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基于单片机的电力汽车电池管理系统的设计与研究毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

自21世纪以来,随着基础科学研究领域尤其是材料、物理、化学领域的蓬勃发展,电能存储技术得到了重大的突破,发展十分迅速。在外部环境上,人类社会也正越加越真实得感受着资源紧张的压力和日渐严峻的环境问题。至此,在科学技术推动和社会进步要求的双重作用之下,越来越多的研究人员把目光聚集在了能源管理领域,而其中,电池管理系统BMS(即Battery Management System)作为未来市场上的一个重要角色自然也获得了众多科学家们的长足关注。本论文的研究对象即为以锂电池为基础展开的电池管理系统。

本设计在框架上采用STC89C51单片机为主要控制系统,辅以其他模块完成相应功能。BMS设计要求实现对电池电量进行检测,在AD转换模块上选用了PCF8591。显示模块选用上,使用的是目前最为普遍也最为成熟的LCD1602模块。为了实现电池热管理,综合考虑测温范围和成本,选用DS18B20温度传感器。电压电流采样方面,采用微电阻采样,经过MAX4080模块放大送入AD转换电路。欠压和过流保护电路采用蜂鸣器报警。

本设计在低成本前提下完整实现了电池管理系统所要求的所有功能,在硬件电路和软件代码联调基础上实行了功能优化,最终实验也验证了系统的准确性和稳定性。

关键字:单片机;电池管理系统;锂电池;PCF8591

Abstract

Since the 21st century, with the vigorous development of basic scientific research, especially in the fields of materials, physics and chemistry, electrical energy storage technology has made a major breakthrough, and developed rapidly. In the external environment, human society is becoming more and more real and feels the pressure of resource shortages and increasingly serious environmental problems. So far, under the dual role of science and technology promotion and social progress requirements, more and more researchers have gathered their attention in the field of energy management, among which the battery management system BMS (Battery Management System) as the future market An important role has naturally gained the attention of many scientists. The research object of this thesis is the battery management system based on lithium battery.

This design uses STC89C51 single-chip microcomputer as the main control system in the framework, supplemented by other modules to complete the corresponding functions. The BMS design requires the detection of battery power, and PCF8591 is selected on the AD conversion module. The display module is selected and uses the most popular and mature LCD1602 module. In order to achieve battery thermal management, considering the temperature range and cost, DS18B20 temperature sensor is selected. In terms of voltage and current sampling, it is sampled by micro-resistance and amplified by the MAX4080 module and sent to the AD conversion circuit. The undervoltage and overcurrent protection circuits use a buzzer alarm.

This design completely realizes all the functions required by the battery management system under the premise of low cost. It is optimized on the basis of hardware circuit and software code linkage adjustment. The final experiment also verifies the accuracy and stability of the system.

