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第4章 纯电动汽车(一)
概述
纯电动汽车传动系统参数设计
纯电动汽车的续驶里程
纯电动汽车电池管理系统
新能源汽车技术 第 1 页
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概述
纯电动汽车是以电池为储能单元,以电动机为驱动
系统的车辆。
纯电动汽车的特点是结构相对简单,生产工艺相对
成熟。缺点是充电速度慢,续驶里程短。因此适合
于行驶路线相对固定,有条件进行较长时间充电的
车辆。
新能源汽车技术 第 2 页
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1.纯电动汽车分类
1).按用途分类
(1)纯电动轿车;
(2)电动货车;
(3)电动客车。
2).按驱动形式分类
(1)直流电机驱动的电动汽车;
(2)交流电机驱动的电动汽车;
(3)双电机驱动的电动汽车;
(4)双绕组电机电动汽车;
(5)电动轮电动汽车。
新能源汽车技术 第 3 页
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2.纯电动汽车组成与原理
电动汽车主要由电力驱动系统、电源系统和
辅助系统等三部分组成。
汽车行驶时,由蓄电池输出电能(电流)通
过控制器驱动电动机运转,电动机输出的转矩经
传动系统带动车轮前进或后退。
电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关,蓄电
池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里
程,必须尽可能地节省蓄电池的能量。
新能源汽车技术 第 4 页
典型电动汽车组成框图 新能源汽车技术 第 5 页
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2.纯电动汽车组成与原理
1).电力驱动系统
电力驱动系统主要包括电子控制器、功率转换器、
电动机、机械传动装置和车轮等。它的功用是将存
储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能,并
能够在汽车减速制动时,将车轮的动能转化为电能
充入蓄电池。
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2.纯电动汽车组成与原理
包括电动机驱动器、控制器及各种传感器,其中最关
键的是电动机逆变器。
电动机不同,控制器也有所不同。控制器将蓄电池直
流电逆变成交流电后驱动交流驱动电动机,电动机输
出的转矩经传动系统驱动车轮,使电动汽车行驶。
有关电动机的相关内容已在第3章中介绍。
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2.纯电动汽车组成与原理
2).电源系统
包括电源、能量管理系统和充电机等。它的功用是
向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控
制充电机向蓄电池充电。
纯电动汽车的常用电源有铅酸电池、镍镉电池、镍
氢电池、锂离子电池等。
纯电动汽车主要是指电池管理系统,它的主要功用
是对电动汽车用电池单体及整组进行实时监控、充
放电、巡检、温度监测等。
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2.纯电动汽车组成与原理
3).辅助系统
主要包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导
航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。
辅助动力源主要由辅助电源和DC/DC功率转换器组成。
它的功用是向动力转向系统、空调器及其它辅助设
备提供动力。
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3.纯电动汽车驱动系统布置形式
(1)第一种与传统汽车驱动系统的布置方式一致,
带有变速器和离合器。只是将发动机换成电动机,
属于改造型电动汽车。
这种布置可以提高电动汽车的起动转矩,增加
低速时电动汽车的后备功率。
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3.纯电动汽车驱动系统布置形式
(2)第二种取消了离合器和变速器。优点是可
以继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置,
只需要一组电动机和逆变器。
(3)第三种布置方式将电动机装到驱动轴上,
直接由电动机实现变速和差速转换。
新能源汽车技术 第 11 页
驱动桥
新能源汽车技术 第 12 页
新能源汽车技术 第 13 页
新能源汽车技术 第 14 页
新能源汽车技术 第 15 页
新能源汽车技术 第 16 页
新能源汽车技术 第 17 页
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4.纯电动汽车的特点
(1)无污染,噪声低
(2)能源效率高,多样化
(3)结构简单,使用维修方便
(4)动力电源使用成本高,续驶里程短
新能源汽车技术 第 18 页
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5.纯电动汽车的关键技术
1).电机及控制技术
电动汽车的驱动电机属于特种电机,是电动汽
车的关键部件。
驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速,
