基于FPGA的混合动力汽车多能源管理系统

本设计中用建立的硬件设计如下图所示，主要由和组成。

图硬件设计对于硬件设计成功之后，生成文件，硬件设计成功界面如下图所示图系统生成图在建立好之后其会生成封装原件封装原理图如下图所示，在此基础上可以配置外围器件，从而达成整个的设计，这样的封装元件以便于日后的升级的调用，比用其他设计方法做的控制电路具有明显的的优越性。

图系统的软核处理器封装原件硬件设计硬件设计是本设计中的主要内容，本设计围绕着三种动力源的自动切换控制，通过外围电路和电路两个部分来进行介绍。

外部电路构建外部电路是为主要控制电路服务的，没有了外部电路，控制核心电路也就没有了存在的意义，本设计中外部控制电路主要从电源模块信号采集模块转换模块存储模块显示模块继电器模块接口模块和下载器模块，下面分别对各个模块进行阐述。

电源管理模块由于该设集中所用芯片电压由较大的差别，因此用稳压芯片作为电压转换芯片。

该芯片可同时将电压转换为和，与单独做和的转换电路相比，节省了资源和板上空间。

具体的引脚连接如下图所示图引脚配置图其中各个引脚功能如下电压输入端电压输出端电压输出端。

信号采集模块蓄电池的充放电状态值的用来反映蓄电池的剩余容量状况，这在国内外都已经形成比较统的认识，其数值上定义为蓄电池剩余容量占电池容量的比值式中为蓄电池剩余容量，为蓄电池以恒定电流放电时所具有的容量。

如果以已经放出的电量来求得荷电状态参数式中表示电池为充满电状态则表示蓄电池已经处于全放电状态。

开路电压测量法，利用电池的开路电压与电池的放电深度的对应关系，综合开路电压内阻温度，蓄电池老化等其他因素，通过测量电池的开路电压来估计。

开路电压法比较简单，只需要将测量得到的端电压和蓄电池内阻压降值综合即可得到开路电压，计算量小，硬件费用低。

但由于蓄电池的开路电压必须在蓄电池电路断开回路几分钟之后的测量值才比较准确，所以开路电压测量法用于电池动态估计稍差，主要是实时性不好。

能用于动态检测的电压测量方法是对电池加脉冲负载后测出电池的电压响应来分析和估计电池的，但此测量方法复杂，计算模型建立也较困难，因此也很少应用于电动汽车。

到目前为止国内外还大都采用通过可测电流端电压温度电阻等参数来估计或者修正值的方法。

我们在开发混合动力电动汽车多能源控制系统的过程中对不同的测量方法进行了研究和分析，通过试验发现蓄电池的开路电压与蓄电池的荷电状态有相对比较确定的对应关系，电池开路的时间越长，其可靠性就越高，因此，可通过测得电池的开路电压来校正电池的。

由此我们得出结论是采用开路电压测量法，该方法具有计算量较小，模型简单的特点，能满足实时控制，误差不大于的要求。

我们通过分析混合动力电动汽车中蓄电池的使用特点，采用了在不同的和不同的充放电电流下，测量充放电初期和充放电结束恢复期四种工况下蓄电池的端电压内阻温度及时间常数的方法。

为了方便模型的应用，在保证定精度的条件下，模型参数的经验公式将的值作为唯的变量。

混合动力电动大客车上选用的电池是武汉银泰科技股份有限公司的高能水平阀控密封铅酸蓄电池试验温度，试验结果如下图铅酸蓄电池端电压与蓄电池荷电状态的关系电池的端电压随着的减小，端电压的变化存在着两端较陡中间平缓的特点如图所示。

