pureelectriccars,BatteryManagementSystems,Thebatterystate,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 17

电源电路的设计 17

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

KeiluVision3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 37

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。

全球灾难性气候变化屡屡出现，严重危害到人类的生存环境和健康。

面对全球气候变化，急需世界各国协同减低或控制二氧化碳排放，这样以低能耗、低污染、低排放为基础的“低碳经济”概念应运而生，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。

。

“低碳经济”的实质是高能源利用效率和清洁能源结构、追求绿色GDP的技术，核心是能源技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变。

我国汽车工业的发展，汽车持有量随着经济的增长越来越大，产生的废气就会随之增多，这样就有悖于当今国际国内倡导的“低碳经济”。

因此，新时代的汽车产业也明确提出了“绿色能源汽车”的环保概念，逐渐成为全球各大汽车企业面对的主要发展方向。

在降低碳排放量，保护地球生态环境的国际大背景下，中国政府也明令提出”低碳减排”，从而实现“低碳经济”的持续发展战略。

电动车被认为是传统汽车向氢燃料电池车过渡过程中的最佳解决方案。

而在传统汽车领域被外资“欺负”了几十年之后，中国希望在电动车领域找到出口，扮演新一轮汽车产业发展潮流的领导者。

电动汽车从动力系统提供能源的角度来分类，主要分为纯电动、混合动力和燃料电池汽车。

纯电动汽车主要是由动力电池提供能源，目前还处于研究试用阶段，还不能进行大规模的推广和使用。

不论是从经济性、方便性和制造难度上来讲，纯电池动力车的优势都是比较明显的。

驱动电池动力车的主要动力来源于多级串联的锂电池，但是由于电池个体差异相差比较大，每个电瓶的工作状态、性能指标也各不相同，给绿色能源汽车的管理带来很大的不便。

因此设计一种绿色能源汽车的各种运行数据特别是多级锂电池进行监测、管理的系统是十分有必要的。

而本论文所描述的设计就是实现上述功能的车载数据采集管理系统。

绿色能源电动车需要由多级串联的锂电池为其提供动力，但由于电压的串联叠加导致正极处具有非常高的浮电压，可达到300V以上。

而普通的检测仪器输入端口的耐压值一般在5V左右，很难满足车载电池的监测和采集，更无法实现对多级电池的动态监测，判别出个体电池的工作状态。

本文中所涉及的基于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，为车辆数据的实时监测提供数据来源。

对于该课题内容的研究，可以实现对车辆行驶过程中各类参数（如车速、电池电压、刹车信号等）的动态采集和分析。

总体框图如图1-1所示。

图1-1采集系统总体框图

如示意图所示，用户无需对各个参数进行独立的测量，实现各种参数的集中式管理。

特别是该系统利用较少的接口实现了对多块电池电压的实时智能监控，很大程度上减轻了车辆管理人员的负担。

车载网络数据采集系统的国内外研究现状

作为电动汽车的三大核心技术之一的车载电池系统，从功能上来看类似于传统汽车中的的发动机，是电动汽车的“心脏”，也是电动汽车惟一的动力来源。

车载电池管理系统的技术水平直接关系到电动汽车的质量与安全性。

而电池管理系统是这一核心技术的重要组成部分。

由于绿色能源汽车一般都采用多级串联的锂电池作为车辆的主要动力系统，一般由几十只甚至数百只单体电池组成。

而电池的一直性和均衡性则关系到电池的寿命和安全，对车辆的动力也有至关重要的影响。

目前，影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题，延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。

电池管理系统的功能是要监测每一只电池的状态和电池组的电量、健康度及高压漏电检测，要保证这几百只电池的均衡性，其重要性显而易见。

为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制，为此，国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。

无论是汽车整车企业还是电池生产企业，都已认识到能源管理系统的重要性，也非常重视这一技术的研发与应用。

随着绿色能源汽车的兴起和推广，国内外已经有部分科研机构开始着手对车载电池管理系统进行研究和开发。

国内对于车载电池管理系统的研究尚处于起步阶段，如同济大学与来自北美的芯片开发商凹凸科技（（O2Micro））建立了汽车电子应用技术联合实验室,将凹凸科技的芯片应用于为超越系列燃料电池汽车研发的燃料电池和储能电池管理系统。