足够大的启动转矩,体积小、质量轻、效率高且有
动态制动强和能量回馈的性能。
新能源汽车技术 第 19 页
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5.纯电动汽车的关键技术
变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、
专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,都将
各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。
电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续
驶里程,具有显著的经济价值和社会效益。再生制
动还可以减少刹车片的磨损,降低车辆故障率及使
用成本。
新能源汽车技术 第 20 页
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5.纯电动汽车的关键技术
2).电池及管理技术
电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽
车发展的关键因素。
电动汽车用电池要求比能量高、比功率大、使用寿
命长,但目前的电池能量密度低,电池组过重,续
驶里程短,价格高,循环寿命有限。
新能源汽车技术 第 21 页
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5.纯电动汽车的关键技术
3).整车控制技术
新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结
构,高速CAN总线每个节点为各子系统的ECU。低速
总线按物理位置设置节点、基本原则是基于空间位
置的区域自治。
实现整车网络化控制,其意义不只是解决汽车电子
化中出现的线路复杂和线束增加问题,网络化实现
的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术
在汽车上应用的一个基础,同时也为X-by-Wire技术
提供有力的支撑。
新能源汽车技术 第 22 页
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5.纯电动汽车的关键技术
4).整车轻量化技术
(1)通过对整车实际使用工况和使用要求的分析,
对电池的电压、容量、驱动电动机功率、转速和转
矩、整车性能等车辆参数的整体优化,合理选择电
池和电动机参数。
新能源汽车技术 第 23 页
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5.纯电动汽车的关键技术
(2)通过结构优化和集成化、模块化优化设计,减
轻动力总成、车载能源系统的重量。
(3)积极采用轻质材料,如电池箱的结构框架、箱
体封皮、轮毂等采用轻质合金材料。
(4)利用CAD技术对车身承载结构件(如前后桥、
新增的边梁、横梁等)进行有限元分析研究,用计
算和试验相结合的方式,实现结构最优化。
新能源汽车技术 第 24 页
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纯电动汽车传动系统参数设计
四个指标来评价:
(1)起步加速性能
车辆在设定时间内由静止加速到额定车速或走
过预定的距离的能力。
(2)以额定车速稳定行驶的能力
对电动汽车来说,蓄电池和电动机应该能提供
车辆以额定车速稳定行驶的全部功率需求,并且根
据我国的道路状况至少能克服坡度为3%的路面阻力。
新能源汽车技术 第 25 页
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纯电动汽车传动系统参数设计
(3)以最高车速稳定行驶的能力在电动汽车上,电
动机发出的功率应该能够维持车辆以最高车速行驶。
(4)爬坡能力
电动汽车能以一定的速度行驶在一定坡度的路面
上。另外,电动汽车的蓄电池所输出的电能和电量应
该能够维持电动汽车在一定工况下行驶额定的里程。
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1.电动机参数设计
电动机的功率包括额定功率和最大功率。
电动机的功率不能选得太大,应该依照电动汽
车的最高行驶车速、爬坡度和加速性能来确定电动
机的功率。
新能源汽车技术 第 27 页
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1.电动机参数设计
1).根据汽车最高车速确定电动机功率
已知电动汽车期望的最高车速,选择的电动机功率
应大体上等于但不小于汽车以最高车速行驶时行驶
阻力消耗的功率之和。
式中, 为整车质量(kg); 为滚动阻力系数;
为迎风阻力系数; 为迎风面积(㎡);
为最高行驶车速(km/h)。
新能源汽车技术 第 28 页
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1.电动机参数设计
2).根据汽车爬坡度确定电动机功率
电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率为
式中, 为电动汽车行驶速度(km/h); 为坡度。
3).根据电动汽车加速性能确定电动机功率
新能源汽车技术 第 29 页
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1.电动机参数设计
式中, 为汽车旋转质量换算系数; 为车轮的转动惯量
(kg·m2); 为飞轮的转动惯量(kg·m2); 为车轮
