毕业设计论文基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的设计与开发

华 南 理 工 大 学毕 业 设 计 （论文）任 务 书兹发给汽车工程学院02车辆A模块学生 毕业设计（论文）书，内容如下：1 毕业设计（论文）题目：基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的设计与开发2 应完成的项目：（1） 研究基于电功率HEV电池能量计算机监控原理和实现方法（2） 开发基于电功率HEV电池能量监控系统的硬件系统（3） 开发基于电功率HEV电池能量监控系统的软件系统（4） 设计与绘制电功率HEV电池能量计算机监控系统结构机械图3 课题说明随着能源和环保问题的日益突出，混合动力电动汽车以其低排放、节能等优点受到世界各国的高度重视，作为发展电动车的关键技术之一的电池能量管理系统，是电动车商品化、实用化的关键。目前制约电动车推广的最大瓶颈是电池技术，在目前电池技术水平下，通过研制功能强大的电池管理系统，可以有效地利用电池，提高电池寿命，降低整车的使用成本。未来的汽车控制系统都以基于网络化的电子控制设备为载体，因此，对电池管理系统的研究能为电动汽车的进一步发展积累经验，对我国国民经济和科技的提高有着重大意义。本课题研究的主要内容为：基于电功率的电动力能量动态监控原理、开发对动力电池组容量的进行监测的嵌入式计算机系统，实现对HEV电动力能量的动态监控。 指导教师 签发 2006 年3月10日毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩负责人签字： 年 月 日 目录第一章 绪论11.1 引言11.2 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的设计目的和意义11.3 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的设计内容11.3.1 研究基于电功率HEV电池能量计算机监测原理及其实现方法11.3.2 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统硬件以及软件的设计与开发21.3.3基于电功率HEV电池能量计算机监控系统外壳结构的设计21.3.4 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监测系统的实验21.4 本章小结2第二章 基于电功率HEV电池能量计算机监测原理及其实现方法32.1 基于电功率的HEV电池能量计算机动态监控方法的原理32.1.1 铅酸蓄电池的充放电状态对蓄电池寿命的影响32.1.2 HEV电池能量管理系统42.1.3 基于电功率的HEV汽车电能量计算机动态监控方法的提出52.1.4 基于电功率的HEV电动车能量动态监控方法的原理62.2 DMMP法与SOC值法的比较72.4 本章小结12第三章 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的硬件与软件的设计133.1基于电功率嵌入式HEV电能量计算机监控系统的系统结构原理143.2 基于电功率HEV蓄电池电能量监控系统的硬件电路设计153.2.1 AT89C51的选择原则及其特性153.2.2 AT89C51的最小系统设计173.2.3 A/D转换电路设计183.2.4 LED数码管显示电路设计223.2.5 单片机控制继电器的电路设计273.2.6 电源设计283.3 基于电功率HEV电池能量监控系统的软件设计293.3.1系统软件的功能293.3.2 程序流程图303.3.3 程序算法说明303.3.4 程序以及分析313.4 设计与绘制电功率HEV电池能量计算机监控系统外壳结构机械图313.4.1 外壳设计的目的和意义313.4.2 外壳机械结构的组成与尺寸的选择323.4.3外壳的proE设计和CAD图纸的绘制323.5本章小结33第四章 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监测系统的实验验证344.1 基于电功率的HEV电池能量动态监控系统的实验目的344.2 基于电功率的HEV电池能量动态监控系统选用的实验装置344.3铅酸蓄电池以115.2A大电流恒放电率放电实验分析354.3.1实验数据处理354.3.2实验结果分析374.4电压微调实验384.4.1实验目的以及实验装置384.4.2实验数据记录394.4.3实验结果分析394.4本章小结40第五章 总结41参考文献42致谢44附录145附录250摘要在目前世界上能源危机日益严重的情况下，混合动力电动汽车以其高效率、低排放的优点受到世界各国的普遍重视。