该实验室与上汽集团等联合开发的电池管理系统目前已初步试运行在上海世博会的燃料电池汽车系统中。

虽然类似的有关车载数据的采集系统的设计方法比较多，但大多数的车载数据采集系统都是针对部分参数进行小规模的集中管理。

还不能适应全车数据的便携式采集和整车数据的动态分析。

而本课题中还需要实现对多块电池的智能管理，目前市场上同类产品的研发还比较缺乏。

在国际上，也有不少发达国家对该课题进行了深入的研究，并取得了一些成果。

如日本青森工业研究中心从1997年开始至今，仍在持续进行电池管理系统实际应用的研究；美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测；丰田、本田以及通用汽车公司等都把电池管理系统纳入技术开发的重点。

 但由于这些产品价格昂贵，适用领域有所限制，知识产权等问题，不适合于在国内进行大范围的推广和使用。

本论文研究的主要工作

综合国内外的在电池管理系统上的情况，开发一套适用范围广、使用简单方便、价格低廉的系统，给广大电瓶车用户的带来实惠的同时，也对降低传统能源的消耗，减低碳排放起到了重大的作用。

在本课题的研究过程中，阅读了大量的书籍和参考文献，并深入汽车生产单位进行实地考察和调研，充分对本课题的可行性进行分析。

在硬件设计方面，根据前期论证的基础，对整个车载数据采集系统进行了详细的硬件电路设计，根据系统的功能需求分析完成了元器件的选型和原理图和PCB板的设计工作，并对电路板进行了初步的功能调试。

在软件设计方面，在Keil软件平台上完成了嵌入式单片机STM32F103B的程序设计，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。

以软件流程图的方式将系统的嵌入式软件设计与软件代码结合起来，实软件程序的编写和测试。

第二章车载网络数据采集系统设计的原理

车载网络数据采集系统的功能概述

车载网络数据采集系统实际上就是一套电动汽车的电池管理系统，它主要是对电池系统中的几十块甚至是上百块电池进行有效地管理。

对电池组中的每一块电池的电量、温度进行有效地检测，以及检查某一块电池是否低电量、是否有故障，防止因某一块电池电量过低或者出现故障而不能正常工作导致整个电池系统崩溃的情况发生。

、传感器采集信号和执行器件。

表2-1电池管理系统的主要模块

电池管理系统

模块

功能

传感器采集

的信号

执行器件

电池保护模块

防止电池过充、

过放、过流

电压、电流

充电机及电机功率转换器

电池检测模块

监测蓄电池的

工作状态状

电压、电流、

温度

显示装置

SOC模块

预测电池的

SOC值

电压、电流、

温度

显示装置

均衡充放电模块

对电池的充放电

进行均衡管理

电压、电流

均衡装置

车载网络数据采集系统这样一个电池管理系统对电动车电池组进行管理，电池的电压、容量、温度参数进行检测。

比如电池低电量、电池温度过高、使用时间过长以及短路等会导致电动车无法正常行驶的因素在即将发生或者已经发生的危险信号等，可以起到报警作用，便于人们及时排除故障。

车载网络数据采集系统除了对电动车的电池系统进行有效地管理以外，其他的功能还有能准确且及时检测车辆系统的参数如:

发动机转速、车速、节气门开度、刹车、水温、真空度、挡位、空调状态、钥匙状态、离合器状态等,并通过总线传送给多能源管理单元,多能源管理单元以此作为决策依据.因此,此系统可以作为整辆汽车系统的眼睛.

综上所述，车载网络数据采集系统的主要工作原理可简单归纳为：

数据采

集电路首先采集电池状态信息数据，再由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。

车载网络数据采集系统的结构

车载网络数据采集系统是一种新型且性能比较好的电池管理系统，选用的是集成了CAN控制器模块STM32芯片平台的微控制器，建立在一块PCB板的嵌入式单片机。

嵌入式系统分为硬件和软件两个部分，由于其低功耗，体积小，集成度高等优点，在各个领域得到广泛的应用。

嵌入式系统由性能较高的微处理器为核心,配合大容量的程序和数据存存器及总线接口构成,由此它能对从总线上传来的系统信息进行迅速处理,大容量的数据存储器中存放了系统运行最佳状态参数,这样处理器就能及时并精确按控制策略对采集到的电池数据变量进行分析并处理。

