车载蓄电池智能放电管理系统设计本科设计.doc
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1、皖 西 学 院 本科毕业论文(设计) 论 文 题 目 车载蓄电池智能放电管理系统设计 姓名(学号) 陈(2009011669) 系 别 机械与电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 导 师 姓 名 刘世林 二 一三 年 六 月 皖西学院本科毕业论文(设计) II 皖西学院本科毕业论文(设计) I 车载蓄电池智能放电管理系统设计车载蓄电池智能放电管理系统设计 作 者陈 指导教师刘世林 摘要:摘要:电动汽车的无污染的优势,使其成为当代汽车发展的主要方向,而作为电动汽车的动力源泉电池 却是一直制约电动汽车发展的关键因素。目前车载蓄电池相比于燃料汽车还存在诸多方面问题,比如高 成本,重质量,充电时间
2、长和充电一次行驶里程短等问题。本次设计主要介绍了电动汽车的发展历史及 现状和车载蓄电池的基本性能指标且设计出一套完整的基于 P87C591 单片机的车载蓄电池智能放电管理 系统,包括电源电路设计,电流电压检测电路设计,温度检测模块设计,可控放电模块设计,电量及状 态输出显示和报警模块设计等硬件结构设计,完成了铅酸蓄电池电压,放电电流,剩余容量及电池温度 等重要参数的检测,解决了传统的放电方式中电池的过放电、寿命低等缺点,实现了电动车的续航里程 和寿命周期最大化,具有很好的应用前景。 关键词:关键词:铅酸蓄电池;电动汽车;P87C591 单片机;智能放电管理 Design of intellig
3、ent vehicles battery discharge management system AuthorChen InstructorLiu Shilin Abstract:Pollution-free advantages of electric vehicles, making it the main direction of development of contemporary cars, but as the power source of the battery electric vehicle has been restricted is a key factor in t
4、he development of electric vehicles. Compared with the current vehicle battery fuel vehicles are still many aspects, such as cost, quality, long charging time and charging time shorter mileage and other issues. This design introduces the development history and status quo of electric vehicles and th
5、e basic performance indexes of the on-board battery and designed a complete set of on-board battery intelligent discharge management system based on P87C591 microcontroller . Including Power circuit design Current and voltage detection circuit design, the design of the temperature detection module,
6、Design of controllable discharge module, The output power and status indication and alarm module design and so on hardware structure design. Completed the lead-acid storage battery voltage, discharge current, residual capacity and the battery temperature, and other important parameters of detection