半径(m); 为变速箱传动比; 为主减速器传动比。
电动汽车电动机的额定功率为
新能源汽车技术 第 30 页
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2.传动系传动比设计
电动汽车传动比的选择应该满足汽车最高期望
车速、最大爬坡度以及对加速时间的要求。
1).传动系速比的上限
传动系速比的上限由电动机最高转速和最高行
驶车速确定。
式中, 为主减速器的传动比; 变速器的传动比。
新能源汽车技术 第 31 页
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2.传动系传动比设计
2).传动系速比的下限
由电动机最高转速对应的最大输出转矩和最大行驶车速对应
的行驶阻力确定传动系速比下限为
式中, 为最高车速对应的行驶阻力; 为电动机最
高转速对应的输出转矩。
由电动机的最大输出转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定
传动系速比下限为
式中, 为最大爬坡度对应的行驶阻力(N); 为电动机
最大输出转矩(N·m)。
新能源汽车技术 第 32 页
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3.电池组容量设计
1).由电动汽车所需的最大功率选择电池组数目
蓄电池的携带能量必须大于或等于电动汽车的
最大能耗,要求电池组数目为
式中, 为电动机的工作效率; 为电动机控制器
的工作效率; 为单个电池组所包含的电池的数目。
新能源汽车技术 第 33 页
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3.电池组容量设计
2).由续驶里程选择电池组的数目
在汽车充电前,蓄电池所携带的能量必须保证电
动汽车能够行驶一定的里程。所以电池组数目为
式中, 为续驶里程(km); 为电动汽车行驶
1km所消耗的能量(kW); 为单个电池的电容
(A·h); 为单个电池的电压(V)。
从二者中选择较大者确定电池组组数。
新能源汽车技术 第 34 页
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4.设计实例
1).电动机参数的选择
电动机类型选取交流感应电动机。
计算得到电动机的最大功率 =。
参考ADVISOR并查阅电工手册选择交流电机参数:
额定功率 =30kW; 额定电压 =220V;
最大电流 =180A;过载系数 = ;
最高转速 =9000r/min。
新能源汽车技术 第 35 页
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4.设计实例
2). 传动系统传动比的选择
电动汽车行驶工况多种多样,最低稳定车速在
3~6km/h范围内,最高车速可达100km/h,甚至更高。
行驶过程遇到的阻力变化很大,变化范围在6倍以上,
在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器。
为了满足电动汽车行驶阻力的变化范围,减轻电
动机和动力电池的负荷,提高工作效率,又使传动系
统的结构不过于复杂以至降低工作效率,采用Ⅲ档变
速器。
新能源汽车技术 第 36 页
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4.设计实例
(1)主减速器速比的选择
设传动系变速器第Ⅲ档为直接档即 =1,电动机的最
高稳定转速 =9000r/min,得 。初步
确定主减速器速比 为。
(2)变速器速比的选择
汽车传动系各档的传动比大体上按等比级数分配,可以
充分利用蓄电池所提供的一次充放电的有限能量,提高
动力性,增加续驶里程。
新能源汽车技术 第 37 页
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4.设计实例
综上可得, =;根据等比级数的分配方法
得, =
新能源汽车技术 第 38 页
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4.设计实例
3).蓄电池参数的选择
电池类型选择镍氢电池,其比电容达250A·h,比电压
,比能量达80Wh/kg,比功率230W/kg。
(1)由电动机功率确定电池组的数目
在实际应用中电池的最大功率应限制为
式中, 为单体电池电动势; 为等效内阻 。
由式求得单个电池的最大输出功率为 =,
进而得, =。
新能源汽车技术 第 39 页
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(2)由续驶里程确定电池组的数目
由前面得, =。考虑到电池放电深度一般
不超过80%,故取 =。
综上,取电池组数目n=22。
电动汽车传动系统主要参数都是从汽车行驶时
所消耗的能量出发推导计算得到的,理论上,它的
动力性、续驶里程都应该满足设计要求。
4.设计实例
新能源汽车技术 第 40 页
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5.性能仿真
基于ADVISOR建立电动汽车主要部件及整车仿
真模型。
1)仿真模型
(1). 电动机仿真模型
(2).蓄电池仿真模型
(3).车身仿真模型
(4). 主减速器和变速器仿真模型
(5). 纯电动汽车整车仿真模型
新能源汽车技术 第 41 页
仿真模型组成示意图
新能源汽车技术 第 42 页
整车仿真模型
新能源汽车技术 第 43 页
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5.性能仿真