Keywords: Single Chip; Battery Management system; Lithium Battery; PCF8591

目录

第1章 绪论 1

1.1 电池储能技术发展介绍 1

1.2 电池管理系统介绍 2

1.3 国内外发展现状和应用前景 2

1.4 课题研究内容及要求 4

第2章 锂离子电池管理系统基础 5

2.1 锂离子动力电池技术 5

2.1.1 工作原理 5

2.1.2 充放电性能 6

2.1.3 电池相关技术参数 7

2.2 锂离子电池管理系统 8

2.2.1 电压/温度/电流数据采集 8

2.2.2 SOC电量管理模块 11

2.2.3 均衡管理模块 11

第3章 BMS硬件部分 13

3.1 编译软件介绍 13

3.1.1 Altium Designer18软件简介 13

3.1.2 Proteus软件简介 13

3.2 硬件电路介绍 14

3.2.1 单片机最小系统 15

3.2.2 LCD1602显示电路 16

3.2.3 MAX4080电流检测电路 17

3.2.4 PCF8591数据获取电路 17

3.2.5 报警电路 18

第4章 BMS软件部分 19

4.1编译软件介绍 19

4.2软件函数介绍 19

第5章 仿真测试与结果分析 24

第6章 结论 26

参考文献 27

附录 实物图 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 电池储能技术发展介绍

自21世纪以来,随着基础科学研究领域尤其是材料、物理、化学领域的蓬勃发展,电能存储技术得到了重大的突破,发展十分迅速。作为电动汽车的主要动量来源,电池技术的发展直接影响了整个产业的进程。回顾电动汽车产业的发展史,我们总能够在每一次技术革新时看到材料体系的变迁。1834年,托马斯和勒波特联手打造出了世界上首辆电力汽车,其使用的技术是一次性的石英封装蓄电池驱动。而值得关注的是,世界上第一辆汽油发动机汽车是在1886年才由“汽车之父”卡尔·弗里德里希·本茨发明问世。可见电动汽车的起步并不比汽油机汽车来得晚。19世纪中期开始,铅酸电池技术被广泛应用在汽车上,也以此带来了电动汽车产业化的第一波高潮,其中标志性意义在于可充电碱性电池的问世,使得电力汽车具有了初步的市场性,产业化进程远超当时的汽油发动机汽车。以20世纪初美国为例,数据显示,1900年,美国汽车产业制造量上,电动机汽车占比达90.1% ,蒸汽机汽车仅有1684辆,汽油发动机汽车的这个数字也只能达900有余。

然而电力汽车的发展并没有一帆风顺。在19世纪末到20世纪初期的四十年间,因为世界范围内石油开采量井喷式的激增和1911年内燃机的问世两大因素。电力汽车市场受到严重冲击。1913年,Ford汽车建立了第一条以内燃机为动力的汽车产品线,至此,内燃机汽车以其低廉的价格、稳定的车速和强大的续航性能迅速击败电动汽车厂商。当然,在此期间,电动汽车的电池技术也在不断更新,但是在能量密度这一关键参数上,无论是铅酸电池还是当时更先进的镍铬电池和镍铁电池,和汽油相比似乎都有着不可逾越的鸿沟。

此消彼长的是,在二战之后,日本和欧洲石油供应出现紧张,电力驱动技术开始复苏。进入20世纪中叶,内燃机大批量使用带来了严重的环境问题,同时考虑到石油供应开始掺杂政治因素和国家安全问题,越来越多的国家重新正视电力汽车产业的进步性。90年代为了促进电动汽车产业的发展,美国通用、福特加上克莱斯勒三大巨头成立美国先进电池联合会(USABC),政府和市场都予以大量资金投入和政策扶持。同年,世界第一辆可充电锂电池电动汽车由日本索尼公司推出,相比较它的前身,其无论是在续航里程、充电时长还是加速度上均有显著提升,至此锂离子电池技术受到广泛关注,被认为是未来最有希望的电池存储即使之一。可以预见,在未来随着人们生活水平的提高和科学技术的进步,电力汽车肯定会成为主流,而这一产业最为核心的动力电池,最终基本是向着高能量质量密度、强稳定性、低成本方向继续发展。

1.2 电池管理系统介绍

电池管理系统,其一般定义为对动力电池或电池组进行性能监控检测和效率强化管理的一类装置。其主要目的是提高电池的使用年限和效率。对于一般的电池管理系统而言,其往往需要具备如下几类作用:

  1. 电池状态估计。电池状态估计是作为电池管理系统最为主要的要求。按照国际流行框架,其一般包含有两个方面,分别是电池健康状态(SOC)与电池荷电状态(SOH)。前者用来测量监视电池剩余电量,后者用来显示电池运行状态,对电池使用时长和功率等进行计算和预测。
  2. 热管理。为了保证动力电池的工作稳定和高效,需要对对电池在运行时的温度进行精密测量。因为目前的大多数动力电池组都是化学型蓄电池,失控的温度无论对于大功率放电的电池组还是使用产品的环境都是一个巨大的安全隐患。所以为了维持电池的稳定工作环境,负反馈的热管理是不可或缺的一个步骤。
  3. 能量管理。一个BMS的能量管理指的是通过采集到的电池组相关参数比如电压、电流、温度等与已设置的标准数值比较,选取最适合的方案对电池的充放电过程进行控制。
  4. 安全性检测。其实对于任何一个系统,特别是硬件电路,安全性都是一个必须考虑的模块。在此部分中应包括过流与欠压保护,以及保护电路和示警电路的搭建。