7、.Solved the traditional way of discharge of battery over discharge, low life .To achieve the mileage and maximize the range of electric cars and life cycle, has the very good application prospect. Keywords: Lead Acid Battery; Electric Vehicle; P87C591 Microcontroller; Intelligent Discharge Managemen
8、t 皖西学院本科毕业论文(设计) II 目录目录 1 绪言.1 1.1 电动汽车发展及现状 .1 1.2 电动车蓄电池基本性能指标 .2 1.3 本论文的主要内容 .3 2 总体结构设计.4 2.1 系统的主要功能 .4 2.2 中央处理器 .4 3 硬件设计.6 3.1 电源电路设计 .6 3.2 电流电压检测电路 .6 3.3 温度检测模块设计 .7 3.4 可控放电模块设计 .8 3.4.1 IPM 智能功率模块特点8 3.4.2 IPM 电路设计9 3.5 电量及状态输出显示和报警模块 11 3.5.1 键盘扫描电路的设计 11 3.5.2 显示电路的设计 12 3.5.3 报警电路设
9、计 14 3.6 辅助模块设计 14 3.6.1 复位电路的设计 14 3.6.2 时钟频率电路的设计 15 3.7 电池的剩余容量估算方法设计 15 4 软件设计17 4.1 软件系统流程设计 17 4.2 电压、电流采集电路流程设计 17 4.3 温度检测流程设计 18 4.4 智能功率模块流程设计 20 4.5 键盘扫描流程设计 20 4.6 数码管显示流程设计 22 结论23 致谢24 参考文献25 附录 系统硬件功能图.26 皖西学院本科毕业论文(设计) 第 1 页 1 1 绪言绪言 1.11.1 电动汽车发展及现状电动汽车发展及现状 在当前的全球环境问题和金融危机的严峻的形势下,汽
10、车行业面临的能源问题日益受人 关注,发展电动汽车能源动力系统,实现汽车的电气化,推动传统汽车产业的战略转型在国 际社会上已形成了广泛的共识。目前,中国已出台了多项政策,引导和支持电动汽车产业的 快速发展,政府要加速提高国内电动车行业的竞争力,使成熟期缩短。因此,电动汽车的发 展已进入一个决定性阶段,挑战与机遇并存。 电动汽车是 20 世纪最伟大的 20 个工程成就的前两项技术的集成,即是“电气化” 和 “汽车”的融合产品。电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶。20 世纪 70 年代的石油短缺和能源危机,使电动汽车获得了发展机遇,到了 20 世纪 80 年代,由于空气 质量和温室效应
11、被人们日益关注,电动汽车就理所当然成为了本世纪技术开发的宠儿,因为 电动汽车直接采用电机驱动,本身不排放污染大气的有害气体,即使按所耗电量换算为发电 厂的排放,除硫和微粒外,其它污染物也显著减少。致使人们研究电动汽车的热情进入了空 前高涨期。 近几年来,世界各国政府针对电动车的发展采取了各种措施。一是各国政府相继发布电 动汽车战略发展和国家计划,进一步指明了产业发展方向。例如:奥巴马美国政府绿色新政 的实施,在国家战略中加入了电动汽车部分,计划实现 100 万辆动力混合电动汽车(PHEV) 用户到 2015 年。而在日本“低碳革命”的内容核心视为电动汽车发展,预计到 2020 年电动 汽车普及
12、达到 1350 万辆。 二是动力电池得到高度重视,急剧增加研发投入成本,增强了突破电动汽车技术瓶颈的 预期。比如美国奥巴马总统 2009 年 8 月宣布支持研发先进动力电池且使之产业化并安排 20 亿美元做经费。德国斥资 4.2 亿欧元启动了开发车用锂电池计划,巨头能源和德国汽车业差 不多全部携资加入。日本政府提出“控制电池”为本源,并组织国家实施专项计划,在 2011 年之前为研究先进电池动力技术将 400 多亿日元投入,下一代电动汽车在 2010 年左右 将应用大量新型锂电池。 三是各国政府加大力度支持新政策,推动产业化电动汽车的发展。一方面,政府通过加 大支持信贷等措施,针对相关企业推动