电池能源管理系统是混合动力电动汽车（HEV）的关键部分之一，本论文致力于基于电功率HEV汽车电池能源管理系统的设计和开发。论文在研究基于电功率的HEV汽车电能量计算机动态监控方法（DMMP法）的基础上，设计和开发了基于电功率HEV汽车蓄电池能量监控系统。通过系统硬件和软件的设计和开发，制作了采集HEV蓄电池电压和电流的监控装置。此监控装置不仅能够实现蓄电池两个电参量的采集，而且具有充电电压控制和系统误差补偿的功能。 为了验证DMMP法的准确性和蓄电池电能量监控系统的可靠性，本论文设计了蓄电池恒流放电和电压微调两组实验。在实验中得出数据，并进行分析和比较，从而比较出DMMP法与SOC值法的差别，验证DMMP法的优越性。基于HEV电池能量监控系统的设计与开发，为以后HEV电池能量管理系统的研究和设计提供了实验的方便和奠定了坚实的基础，随着系统的不断完善，必定能够优化和管理HEV蓄电池，达到高效利用电池和延长电池寿命的目的。关键词：混合动力电动汽车，电池能源管理系统，电池荷电状态SOC。AbstractAt present, there were increasing concerns about environmental and energy problems, Hybrid-Electric Vehicles have been developed for its low emission and high efficiency. The key technology of Hybrid-Electric Vehicles is the energy management system. A good energy management system is based on knowing the exact state-of-charge (SOC). In this paper, the design and the develop of the energy management system will be discussed.The basic theory of the energy management system is The Dynamic Monitor Method of Electricity Energy with Electric Power which called DMMP for short. DMMP have been put forward for Hybrid-Electric Vehicles in this paper from the viewpoint of energy transfer and balance, which focus on the problem that the definition of state of charge for battery hardly accords with its result on battery management. The paper include the design of the hardware system and the software system.To validate the DMMP, we make two experiments. One is discharging of HEV secondary cell, another is inching switch experiments. Through the experiments, we can see the difference between SOC and DMMP .The design of the battery management system will improve the power supply of HEV as well as it can increase the working time of the cell. Key words: Hybrid-Electric Vehicle (HEV), Battery Energy Management System, state-of-charge (SOC)第一章 绪论1.1 引言随着能源和环境问题的日益突出，混合动力电动汽车（HEV）以其低排放、节能等优点收到世界各国的高度重视，作为发展电动车的关键技术之一的电池能量管理系统，是电动车商品化、实用化的关键。目前制约电动车推广的最大瓶颈是电池技术。在目前电池技术水平下，通过研制功能强大的电池管理系统，可以有效地利用电池，提高寿命，降低整车的使用成本。未来的汽车控制系统都以基于网络化的电子控制设备为载体，因此，对电池管理系统的研究能为电动汽车的进一步发展积累经验，对我国国民经济和科技的提高有着重大的意义。