本论文所描述的车载网络数据采集系统的主要由微处理器、开关量接口、ADC转换、频率变换及CAN总线接口构成。

电池管理单元由高性能32位的，基于ARM核的较高级的微处理器和必要的外围电路构成,采集系统收集各电池的当前状态参数（电压、容量、温度）,并将这些信息进行处理后通过CAN网络发送到主节点上，实现对车的身上的各种参数的动态测量。

同时也会将电池组的状态量传送到显示单元进行显示。

基于STM32的车在网络数据采集系统设计控制框图

根据动力电池管理系统功能和实际参与控制的对象,设计出电池管理系统中央控制器及电池测控模块,采用功能划分和模块化设计思想,系统分离成不同的功能模块。

电池管理系统中央控制器是整个系统的核心,整个硬件系统主要由3个模块组成:

（1）信号采集模块;

（2）中央处理器模块;（3）显示模块。

本文设计的数据采集系统的原理框图如下图2-1所示。

图2-1数据采集系统的原理框图

信号的采集与处理

电动汽车的蓄电池组通常要包含几十只甚至上百只单体电池，锂电池或镍氢电池可能达到上百个单体，通常工作电压在300V左右，工作电流高达几百安培。

电池组一般都采用串联方式工作，工作电流与单体电池是一样的，检测比较容易，而端电压的检测则比较困难。

若只检测电池组的端电压，方法很简单，只需在电池组的两端接上检测电路即可，但这样做是不行的，因为虽然可以得到总的工作电压，但无法判断具体某只单体电池的端电压，而只要有一只电池出问题就会影响整组电池的正常工作和性能。

电池管理系统需要采集的信号有:

电压信号、电流信号和温度信号。

过多的信号将导致电池管理系统过于复杂,从降低成本和提高系统的可靠性等方面考虑,电池管理系统越简单越好。

电池管理系统信号采集如下:

（1）电压信号的采集:

锂离子电池管理系统需要采集每个单体电池的电压信号。

电压采集电路通过线性光耦开关依次选择被测的电池单体,通过采样保持电路后,经A/D转换采集电压数据。

（2）电流信号的采集:

系统只需采集整个电池箱的充放电电流,故采用分流计采集电流数据。

（3）温度信号的采集:

采用温度传感器采集温度数据。

综合考虑温度的准确性和可靠性,电池箱设置10个温度采集点,均匀分布在电池箱的待测电池单体上。

本文所述信号采集系统的基本处理方法，是外围电路提供一个参考电压，把采集到的状态量转换为电压信号，通过两者的比较，把得出的数据通过CAN口传输到仪表上显示。

通过比较得出的X值就是所检测的电池电压。

，假设采集到的信号量为X，采用的原理公式如下：

电池电压参考电压=XOXFFF

车载系统的网络通讯

CAN网络的基本概念

CAN总线是德国Bosch公司20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议.

CAN已成为国际标准（ISO-11898）,是具有国际标准的现场总线,规范210A和210B.CAN总线可支持8/16位CPU,可与各种处理器接口或组成智能化仪器仪表;可工作于多主工作方式,任一节点任一时刻均可主动发送信息,不分主从,通讯方式灵活,可方便的构成多机容错系统;节点可分成不同优先级,满足不同的实时要求;采用非破坏性总线仲裁技术,多点同时发送时,优先级低的节点,主动停止发送,优先级高的不受影响继续发送,有效的避免了总线冲突;可采用点对点、一点对多点及全局广播等方式传送和接收数据,直接传送距离达10km/5Kbps,速率最高达1Mbps/40m,总线上的节点数据理论值达2000个,实际由于时延可达110个;采用短帧结构每一帧有效字节8个,传输时间短,受干扰概率低,重新发送快;通讯介质可采用双绞线及光纤;用户接口简单、编程方便;温度-40℃～+125℃工作;节点故障时有自动关闭总线功能,可以与总线脱离,不影响总线操作;每帧具有CRC校验和其它检测措施,保证出错率极低;具有很高的适应性;接口收发器具有瞬时电压保护,RT抑制、热保护、短路保护等.