13、电动汽车产业化进程。美国政府用贷款资助支持生产 电动汽车。另一方面,政府加大激励对消费者的政策,加快电动汽车市场培育。美国对 PHEV 实施优惠税收,减税在 15000 美元和 2500 美元之间额度。从 2009 年 4 月 1 日起英国 启用汽车新消费税,免缴纯电动汽车消费税。法国对消费者电动汽车的购买最高给予奖励 5000 欧元,对高排放汽车的购买最高进行处罚 2600 欧元。 皖西学院本科毕业论文(设计) 第 2 页 经过近 20 年的研究,电动汽车已经在其关键技术、系统集成、试验应用上实现了全面 突破,目前世界上部分国家争相开展电动汽车产业化工作。 但是现在,燃料汽车全部被替代电动车
14、是不可能的,因为大多数的电动车的电池的缺陷 严重影响电池的性能,一直制约电动汽车发展的重要因素,就是铅酸蓄电池提供的的动力电 源。美国高新电池开发联合体 USABC(Theunited statesadvanced battery consortium) 制 定了一个开发目标专门针对电动车的蓄电池系统,如表 11 所示。 表 11 美国电池现代联合会(USABC)提出的目标 1.21.2 电电 动车蓄动车蓄 电池基本性能指标电池基本性能指标 电池电压包括理论充放电电压、电池的工作电压、电池的充电电压、电池的终止电压。 二次电池的理论放电电压和理论充电电压相同,等于电池的开路电压。 (1)电池的
15、工作电压为电池的实际放电电压,它与电池的放电方法,使用温度,充放 电次数等有关。电池的充电电压大于开路电压,充电电流越大,工作电压越高,电池发热量 越大,充电过程中电池的温度越高。 (2)电池的终止电压是指电池在放电过程中,电压下降到不宜再继续放电的最低工作 电压。 项目中期目标长期目标 能量比,Wh/kg(3C率) 80(100)200 能量密度Wh/L(3C率) 135300 比功率,W/kg(80%,DOG/30s) 150(200)400 体积功率,W/L 250600 寿命,年 510 循环寿命月次(DOG) 6001000 最终价格,美元/Kwh(40Kwh电 池组一万个) =1
16、Fo 图 3.5 IPM 的内部功能框图 3.4.23.4.2 IPMIPM 电路设计电路设计 IPM 电路内部主要提供了驱动电路部分以及保护电路部分。 (1)驱动电路 所述驱动电路为控制电路和主电路的 IPM 之间的接口,设计驱动电路上优良的系统对可 靠性、运行效率和安全性都有巨大作用。以一种 R 型的 IPM 即 PM75RSE120 为例, 工作在 1200V/75A 条件以下, 装置内部包装了 7 个 IGBT,最大功率开关的频率为 20kHz。IPM 内置电 路驱动和 IGBT 电路驱动设计作比,电路驱动外围的设计比较简单,IPM 电路的光耦接口设计 电路和电源驱动是其重点的设计所在
17、。IPM 对电压输出的驱动电路有严格要求, 内容如下: 电压驱动以为范围,高 16.5V 电压可能将导致内部部件损坏,低于V15%)101 ( 13.5V 电压欠压保护将启动; IPM 反向极间压耐值最多是驱动绝缘电压电源的 1/2 倍; 驱动电流要拿器件给出的要求电流驱动作参考,根据频率开关进一步实际修正; 隔离彼此之间的驱动电压,来使地线噪声的干扰减少; 输出端驱动电流不可以有过大滤波电容,由于当产生超过 100pF 寄生电容时,会产生干 扰噪声将有可能使内部驱动电路误触发。必须采用光耦作为 IPM 接口电路,应尽量缩短引脚 皖西学院本科毕业论文(设计) 第 11 页 IPM 和输出脚光耦
18、之间的走线,最好采用高速光耦,因为其具有共模抑制比高。因为较大的 常加初、次级间,因此为避免增加耦合电容布线不能太靠近初、次级。dtu/d 高速光耦的要求规格为 或 (3.1)nsKVKK CMLCMH /15nsKV /10 , (3.2)mstt PLHPHL 8 . 0%15 CTR 其中,为保持高时输出光耦所能承载的共模电压最大上升率;为保持低时输 CMH K CML K 出光耦所能承受的共模电压最大下降率;为下降沿光耦延时; 为延时光耦上升沿; PHL t PLH t 为传输比光耦电流。图 3.6 所示为一种用途较多的可信性高的智能功率器件外部驱动电 CTR 路。光电耦合器的输入用