混合动力电动汽车（HEV）电池管理系统的研究主要集中在两个方面，一个是蓄电池电池充放电监测和管理，另一个是高效率的电池均衡方法1。这两个问题一直是混合动力汽车电池管理系统中最复杂的问题，本文主要集中在对蓄电池充放电监测和管理这方面进行设计。1.2 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的设计目的和意义本设计的目的是在研究基于电功率HEV电池能量计算机监测原理的基础上，利用电池能量计算机动态监控方法（简称DMMP法），设计开发嵌入式的电池能量监控系统，实现对HEV蓄电池放电能量的监测以及对HEV蓄电池充放电电压的管理。这个监控系统是以AT89C51单片机为核心，对蓄电池的电压和电流进行采集和处理。根据测得的电压和电流对蓄电池剩余电能量进行估算，就能够在实现能量管理系统的其它功能时做到避免对蓄电池造成损害，合理利用蓄电池提供的能量，可以在同样的情况下使得电动车能够行驶更远的距离，延长电池组的使用寿命。 1.3 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的设计内容1.3.1 研究基于电功率HEV电池能量计算机监测原理及其实现方法电池管理系统是HEV的关键部分，电池充电状态预测方法是目前HEV汽车电池管理系统中最复杂的问题之一。基于电功率的HEV汽车电能量计算方法动态监控方法（DMMP法）针对目前HEV电池充电状态预测方法普遍存在不足，从能量传递和平衡的观点出发，基于Peukert和Shepherd两种关系表达式，建立相应的数学模型。比较传统的电池充电状态预测方法（SOC值法），DMMP法能够准确的反映动力蓄电池放电端电压的变化趋势对于动力蓄电池放电性能的影响，可以准确的判断动力蓄电池的工作状态，切换蓄电池的充放电工作模式。1.3.2 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统硬件以及软件的设计与开发电池能量嵌入式计算机监控系统的设计包括硬件电路部分的设计和软件程序的设计。硬件电路部分以单片机AT89C51为核心，基本功能包括数据采集、AD转换、数据处理、数据显示、充放电控制等。监控系统还带有7805芯片，它可以将12V24V的电压转5V电压，使得监控系统可以直接应用在HEV上，用蓄电池供电，实现嵌入式管理的功能。软件程序部分是利用C语言进行编程控制单片机AT89C51进行各项工作的。它的主要功能包括控制数据采集芯片ADC0809工作，采集、处理和显示蓄电池的放电电流和电压，通过控制继电器的状态进而控制电池的充放电等。1.3.3基于电功率HEV电池能量计算机监控系统外壳结构的设计监控系统的结构机械图，它主要是监控系统的外壳，准确的制定了LED数码管、充电和放电指示灯、电压电流调整电位器、电源以及数据接口的位置，给机械加工提供了方便。外壳的主要功能是为了方便操作和保护监控系统的电路芯片，同时也美观了监控系统，实现产品化的目的。1.3.4 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监测系统的实验为了验证基于电功率的混合动力电动汽车（HEV）电能量动态监控方法的正确性和监控系统的准确性，设计了HEV动力蓄电池动态充放电测试系统，并以此系统为基础进行实验。1.4 本章小结本章从混合动力车HEV所面临的技术难点出发，提出本设计的目的和意义，即设计一套有效的蓄电池能量管理系统，对混合动力电动车电池能量进行管理，达到提高电池能量利用率和电池寿命的目的。同时明确了本设计所要完成的内容，从原理、硬件到软件三方面入手设计电池管理系统。第二章 基于电功率HEV电池能量计算机监测原理及其实现方法传统燃油汽车的能源（量）供给系统比较简单，能源只有热机提供的燃料的化学能；纯电动汽车EV的能源只有一个，即电网的电源；无能量回收系统的燃料电池电动汽车的能源也只有一个，即燃料电池；装备有能量回收系统的纯电动汽车EV的能源有两个，一个是电网的电源，另外一个是汽车刹车、减速或下坡时的动能。燃油发动机和储能装置组成的HEV汽车的能源则有三个，即热机提供的燃料的化学能、储能装置存储的能量（可以来自电源、车载发动机/发电机或能量回收系统）和回收的汽车动能。动力蓄电池是HEV多源混合驱动的一个基本组成元素，同样也是动力电池电能量管理系统的核心部分，储能电池的性能和应用水平是制约HEV发展和普及的关键问题之一。HEV汽车的动力电池组是由2030个蓄电池串联组成的，总电压约380V左右，HEV汽车电池能量管理系统需要及时而准确的了解每个蓄电池的端电压，充放电电流和温度等参数。传统的监控方法不仅要解决动态信号的采集和处理问题，还不得不搭接很多线路传送信号，导致电路复杂，可靠性差，抗干扰能力不强，还容易短路引起意外事故，因此研制新型的性能可靠，抗干扰能力强，安全实用的混合动力电动汽车电池能量管理系统是十分必要的。