CAN通信协议规定了4种不同的帧格式,即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。

基于下列5条基本规则进行通信协调：

（1）总线访问；

（2）仲裁；（3）编码/解码；（4）出错标注；（5）超载标注。

电动车对通信系统的要求是:

（1）数据传输可靠、实时性高,传输速率高、误码率低;

（2）系统的可靠性高,即当节点或总线出现故障时对整车性能的影响尽可能的小;

（3）系统的鲁棒性好,允许多主网络存在。

CAN总线作为一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络完全能够满足这些要求,其模型结构只有三层,即物理层、数据链路层和应用层。

CAN网络在车载数据采集系统中的应用

电动车CAN总线系统,由中央控制器、电池管理系统、电机控制系统、制动控制系统、仪表控制系统组成。

各个控制器之间通过CAN总线进行通信,以实现传感器测量数据的共享、控制指令的发送和接收等,并使各自的控制性能都有所提高,从而提高系统的控制性能。

它们之间的通信与信息类型为信息类和命令类。

信息类主要是发送一些信息,如传感器信号、诊断信息、系统的状态。

CAN总线具有较高的性价比,结构简单,器件容易购置,每个节点的价格较低,开发技术容易掌握,能充分利用现有的单片机开发工具。

本文所设计的数据记录系统是应用在电池电动汽车的整车分布式CAN网络上的,对整个CAN网络上的节点数据进行采集和存储。

整个系统的结构图如图2-2所示。

图2-2CAN网络结构图

CAN网络在本文设计采集系统中起到的作用跟如上所述相同。

通过信号采集系统对各单体蓄电池的温度和电压进行监测采集，通过CAN总线与控制器进行通讯，将蓄电池组SOC，温度和电压等参数实时传送给总控制器。

系统主要性能指标

一般认为电池管理系统主要有如下功能：

电池状态参数采集（包括温度、电压、电流等）、电池荷电状态（SOC）的准确估计、不健康电池的早期诊断、对电池组安全运行全面监控，如防止电池的过充电和过放电等。

本采集系统的各项功能及指标

（1）自动在线连续监测不同标定电压电池的单体电压及总电压值。

（2）自动对蓄电池组参数按时间顺序循环检测。

（3）电池老化监测与落后电池甄别，对其补充充电。

（4）电池组/单电池充电压监测与超常判断，报警。

（5）网络化设计，远程管理和集中监控。

（6）模块化结构，便于安装维护。

系统预期误差的评估

本文设计的的车载网络数据采集系统是对电动车动态下进行数据采集的，由于诸多外界因素的影响，不可避免的会造成系统误差。

（1）电流测量误差。

本系统采用的是霍尔是电流计，二而电机内的电流产生的磁场会对霍尔电流计产生影响，这样就导致了测量误差的出现。

（2）电池温度误差。

电池的温度是通过温度传感器采集信号的，电动车在运行过程中会出现颠簸，可能导致传感器松动等不良测量状态的出现，这样测量的电池温度就可能不全是电池温度，采集的信号也可能是温度信号。

（3）电机温度误差。

电机的温度测量采用的信号放大装置，PT100是很敏感的电阻。

稍微遇到信号干扰就会出现测量值的偏差，比如噪声等造成的。

（4）车速测量误差。

车速测量采用的是脉冲采集法，由于每个脉冲方波的时间很短，对信号的采集控制就不容易控制。

脉冲方波图

如每五个周期的脉冲进行一次采集，系统就可能以脉冲的上沿线和下沿线难以辨别，就会造成采集时间长度T1和T2的不同，这样就会存在一个周期的误差。

第三章基于STM32F103VB数据采集系统的硬件设计

本章重点介绍STM32F103VB系列芯片以及其外围电路的设计。

选择STM32F103VB芯片的原因是因为这个芯片带有CAN借口和ADC模数转换器，而汽车上几乎所有的端口都是CAN接口。

而且此采集系统可以实现多块高压电池的状态进行动态检测，并不需要转换数据就可以直接从CAN端口输送到仪表上面显示出来。

具体可以检测的内容如查电池是否有故障，某一块电池低电压而且可以找出是哪一块电池出现了异常。

这就是本采集系统的意义所在。

车载网络数据采集系统的硬件主要分为微控制器最小系统、信号采集电路、电源电路、光电隔离电路、信号巡检电路、CAN通信和串口通信以及扩展EEPROM

电路。

如图3-1所示：