19、10F 和 0.1F 滤波电容器 C1,C2 来保持稳定的电压控制和稳定 的阻抗线路的校正。输入的控制信号端子和输入端应连接到 20k 的上拉电阻 R,上桥臂 CC V 控制路用 15V 直流电源分别提供电源,然而下桥臂用一路电源共享的方式来驱动。 图 3.6 IPM 外部光耦驱动电路图 (2)保护电路部分 欠压保护 由 15V 电源直流供电内部 IPM 控制电路。如果出现某种原因,在电源电压下降到低于指 定的电压动作值() ,将关闭电源的移动设备和产生一个故障输出信号。小于指定的UV ouv T 小毛刺并不影响工作的控制电路,将不工作去保护欠压电路。故障之后,正常恢复运行,欠 压复位值()一
20、定要低于电源电压。欠压保护在电路电源上电和掉电期间必须保持控制。 r UV 过热保护 在绝缘基板上,温度传感器安装在靠近 IGBT 芯片上。如果衬底温度超过过热值() ,OT IPM 控制内部电路关断,直到正常恢复温度,从而功率器件保护的驱动器栅极不影响输入信 号控制。当温度下降到复位值(OTR)之下,而且输入控制为高(关闭状态) ,电源 IPM 将接 皖西学院本科毕业论文(设计) 第 12 页 受一个低级别的信号输入(打开状态) ,并恢复运行正常。 过流保护 当电流值流过 IGBT 超出动作过流的数值()且大于时间,将关断 IGBT。OC )(OCoff t 值在当前短脉冲时间小于是没有危险
21、的,电路过电流保护将不会被处理。当检测OC )(OCoff t 到过电流,软关断 IGBT,故障信号输出。控制软关断在关断时产生的电流浪涌电压可以控 制。 短路保护 如果负载短路引起的上下臂同时关断 IGBT,IPM 短路电路内置保护。如果电流流过 IGBT 大于短路保护值() ,必须立即启动软关断,并输出一个故障信号。为了缩短响应SC 时间使用实时电流控制电路(RTC)的检测和关断。动作时,电路实时控制电流,SCSCSC 以直接检测 IGBT 的驱动电路的最后阶段,因此响应时间可以减少到不足的 100ns。 3.53.5 电量及状态输出显示和报警模块电量及状态输出显示和报警模块 电量及状态输
22、出显示模块由液晶显示模块和简易键盘组成。可以进行简单的参数设定, 可以显示各单体蓄电池节点采集来的电压、电流和温度数据,同时根据这些数据向各节点发 送放电控制命令,实时显示状态、温度等数据。键盘采用 4*4 矩阵式键盘,数据显示采用 7SEG-MPX4-CC 四个共阴二极管显示器,其中 1234 是阴公共端。 3.5.13.5.1 键盘扫描电路的设计键盘扫描电路的设计 键盘是人与单片机打交道的主要设备。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘 及矩阵键盘。它们各有自己的特点,其中独立键盘硬件电路简单,而且在程序设计上也不复 杂,一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中;矩阵键盘与独立键盘有很大
23、区别,首先在 硬件电路上它要比独立键盘复杂得多,而且在程序算法上比它要烦琐,但它在节省端口资源 上有优势得多,因此它更适合于多按键电路。 键盘的矩阵式描述:矩阵键盘,也被称为行列键盘,这是由条 I/O 线为行线,条 I/O 线为列线形成的键盘。按键在列线和行线的各个相交点上提供。所以,键盘上的数量按 键即为 N* N 个,行列式键盘结构可以使单片机 I/O 端口的系统的利用率大大地提高。 本系统采用 4*4 矩阵式键盘,用以实现实时在 LED 数码管上显示按键信息。其键盘按键 接线图如图 3.7 所示。 皖西学院本科毕业论文(设计) 第 13 页 图 3.7 键盘按键接线图 按触点键在断开和闭
24、合时都会出现抖动现象,这是不稳定的触点的逻辑电平造成的,如 果处理不当,会造成不正确的按键命令执行或重复执行。目前一般均用软件延时的方法来避 开抖动阶段,这一延时过程一般大于 5ms。本设计就是采用在软件上对输入进行消抖处理的 方案,并对按键状态进行连续的判断处理,直到按键松开为止,然后才执行相应地处理程序。 3.5.23.5.2 显示电路的设计显示电路的设计 LED 数码管(LED Segment Displays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型 的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。LED 数码管常用段 数一般为 7 段有的另加一个小数点。数码管分为共
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