2.1 基于电功率的HEV电池能量计算机动态监控方法的原理2.1.1 铅酸蓄电池的充放电状态对蓄电池寿命的影响HEV电池能量管理系统的对象是蓄电池，因此了解蓄电池充放电状态对电池寿命有何影响是十分必要的。现在HEV电动汽车常用的是铅酸蓄电池，故本设计是以铅酸电池为管理对象，对电池的充放电过程进行管理。影响铅酸蓄电池寿命的因素包括内部因素和外部因素，电池的充放电状态属于外部因素，即放电深度和过充电度。1）放电深度放电深度即使用过程中放电到何程度开始停止。100深度指放出全部容量。铅酸蓄电池寿命受放电深度影响很大。设计考虑的重点就是深循环使用、浅循环使用还是浮充使用。若把浅循环使用的电池用于深循环使用时，则铅酸蓄电池会很快失效。 因为正极活性物质二氧化铅本身的互相结合不牢，放电时生成硫酸铅，充电时又恢复为二氧化铅，硫酸铅的摩尔体积比氧化铅大，则放电时活性物质体积膨胀。若一摩尔氧化铅转化为一摩尔硫酸铅，体积增加95。这样反复收缩和膨胀，就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐松弛，易于脱落。若一摩尔二氧化铅的活性物质只有20放电，则收缩、膨胀的程度就大大降低，结合力破坏变缓慢，因此，放电深度越深，其循环寿命越短。2）过充电度过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质遭受气体的冲击，这种冲击会促进活性物质脱落；此外，正极板栅合金也遭受严重的阳极氧化而腐蚀，所以电池过充电时会使应用期限缩短。因此，为了提供蓄电池的使用寿命和能量利用率，防止蓄电池的过充电和过放电是十分必要的。此外，影响蓄电池寿命的外部因素还有温度、硫酸的浓度等，由于不是本设计考虑的重点，所以不列在讨论的范围内。2.1.2 HEV电池能量管理系统HEV汽车电池能量管理系统十分复杂，并且随着系统组成的不同呈现出很大的差异性。HEV电动汽车能量管理系统是为了增加HEV车辆持续行驶的路程，保持HEV车辆蓄电池性能良好，并优化各蓄电池的电性能和保存、显示测试数据等。具体来说，HEV电池能量管理系统分为以下四个方面：1）防止蓄电池过放电。在蓄电池放电期间，蓄电池管理系统应能监控电池的放电状态，并控制蓄电池组的放电过程，在每个蓄电池过度放电之前，停止放电过程，使电能达到最优利用。同时，防止蓄电池过度放电能够提高蓄电池的使用寿命。在放电结束时，蓄电池管理系统给出电动机控制单元的最大放电电流的参考值，使蓄电池的电压保持在正常的范围内。2）防止蓄电池过充电。在充电期间，蓄电池管理系统应能连续测量电池组的各个蓄电池的电压、电流等参数，并能根据监测得到充电状态、电池的电压、电流等参数，调整充电参数，控制充电器，并尽量使所有的蓄电池的状态一致，在充电过程结束的收，应能及时停止充电，防止任何电池过充电。3）能源系统信息显示。在电动汽车行驶中，为了使驾驶员能及时了解汽车可行驶的极限里程数和充电所需的时间等，蓄电池管理系统应能监测蓄电池的剩余容量等，并显示能源系统的有关信息。并对车上用电系统进行管理，以期到手电能的合理分配使用，最终实现节能、增加持续行驶里程的目的。4）电池状态测试以及显示。为了保持蓄电池的优良性能，蓄电池管理系统应实时监测电池状态。根据驱动系统性能、电池温度、使用的时间等预测和显示剩余容量；提供蓄电池性能参数，存储整个过程中的数据并传给计算机；可对获得的蓄电池信息进行分析，提供电池的诊断、故障分析信息，以便于及时维护和更换，监测所有特性参数，为发现较差的蓄电池提供信息，使早期发现容量已衰减的电池得到及时维护，对于电池不一致性严重的产品，这种功能非常重要1。目前，HEV电能量管理的难点在于如何实时而动态地采集到每块动力电池现存的电能量的状态参数（电压和电流），分析每块动力电池的输出功率Pi和剩余电能量，从而对动力电池组的工作状态（充电或放电）进行动态管理。HEV蓄电池电能量动态监控系统就是针对这一难题提出的。2.1.3 基于电功率的HEV汽车电能量计算机动态监控方法的提出根据HEV汽车工作原理，HEV的所需驱动功率Po是随行驶条件而变化的，为了适应Po的这种变化，作为HEV动力之一的电动机功率应按HEV控制策略作相应的改变。然而，由于其电能量主要来自于具有一定电容量Qi的动力电池组，所以，从能源传递和平衡角度来看，电动机功率的变化将会引起动力电池组的输出功率和电能量的改变。动力电池组的输出功率是指在一定放电制度下单位时间内电池组输出的电能量。以铅酸动力蓄电池组为例，如果其第i时刻的放电电流为Ii（t），端电压为Vi（t），动力电池组的端电压和剩余电容量可以用Shepherd放电模型来描述2：即 （21）式中为电池组电动势 ，电池组欧姆内阻，为i时刻电流， 为与电池组活性物质质量有关常数。