2).仿真结果
汽车在实际行驶过程中不可能长时间在稳定车
速下行驶,尤其是在市区行驶时,电动汽车在行驶
中常常伴有频繁的加速、减速、怠速、停车等行驶
工况。选用日本10-15工况来进行仿真,仿真结果如
下图所示。
新能源汽车技术 第 44 页
ADVISOR仿真结果
新能源汽车技术 第 45 页
ADVISOR仿真结果
新能源汽车技术 第 46 页
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纯电动汽车续驶里程
目前,影响纯电动汽车发展的主要因素之一是
续驶里程短。为了尽可能地提高纯电动汽车的续驶
里程,有必要对其影响因素进行分析。
新能源汽车技术 第 47 页
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1.纯电动汽车续驶里程模型
1).等速行驶续驶里程的计算
汽车在良好的水平路面上一次充电后等速行驶直至
消耗掉全部携带的电能为止所行驶的里程,称为等
速行驶的续驶里程。它是电动汽车的经济性指标之
一。
汽车以速度v等速行驶时所需的电动机输出转矩 和
功率 分别为
新能源汽车技术 第 48 页
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1.纯电动汽车续驶里程模型
根据电机的类型和控制方式的不同确定电动机的输
出转矩M 和电池放电电流I的关系即: ;
也可以确定电机的输出功率 与电机效率 的关
系,即
电池携带的额定总能量为
新能源汽车技术 第 49 页
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1.纯电动汽车续驶里程模型
以铅酸电池为例,当电池以大电流 放电时,总
能量 为
式中,当 ≤3时, =;当 >3时,
=。
等速行驶续驶里程
新能源汽车技术 第 50 页
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1.纯电动汽车续驶里程模型
2).多工况行驶续驶里程的计算
多工况续驶里程为
式中, 为每个状态行驶距离(km); 为车辆能够完
成的状态总数。
新能源汽车技术 第 51 页
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2.纯电动汽车续驶里程影响因素
1).滚动阻力系数对续驶里程的影响
轮胎的滚动阻力系数越小,续驶里程越大。所以
降低轮胎滚动阻力系数可明显增加电动汽车的续驶里
程。
采用滚动阻力系数小的子午线轮胎,增大轮胎气
压等是增加电动汽车续驶里程的重要途径。
新能源汽车技术 第 52 页
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2.纯电动汽车续驶里程影响因素
2).空气阻力系数对续驶里程的影响
通过对电动汽车进行流线型设计,底部做成光滑表
面,同时取消散热器罩等措施,可以降低空气阻力系数。
3).机械效率对续驶里程的影响
提高电动汽车动力传动系统的机械效率,能有效地
增加电动汽车的续驶里程。电动汽车整车质量越小,行
驶速度越低,机械效率对续驶里程的影响越大。
新能源汽车技术 第 53 页
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2.纯电动汽车续驶里程影响因素
4).整车质量对续驶里程的影响
整车质量越大,续驶里程越小;并且不同车速时,
续驶里程也不相同。为了降低整车总重量,可通过采
用轻质材料的方法实现。
5).蓄电池参数对电动汽车续驶里程的影响
蓄电池参数包括很多,这里主要从蓄电池的放电
深度、电池比能量、电池箱串联电池个数、电池箱并
联电池组数、蓄电池的自行放电等几个方面分析。
新能源汽车技术 第 54 页
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纯电动汽车电池管理系统
准确和可靠地获得电池SOC是电池管理系统中
最基本和最首要的任务。
蓄电池的荷电状态是不能直接得到的,只能通
过对电池特性――电压、电流、电池内阻、温
度等参数来推断。这些参数与SOC的关系并不
是简单的对应的关系。
新能源汽车技术 第 55 页
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1.电池管理系统的功能
1).实时采集电池系统运行状态参数
实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电
压和温度、充放电电流以及电池组总电压等。
2).确定电池的SOC
准确估测动力电池组的SOC,从而随时预报电动
汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的SOC,使
电池的SOC值控制在30%~70%的工作范围。
新能源汽车技术 第 56 页
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1.电池管理系统的功能
3).故障诊断与报警
当蓄电池电量或能量过低需要充电时,及时报
警,以防止电池过放电而损害电池的使用寿命;当
电池组的温度过高,非正常工作时,及时报警。
4).电池组的热平衡管理
其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装
置使电池温度处于正常工作温度范围内。
5).一致性补偿
当电池之间有差异时,有一定措施进行补偿,
保证电池组表现能力更强,并有一定的手段来显示
性能不良的电池位置,以便修理替换。
新能源汽车技术 第 57 页
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1.电池管理系统的功能