电池管理系统是近现代动力电池产业发展中催生出的一个重要部件。一般而言,在电池组电量相同的前提下,一个设计优秀的电池管理系统可以提高超过30%的使用寿命。

1.3 国内外发展现状和应用前景

锂离子电池在当前主要在是电子类产品上有较大开发,众多产品之中手机和PC是最为人所熟知的领域,当然目前一些新兴科技公司特别物联网公司正在电动汽车领域不断发力。可以预见,未来五十年内,电力汽车等动力锂电领域会逐渐成为锂电池的增长主要来源。我们不难总结出,电动汽车的供电电池应该符合的一些特点:高密度的电荷存储,电动汽车的里程大小很在于电池的储能;高密度的能量传送,能量输入和输出的速度和功率对于电动汽车的加速性能起着关键作用;便捷的售后维修与保养;好的安全性能等[1]

关于锂离子电池等动力电池的BMS,目前国外因为起步较早,技术相对国内厂家要成熟不少,国际前沿的各大电池公司都纷纷投入巨额资金在动力电池和电池管理系统技术上,以求在这一未来能源的基础领域能尽可能地站在产业前列。据国际电池委员会2018年调查显示,在电池技术发展规划上,世界范围内各大发达国家都出台拟定了相关战略规划,在制度层面上对这一基础研究予以大力扶持。

目前美国关于电动汽车技术和动力电池bms研究方面一直没有人能追得上,比如说通用汽车公司率先开发新式的电池管理系统,其在工作时不再只是一个简单的微处理器,而是采用一个微电脑来对电池组进行实时监控、充放电状态检测包括荷电状态估算,以求对电池性能加以改善。欧洲在BMS领域也同样保持着先进的态势,据悉法国最新的BMS可以在保证电池寿命的同时,对行驶中的电池进行管理、辅助和维护,并实现充放电状态监测、剩余电量显示,多维度地收集动力电池组的数据,选择恰当方案使用电池更换电池,最终实现更有高效地分配电能。日本本田公司已实现量产的CIVIC混合动力汽车采用了额定电压达330V的镍氢动力电池组,电压值能达到如此高值也是得益于其强大稳定的电池管理系统保障[2]

而在国内,国家权威机构也对我国的电池技术现状有过评估。虽然国内在这方面起步较晚,但随着工业化进程的加快,大数据、物联网、智能家居概念的兴起,搭载产品的能源技术也得到越来越多关注。中国目前的动力电池组技术和BMS设计水平已经能够达到世界先进水准,蓄电池安全性能近十年来也有了很大的提高。其实早在国家“十三五”规划中(2016年-2020年),就已经对混合高功率动力电池汽车以及纯电力高能量电池驱动汽车特别是锂电池产业进行了具体的规划和技术研发的政策扶持。在最新国家提出的“中国制造2025”战略规划中,也进一步明确了动力电池的发展规划:到2020年,电池能量密度要能够达300Wh/kg;到2025年,这个值要能够达400Wh/kg;到2030年,要能够达到500Wh/kg电池能量密度[3]

电池管理系统作为动力电池发展的重要方向,预见其发展前景将十分良好。世界各国也相继在此领域投入资金和政策帮助,无论是中国的“中国制造2025”,美国的“再工业化”战略,还是德国“工业4.0”战略,都在动力电池技术上实行立项,可见这一领域未来市场的广阔和竞争之激烈。

1.4 课题研究内容及要求

本设计在动力电池上选用锂离子电池,在对锂离子电池特性进行研究后选择最合适方案进行电池管理系统的软硬件搭建。本课题研究内容包括以下几点:

  1. 研究锂离子电池的工作原理和性能,结合锂离子动力电池自身特点,选择合理方案实现准确的电池剩余电量估算(SOC);
  2. 硬件部分。学习研究单片机系统及相关绘图和仿真软件的使用,完成一个以物理电池为主要供能渠道的电池管理系统硬件平台搭建,能实时监测锂离子电池剩余电量,以防过充和过放发生;
  3. 软件部分。学习研究C语言及相关编译烧录和仿真软件的操作,编程设计电池管理系统各个模块:采集模块,MCU 模块,热管理模块,电源管理模块,实现相应的功能;
  4. 在硬件搭建完成和软件编译通过后进行调试工作,验证系统的各项功能是否符合预期,实现软硬件的联调,对整个系统进一步优化。

第2章 锂离子电池管理系统基础

2.1 锂离子动力电池技术

锂离子电池技术兴起于1990年前后,其优点明显,高比能量和高工作电压、循环寿命长、污染小、自放电小、性能稳定而且关键没有记忆效应(锂离子电池因为工艺制成原因,其并不像镍镉电池镉晶粒较粗,电池容量不会因为充放电不完全而减小)。在如今物联网逐渐兴起的潮流下,作为将各种新兴概念落实的重要一环,动力电池领域也将目光投注在锂电池技术发展上。

以下内容将具体介绍锂离子动力电池的工作原理和充电放电特性,这对于锂离子电池管理系统的搭建和方案选择具有指导意义。

2.1.1 工作原理

目前市面上流行的锂离子电池主要是聚合物锂离子电池(PLB)和液态锂离子电池(LIB)。二者分类标准是电池工艺上电解质材料选取不同,前者使用聚合物电解质,而液态锂离子动力电池则是将聚合物电解质更换为液体电解质。根据电池实际工作环境,不同形态的电解质各有优缺点,但总体差异不大。不过无论哪种锂离子电池,它们的基本工作原理都是相同的一类化学反应,而通过下面的化学反应方程,我们也能感受下为什么锂离子电池被称为真正的绿色电池。

锂动力电池类属浓度差电池的一种。工艺上其正、负极一般是由两类不同锂离子化合物制造而成。其实在锂离子电池应用初期一般厂家是直接将金属锂掺加到负极里实现的,后来证明这种方法不够友善,在反应发生后,电池内部非常容易因为产生锂沉淀而遭到腐蚀,而这也最终缩减了锂离子动力电池的使用时长,严重情况下甚至还有几率因为锂沉淀堆积造成电池短路,其安全性也受到挑战。目前流行的正极一般采用锂化合物LixCoO2、LixNiO2和LixMn2O4,同时常采用 LixC6碳锂化合材料作为负极材料,电解材料上液态锂离子电池一般是掺砷氟化物LiAsF6或者掺磷氟化物LiPF6的有机化合物溶液。总结电池的充放电过程在内部实际上就是锂离子Li 在正负电极材料之间的循环脱出和嵌入过程。在这个环节也体现了锂离子电池之于传统镍铬镍氢碱性电池的优点,锂离子电池反应是处在离子层级上的嵌入和脱出,而并未改变正负极材料的晶体结构,在宏观上就表现为其无记忆效应和自放电小的特性。同时,锂离子电池因为使用的化合物大多是Li、P、Ni等非有害元素,其对环境的污染和对使用者健康的威胁相较于传统碱性电池要小得多。

锂离子电池正电极负电极化学反应式:

正极方程式: (2.1)

负极方程式: (2.2)

电池总反应方程式: (2.3)

方程式中的M可以是Ni、Co、Mn、W等元素。附锂离子电池反应原理图如图2.1所示[4]

http://www.elecfans.com/yuanqijian/UploadPic/2009-11/2009113114515374.gif

图2.1 锂离子电池原理图

2.1.2 充放电性能

虽然在理论上锂离子电池在正负极间建立的是一套完美的可逆化学反应,但实际上锂电池中因为工艺和材料因素[5],时时刻刻都会有额外的副反应发生,同时也有活性物质、电解质的不可逆的损耗存在。所以,锂离子动力电池的充电和放电特性研究对于实际锂离子电池的使用就显得十分有必要了。

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图1:上面简化的框图描述了一种基本的高边检测电路(图1A)和一种基本的低边检测电路(图1B)。

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