由Peukert放电电量关系式得到，其中n为电池组型号特征常数，铅酸电池为1.271.4之间。第i时刻动力电池组的输出功率Pi（t）可定义为2： （2-2）在ti时间内电池组输出的电能量Wi可表示为： （2-3）由于保证动力电池组具有足够的电能量和电功率是HEV中的电动机正常工作的基本条件之一，因此，准确地对处于行驶过程中的HEV动力电池组的Pi（t）和Wi进行动态检测和控制，将是实现HEV节能和环保目标的关键技术之一。根据动力蓄电池工作原理，电池组端电压Vi（t）在工作过程中将会随其工作电流、温度和时间变化而发生改变，图2.1为单体铅酸蓄电池在恒放电率下的端电压与放电时间关系曲线图。图2.1 电池端电压与放电时间的关系 图2.2 电池输出功率与SOC关系由图2.1可知，其端电压是随时间按先缓后快的方式变化，而常用的HEV动力电池组的额定电压是由多个单体电池串联组合而成，且其一般工作在变放电率方式下，按蓄电池工作原理可推知，动力电池的放电端电压也将按类似图2.1的曲线趋势而变化。根据式（2-2）可知，电压的变化必将会引起电池组的输出功率（或输出电能量）的下降（或上升），图2.2为常用电池组输出功率和SOC随放电时间t下降的关系曲线，从图2.2可看出，输出功率P的这种变化难以在SOC曲线上得到反映，即图中SOC曲线的斜率不随输出功率的变化而改变，因此，当电池组Vi（t）在工作过程中随Ii（t）、ti和温度减小到一定程度时，就会出现在SOC值满足要求的条件下，电池组的Vi（t）和Pi（t）却不能满足电动机所需功率的要求，致使HEV不能正常工作的现象，正如图2.2中所示，图中电池组的放电额定电流为163A，额定电压为384V，当其以恒放电率放电1小时后和放电7小时后，电池的输出功率P随时间t的下降幅度越来越大，如1小时后电池输出功率由63KW减小至60KW，电池的SOC值变化为0.9，此时的SOC值仍处于较好的工作值范围内，但其输出功率值已下降至容许值的下限，不难推出，电池再继续放电将会导致由于输出功率下降而使其不能正常驱动对象（如电动机）的现象发生，出现所谓“根据定义得出的SOC结果似乎是自相矛盾”的问题 。为此，本论文提出基于电功率的HEV电动力能量计算机动态监控方法（简称DMMP法），它以能量平衡和输出电功率为主线，通过实时而动态地监测动力电池组的输出功率Pi和相对剩余电能量km，来对动力电池组的工作（充电或放电）状态进行动态管理。2.1.4 基于电功率的HEV电动车能量动态监控方法的原理设HEV蓄电池动力电池组处于一个变电流的放电过程中，在经历了第1、2、i1时刻顺序放电后，第i时刻的电池组电容量Qi可由Peukert关系式求出，其值为： （2-4）式中，Ii（t）、Ii1（t）分别为第i、i-1时刻的电池组放电电流，为电池型号特征常量，Qi1为第i1时刻的剩余电容量。根据电池组的电容量与电能量之间的关系，同时考虑Vi（t）变化对电能量的影响，将第i时刻的电池组实际可用的电能量Wsi定义为：（2-5）式中，E0为电池组额定电动势，Vi（t）、Vi1（t）分别为第i和第i1时刻的放电电压，I i 为第i时刻的电流系数，其值为，它表示放电电流Ii（t）对电能量的影响；为第i时刻的电压系数，其值为，为电压影响常数，其值可由实验获取，V i不仅能直接地反映出放电端电压Vi（t）对电能量的影响，而且能间接地表示电池组的工作温度、电化学极化、浓度极化和欧姆过电势对动力电池电能量的作用。由于动力电池组的输出功率Pi（t）在行驶过程中随HEV控制策略作非单调性的变化，所以，电池组的Ii（t）、Vi（t）是时间变量t的函数，为此，根据实时监控原理，按数据采集方法将整个行驶过程分成n个段区（1in），在每个段区内电池组的Pi（t）具有单调和连续性。设第1段（0tit1）中放电电流为I1（t），端电压为V1（t），则第1段的剩余电能量W1可表为：（2-6）式中，。同理可推出HEV运行m个段区后，其动力电池组的剩余电能量为Wm为： （2-7）为了管理HEV动力电池组的电能量状态，引入电池组相对剩余电能量km，其定义式为： （2-8）式中m1、2、n。从上式可知， km不仅能反映电池组的当前电能量相对大小，而且也能表现出放电电流和放电电压对电能量的影响。2.2 DMMP法与SOC值法的比较目前常用电荷状态法（简称SOC法）来描述动力电池的电池容量，它是基于动力电池组端电压在放电过程中始终不变的假设下，通过测量动力电池放电电流及其单次放电时间与额定电容量，并由此求出动力电池组的SOC值，并以该值来对行驶过程中的动力电池组电能量进行管理。传统SOC法测量方法计算公式为：,Q是已放出的电量，C1是恒流放电时的实际容量。该公式是在假定放电端电压Vi恒定不变的前提下，用电池的电容量Qi替代电能量Wi所推出的结论。