6).通过总线实现各检测模块和中央处理单元
的通讯
在电动汽车上实现电池管理的难点和关键
在于如何根据采集的每块电池的电压、温度和
充放电电流的历史数据,建立确定每块电池剩
余能量的较精确的数学模型,即准确估计电动
汽车蓄电池的SOC状态。
新能源汽车技术 第 58 页
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2.电池管理系统的硬件实现
硬件的设计取决于管理系统实现的功能。
保证采集数据的准确性、可靠稳定的系统通信、
抗干扰性。
根据设计要求确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确定前向通道的设计;
根据通信数据量以及整车的要求选用合理的总
线。
新能源汽车技术 第 59 页
电池管理系统结构示意图
新能源汽车技术 第 60 页
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2.电池管理系统的硬件实现
1). 电压采样的实现
电压采样是对电动汽车电池组的电压进行采样,
每个电池组由10个单体电池构成。本系统中一共有
14个电池组组成电动汽车的动力电池。原理如下图
所示,每个电池为一个电池组。
新能源汽车技术 第 61 页
电压数据采集方案硬件框图
新能源汽车技术 第 62 页
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2.电池管理系统的硬件实现
2).电流采样的实现
采用电流传感器LT308(LEM),该电流传
感器是基于霍尔原理的闭环(补偿)电流传感
器,具有高的精度、良好的线性度和最佳的反
应时间,同时也具有很好的抗干扰能力。其测
量电路如下图所示。
新能源汽车技术 第 63 页
电流采样部分示意图
新能源汽车技术 第 64 页
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2.电池管理系统的硬件实现
3).温度采样的实现
温度检测系统采用直接电源供电方式。当
DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作
时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最
大为10。由于单线制只有一根线,因此发送接
收口必须是三态的。
新能源汽车技术 第 65 页
温度测量图
新能源汽车技术 第 66 页
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2.电池管理系统的硬件实现
4).抗干扰措施的设计
由于电池管理系统用在情况比较复杂的电
动汽车上,所以干扰可以沿各种线路侵入单片
机系统。其主要的渠道有三条:即空间干扰、
供电系统干扰、过程通道干扰。
新能源汽车技术 第 67 页
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2.电池管理系统的硬件实现
5).车载CAN通讯设计实现
电池管理系统是混合电动车车载电气系统的一
部分。它与整车控制系统的通讯联系是通过CAN通
讯来实现的。在电池管理系统中,CAN通讯的实现
是由外围设置CAN的控制器和接收器组成的通讯模
块,它的设计如下图所示。
新能源汽车技术 第 68 页
CAN通讯接口设计原理图
新能源汽车技术 第 69 页
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3.电池管理系统的软件实现
系统软件是基于ATMEGA8L的C语言实现的,主
要有以下几部分:
(1)系统初始化;
(2)参数检测及滤波;
(3)剩余容量估计;
(4)通讯;
(5)数据诊断报警。
新能源汽车技术 第 70 页
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3.电池管理系统的软件实现
1).系统内存配置
ATMEGA8L有两种类型的的存储器:程序存储器
(主要包含可执行程序代码)和数据存储器(主要
包含外部变量、静态变量、系统堆栈)。有C语一
言生成的每一块程序或数据存放于存储器空间的
一个连续的段中。
新能源汽车技术 第 71 页
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3.电池管理系统的软件实现
2).参数检测及滤波
电压、电流的检测都是通过AD中断采集的。即使由于
转换发生在读取ADCH与ADCL之间而造成ADC无法访问
数据寄存器,并因此丢失了转换数据,中断仍将触发。
新能源汽车技术 第 72 页
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3.电池管理系统的软件实现
3).剩余容量估计
剩余容量估计在系统软件中分三部分:开机参数初始
化,数据采集及电流积分,根据估计模型计算。
4). CAN通讯
CAN通讯是电池管理系统与整车控制单元进行通讯的
中介,电池管理系统把电池的SOC、温度及相关报警
信息发送到CAN总线上,中央控制单元接收到数据后
对数据进行处理,进行对整车的控制。
新能源汽车技术 第 73 页
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3.电池管理系统的软件实现
5). 数据诊断报警
在此电池管理系统中,对电池组相关的数据分析处理
是关键,也是电池管理系统的核心所在,这中间涉及
到温度的诊断、电压高低的诊断、电池组好坏的诊断
等,并且要在危险情况下做出紧急处理和报警。
新能源汽车技术 第 74 页