把作为的单变量，采用分阶段函数，按照下式计算当小于等于小于等于时当小于等于小于当蓄电池内阻充放电时表示如下用上式计算的值与测试值的比较如图所示。

图蓄电池内阻测试值与计算值比较分析图蓄电池的极化时间常数实验表明，在充放电初期，极化电压的时间常数约为在充放电结束后的恢复期，时间常数约为。

般认为，经过三个时间常数后过渡过程才算完成。

为了保证蓄电池寿命，通常要求蓄电池放电时的放电深度不太大。

经过试验验证可以知道，混合动力电动汽车上蓄电池理想的工作区域是蓄电池荷电状态介于之间。

因此，我们应尽量使蓄电池的在的范围内，使蓄电池采用浅充浅放的工作方式，从而延长蓄电池的使用寿命，大大降低了蓄电池维护成本。

我们在上章的混合动力电动汽车多能源控制系统控制策略节里也谈到的适用范围问题，通过在。

和。

这两个点来用控制系统调控蓄电池管理子系统，采取相应措施，使其工作在合适的工作范围中。

因此，在我们感兴趣的区域内，用以上数学模型来计算蓄电池在充放电变工况下的特性是真实可行的。

通过建立的上述数学模型可以基本满足混合动力电动汽车多能源控制系统中蓄电池管理子系统中对蓄电池荷电状态的要求，具有实用性。

在本设计中用来采集太阳能电池板和蓄电池两端的电压，之后用上述方法计算出太阳能电池在当时光照条件下产生的电量和蓄电池当前状态下的剩余电量从而解决了在电压微笑变化的情况下测出剩余电量的问题，可以实时的知道当前的太阳能电池和蓄电池的工作状态进步可计算蓄电池剩余电量可供汽车正常行驶的时间。

对采集到的信号进行衰减以使其满足转换的要求转换模块在本设计中转换芯片有两片，其连接方式采用并联的形式。

是为输出的转换芯片，其工作电压为，模拟输入为，输出为，可通过上式求出当前待测电压值。

然后用的方法求出当前蓄电池的剩余电量。

其电路设计图如下图所示。

图引脚设计图其芯片各个引脚说明如下待测电压输入端待测电压转换后的数字量输出端，其为为输出，将其送入主控制器进行数据的处理芯片工作电压输入端。

片选使能，低电平芯片使能。

芯片参考电位地。

芯片时钟输入。

读写使能芯片中断控制端口。

存储模块模块存储器是种可在系统进行电擦写掉电后信息不丢失的存储器，它具有低功耗大容量擦写速度快可整片或分扇区在系统编程等特点。

因为存储在中的数据在系统掉电后会丢失，所以就需要将系统的软件存储在个非易失性的存储设备上，作为处理器与控制面板的存储器，因此，在进行系统的设计时，就将系统的软件存储到中，每次开机后，系统从中开始读取数据，进行整个数据采集系统的操作。

目前已逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。

嵌入式系统中常用的主要为和两种类型。

因为在上直接可以运行程序，本文采用，系列是伏单电源记忆体，采用纳米技术制造。

是的闪存，是由字或字节组成的。

根据上芯片的型号，为位宽的数据总线，也可以作为个位宽的数据总线通过使用。

该设备可以被编程在主机系统或标准编程器。

详细原理图如下所示。

图图模块通常被用于大量易失性存储器，其作用就是保证系统内部数据和指令的传输有个统的步调，在成本高的系统中，价格比较便宜，但是需要实现刷新操作行列管理不同延时和命令序列等逻辑。

这里的的控制采用的是里的控制器内核来实现的，控制器内核提供个连接片外芯片的接口，可以在系统中方便地连接并使用芯片。

本论文采用芯片，该是高速器件，动态随机存取记忆体，设计工作在的供电系统，内存系统包含。

芯片内部配置有四块的内使用同个同步接口。

每位的块由，行列位或位组成。

该原理图设计如下所示。

图原理图在读写数据时重点注意以下信号时钟信号，为输入信号。

所有输入信号的逻辑状态都需要通过的上升沿采样确定。

时钟使能信号，为输入信号，高电平有效。

信号的用途有两个关闭时钟以进入省电模式二进入自刷新状态。

无效时，内部所有与输入相关的功能模块停止工作。

片选信号，为输入信号，低电平有效。

只有当片选信号有效后，才能识别控制器发送来的命令。

设计时注意上拉。

行地址选通信号，为输入信号，低电平有效。

列地址选通信号，为输入信号，低电平有效。

写使能信号，为输入信号，低电平有效。

当然还包括地址信号，这个需要根据不同的型号来确定，同样为输入信号。

地址信号，为输入信号。

数据信号，为输入输出双向信号。

数据掩码信号，为输入输出双向信号。

其方向与数据流方向致，高电平有效。

当其有效时，数据总线上出现的对应数据字节被接收端屏蔽。

显示模块提供了字符控制器的核，可以控制和。

该控制器并没有任何用户可配置的选项，直接添加就可以。

具有接口的输出高电平，使得继电器处于工作状态反之，则判断的值，如果的值大于，则控制输出高电平，使得继电器处于工作状态若同时不能满足的值大于，的值大于，则控制输出电平为高，使得继电器开始工作。

这是本设计中总的软件程序要求，下面图是该设计的软件设计流程图。

开始系统初始化读判断是否大于工作显示读判断是否大于工作工作是是否否图软件总体设计流程图核软件应用的设计本文的软件应用程序是在开发软件中用语言编写的，开发软件和