但是实际情况中，蓄电池在恒流放电的状态下电压是变化的。从电压上看，当电压下降到低于电机允许的工作电压时，电机的效率会下降很快，放电时：；放电时电池的端电压（V）；正极板的超电势（V）；负极板的超电势（V）；充、放电时的电流（A）;电池的内阻。放电时电池的电压变化如图（28）： 图2.3 蓄电池恒流放电电压随时间的变化HEV电机的额定电压是380V，电压的允许变动是5%，超过这个允许值电机的效率下降会很快。假设在HEV上使用的是额定电压为12V的铅酸蓄电池，数量是32个，供电电压为384V。理论上，允许蓄电池放电电压的最低值是11.4V，考虑到温度等外部因素的影响，实际电压可以降到10.8V的最低值。从功率上看，根据式子： （29）若电流不变，随着电压的下降蓄电池的输出功率也会下降，这样即使在电压满足要求的情况下，蓄电池的输出功率也可能满足不了电机的工作要求。 以上两种情况蓄电池的放电状态都不能够满足电机的工作要求，但是根据传统SOC值法的计算公式3： （210）式中I是放电电流，t是放电时间，Qn是蓄电池的额定电量。从式子可以看出，SOC值只与放电电流有关，当放电流电流不变时，SOC值是时间的一次函数线性减小的。按此法计算，就会出现蓄电池的SOC值满足使用条件而电机不能工作的情况，即出现所谓“根据定义得出的SOC结果似乎是自相矛盾”的问题。采用DMMP法计算相对剩余电能量km，如下式 （211）式子不仅包含有电流这个状态参量，还引入了电压这个状态参量。这样就保证电流在满足电机工作要求同时，蓄电池的输出功率也满足电机的工作要求。下面结合实际动力电池工作原理，通过计算机仿真技术来模拟动力电池的放电电流Ii、放电电压Vi和放电时间t随HEV在匀速行驶条件下的变化情况，在此基础上，按SOC法和DMMP法各自的定义式来计算动力电池的电容量和电能量，并以此来比较与分析SOC法和DMMP法的特点。以并联式混合动力电动汽车驱动系统结构为例（见图2.4），图2.4 并联式混合动力电动汽车驱动系统结构选用铅酸动力电池组（简称电池组）的容量为60Ah，工作电压为384V，单个动力电池额定电压为12V，初始荷电状态（SOC）值为1。根据在恒放电电流条件下单体动力电池的放电端电压Vo与放电时间ti关系3，结合HEV电池组组成方式，按照SOC法1和DMMP法的定义式，利用计算机可以仿真出电池组分别以5h和2h时率放电时SOC、Km和输出功率Pi与放电时间t的关系曲线图2.5和图2.6。图2.5 恒放电率12A放电时SOC、Km和P与t关系图2.6 恒放电率30A电流时SOC、Km和P与t关系根据Vi与t之间的关系，可把图2.6中的电池组放电过程分为三个阶段，即初始阶段（0t20），；稳定阶段（20t215），和后期阶段（215t275），。根据和电池组输出电能量公式可知，电池组电压的变化必将会引起电池组的输出功率Pi的下降。由SOC定义式可知，在放电电流Ii为恒定的实际放电过程中，由于SOC未考虑放电电压的变化，其值与放电时间呈线性函数关系，而在实际放电电压变化的情况下，由能量平衡原理和DMMP法可知，电池组输出功率Pi与放电时间关系是呈非线性函数关系，即变斜率曲线Km能真实地反映电池组的电能量随放电电压变化的关系。与SOC法相比较，DMMP法通过综合Km和Pi，不仅能获得电池组电能量的大小，而且能反映出电池组的工作状态正常与否。同时，电池组输出功率Pi直接影响着驱动对象（如电动机）的工作状态。如图2所示，在放电初始阶段，经过20min后，电池组实际输出功率由4608W降低到4377.6W，尽管此时SOC值（0.82）仍处于较好的工作值范围内，但对于额定功率为4600W电动机而言，此时电池组输出功率值已处于其容许值的下限。从图2还可知，在稳定放电阶段，电池组输出功率Pi变化很小，而在放电后期电池组输出功率Pi急剧下降。同理，可求出在2h放电率放电情况下，电池组的SOC和Km随时间t变化方程式： （2-12）由图2.6可知，SOC（t）是放电时间t的线性函数，而Km（t）是放电时间的非线性函数，即Km（t）较好地反映了电池组Pi的变化对电能量的影响。图3与图2相比可以看出，在较大的放电电流下，端电压Vi下降更快，Km曲线下降更快，Km曲线与SOC曲线相差更大。运行时，利用计算机仿真技术，按SOC法和DMMP法可以求出动力电池组所输出功率和其放电电流随时间变化关系曲线，见图2-11。图2.7变放电率情况下SOC法与DMMP法放电仿真曲线从图2.7可知，动力电池组放电端电压与放电时间t的关系为，即HEV刚开始行驶时，放电电压下降较少，端电压下降对动力电池剩余电能量变化影响较小，然而，当行驶时间，HEV处于加速和高速行驶阶段，端电压下降很快，在时，电动机电压下降到低于额定值的5，能够输出的功率也低于额定值的5，电动机已经不能正常工作，此时，可以判断动力电池必须停止放电，而左右，显示动力电池还能提供足够的电能量，相比之下，DMMP法能够较准确地反映动力电池剩余电能量的变化。2.4 本章小结评价一个混合动力电动汽车HEV动力电池电能量管理系统好坏的关键是需要一个精确和可靠的电池电能量管理系统。本论文分析了传统SOC法的不足，提出了基于电功率的混合动力电动汽车（HEV）电能量计算机动态监控方法（DMMP法），利用计算机仿真和实验，得到了混合动力汽车在城市循环工况下，动力电池组剩余电能量的变化规律。计算机仿真和实验的结果表明，DMMP法方法可行，具有较好的应用前景。第三章 基于电功率HEV电池能量嵌入式计算机监控系统的硬件与软件的设计为了验证基于电功率HEV电池能量动态监控方法（DMMP法）的准确性和可靠性，本论文设计了HEV电池能量嵌入式计算机监控系统，即通过测量蓄电池的放电电压Vt和放电电流It，利用相对剩余电量公式计算蓄电池相对剩余电量，根据HEV行驶的实际情况，控制蓄电池的充电。微机监控系统实质上是在微机最小应用系统的基础上根据现场被测、被控对象的情况，通过扩展相应的接口并在软件的支持下实现由模拟量到数字量再到模拟量的转换，从而完成系统所要求的测控目标。“监” ，即所谓的数据采集过程。它是通过被测信号的输入通道，将传感器送来的过程参数，转换成数字量送入微机； “控” ，即所谓的数字信号转换成模拟信号的过程。它是由输出通道将微机运算的结果变成控制参量送到执行机构取得相应的控制效果。所谓嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。5嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4）嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1）嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。8现代汽车中电子控制单元ECU的数量日益增多，为了使各个ECU协调工作，更好的发挥整个系统的性能，利用现代嵌入式技术与CAN总线网络技术相结合，开发新型的电池能源管理系统，可以完全满足目前对于混合动力电动汽车HEV各个ECU之间的通信和总成控制系统的要求。3.1基于电功率嵌入式HEV电能量计算机监控系统的系统结构原理嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。本论文以AT89C51单片机为核心，其外围扩展电路为辅助，实施对蓄电池充放电状态的监控。其系统结构图如图（3.1）：AT89C51数据采集电路电流信号电压信号电位器调整信号 数据显示电路充放电控制电路复位电路 图（3.1）基于电功率HEV蓄电池电能量监控系统结构图该系统由数据采集电路，数据显示电路，充放电控制电路，单片机复位电路和单片机AT89C51组成。从传感器输出的模拟电流信号和电压信号，通过数据采集电路进行模/数转换成8位的数字信号，经过单片机的IO口输入。单片机利用程序处理输入的数据后，一方面通过LED数码管显示测得的电压和电流值以及计算出当前的剩余电量，另一方面如果监控变量值在规定范围内，则监控系统向电动机控制电路发出启动电动机和电池组工作状态正常指令，驱动电动机工作，经I/O电路输出控制信号控制电动机控制器和驱动步进电机驱动器，进而调整发动机的油门开度改变发动机的工作状态， 从而降低反动机的燃油消耗，提高电动机的效率，HEV的动力性和动态性能；反之，则切断放电电路，由单片机向发电机控制电路发出启动或接通发电机信号，使发电机工作。来管理动力电池组的工作状态（充电或放电）。整个HEV电能量管理系统按此方式循环工作，保证动力电池组正常工作和具有最优的电能量。3.2 基于电功率HEV蓄电池电能量监控系统的硬件电路设计该系统的硬件设计主要包括一下几个主要方面：1） AT89C51单片机的最小系统设计；2） A/D转换电路设计；3） LED数码管显示电路设计；4） 单片机控制蓄电池充放电电路设计；5） 显示数据值调整电路设计；6） 供电电源设计；3.2.1 AT89C51的选择原则及其特性考虑到HEV汽车工作的特点和环境，和对采集处理的数据和通信的实时性的要求，CPU选型应该遵循以下几个原则：1）较高的工作速度，低工作电压，低功耗。2）方便的程序设计。3）高效率，高速度的指令系统。4）丰富的外设装置。在充分考虑了以上原则的基础上，选用了ATMEL公司生产的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 1）主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 10 （图3.2）AT98C51管脚图2）管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间20，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3）振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4）芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.2.2 AT89C51的最小系统设计图（3.3）AT89C51的最小系统电路图51单片机有一个高增益反相放大器输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，在XTAL1和XTAL2之间跨接石英晶体以及两个微调电容就构成了振荡器，如图，C1和C2取33pF，外接晶振用的是12.000MHz的。单片机的基本操作周期称为机器周期。一个机器周期可以分为6个状态每个状态有两个脉冲组成。每个脉冲信号的周期就等于外接振荡器的周期。如图系统振荡器的周期是1/12us，则机器周期1us。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 本设计使用的是开关复位。系统的复位电路如图，在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持2us以上就能使单片机可靠复位。如图RC回路的周期是：tRC4.4ms2us所以符合单片机的工作要求。 3.2.3 A/D转换电路设计计算机只能接收数字量，但是计算机构成的测控系统中，许多输入量都是非数字量，如压力、流量、温度等都是模拟量。A/D转换的作用就是把模拟量转换成计算机能够接收的数字量。A/D转换的过程主要包括：采样，量化及编码。采样是使模拟信号在时间上离散化，量化和编码是把采样后的值按照比例转换成相应的二进制数码。通过对数字量的运算、比较的结果，再实现对模拟量的测量及控制。选择A/D转换器必须遵守如下的原则：1）确定A/D转换器的位数A/D转换器的精度应该与测量装置的精度匹配。一方面要求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著的扩大测量误差；另一方面必须根据目前测量装置的精度水平，对A/D转换器的位数提出恰当的要求。在满足静态精度要求的同时，还要能够满足动态平滑性的要求。2）确定A/D转换器的转换频率A/D转换器从启动到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间，转换时间的倒数就是转换速率。确定A/D转换器的转换频率时，首先要考虑采样速度。根据采样定理和实际需要，一个周期内至少要采10各样点。3）确定A/D转换器是否要加采样/保持器原则上，采集直流和变化非常缓慢的模拟信号（如温度信号）不用采样/保持器。本实验的电流和电压是变化比较缓慢的模拟信号，所以不用采样保持器。对其它模拟信号都要加采样/保持器。4）基准电压基准电压是提供给A/D转换器转换时的参考电压。这是保证转换精度的基本条件。在要求较高的精度时，基准电压要求单独用高精度的稳定电源供电。5）正确使用A/D转换器的有关量程的引脚A/D转换器模拟量的输入，有时候要求的是双极性的，有时候是单极性的。有的A/D转换器提供了不同量程的引脚，只有正确的使用才能保证转换精度。3.2.3.1 A/D转换器的选用和性能特征本设计选用的A/D转换器是ADC0809芯片。ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。1）ADC0809的内部逻辑结构如图（3.4）ADC0809的内部逻辑结构图（3.4） 由上图可知， ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2）ADC0809的引脚结构ADC0809 对输入模拟量要求：a信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；b输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。3）地址输入和地址控制线ADC0809有3条地址输入线和1条地址控制线。ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A ， B ， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A ， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。ADDCADDBADDA输入通道000IN0001IN1010IN2011IN31