純電動汽車電池管理系統(tǒng)概述與發(fā)展趨勢

1、北京工業(yè)大學題 目 純電動汽車電池管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢與概述摘要隨著社會的發(fā)展以及能源、環(huán)保等問題的日益突出，純電動汽車以其零排放，噪聲等 優(yōu)點越來越受到世界各國的重視，被稱作綠色環(huán)保車。作為發(fā)展電動車的關鍵技術之一的 電池管理系統(tǒng)（BMS），是電動車產(chǎn)業(yè)純的關鍵。，以鋰電池為動力的電動自行車、混合 動力汽車、電動汽車、燃料電池汽車等受到了市場越來越多的關注。我國對電動車的發(fā)展 極為重視，早在 1992 年就把電動車的開發(fā)發(fā)展列入國家的“八五”重點科技攻關項目， 對電池管理系統(tǒng)以及充電機系統(tǒng)進行了長期深入的研究開發(fā)，在 BMS 方面取得很大的突 破，與國外水平也較為接近，研制產(chǎn)品在純電動和混合動力

2、電動車上得到大量使用。但電 池管理技術還并不成熟，電動汽車的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化，對動力蓄電池管理系統(tǒng)將具有巨大的 市場需求，同時技術上也將提出更高的要求。關鍵詞：BMS 純電動汽車 動力電池 鋰電池can通訊 單片機Abstractwith the oil price, the energy shortage, the increasingly serious urban environment pollution, an alternative to oil development of new energy use more and more attention by governments.

3、In the new energy system, battery systems is one of the indispensable important component. In recent years, with the lithium battery powered electric bicycle, hybrid cars, electric vehicles, fuel cell automobile, by the market more and more attention. The development of electric vehicle in China, a

4、great importance in early 1992, the development of the electric car in national development of "five-year" key torch-plan projects of battery managementsystem, and charging machine system for the long-term in-depth research development, in BMSgained great breakthrough, and foreign level al

5、so approaches, the research products in pure electric and hybrid electric vehicle got a lot of use. But battery managementtechnology is still not mature, electric vehicles and the development of industrialization of motive battery management system, with the huge market demand, but technology will a

6、lso put forward higher request.Keywords: BMS pure electric vehicle power battery lithium batteries can communication microcontroller目錄第一章 緒論1.1 國外現(xiàn)狀 0.1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 1.第二章 電池發(fā)展 42.1 電池性能比較 4.2.2 串聯(lián)電池組的應用特點介紹 5.第三章 電池管理系統(tǒng)的組成 83.1 電池管理系統(tǒng)的構成 8.3.2 電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 8.第四章 電池管理系統(tǒng)的原理 114.1 管理系統(tǒng)的結構的原理 1.14.2 單線式溫度采集單元

7、 1.2結論 19參考文獻21第一章 緒論隨著社會的飛速發(fā)展，汽車在整個社會進步和經(jīng)濟發(fā)展中扮演著非常重要的角色。 汽車工業(yè)的迅速發(fā)展推動了機械、能源、橡膠、鋼鐵等支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，隨著全球 汽車總有量的增加，汽車尾氣的排放已經(jīng)成為大氣污染的主要原因，同時世界石油資源的 Fl趨緊張，石油價格始終居高不下，這些都迫使人類需要研制出無污染和節(jié)能汽車。由 于電動能源具有突出的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā)和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。 電動汽車具有無排放污染、噪聲低、易于操縱、維修以及運行成本低等優(yōu)點，在環(huán)保和節(jié) 能上具有不可比擬的優(yōu)勢，它是解決人類巨大能源和環(huán)境壓力的有效途徑。因此，電動汽 車是

8、 21 世紀汽車的發(fā)展方向。在電動汽車的研究和發(fā)展上，車載電池及其管理系統(tǒng)的研 究與制造占據(jù)著重要的位置。如何有效地利用電池的能量，延長電池的壽命是電池管理系 統(tǒng)研究的關鍵部分。因此提高了電動汽車制動的安全性和可靠性但是他的續(xù)駛歷程小充電 時間長是限制它發(fā)展的瓶頸。動力電池組是電傳動車輛的輔助能量源和關鍵部件，其狀態(tài) 好壞和壽命長短在很大程度上決定了整車性能的優(yōu)劣，因此有必要對電池組實施有效的管 理和監(jiān)測。 基于此種目的， 又考慮到便于在車內(nèi)安裝布置， 設計出電池組分布式管理系統(tǒng)， 其由兩部分組成，即電池組綜合管理器和電池單體檢測模塊。系統(tǒng)應用基于循環(huán)工況的電 池組剩余電量神經(jīng)模糊預測算法，

9、以實現(xiàn)對電池組狀態(tài)的準確預測； 并利用總線通訊技術， 完成數(shù)據(jù)傳輸與交換，在保證實時性的同時又建立了分布式的總體結構，使系統(tǒng)大小可以 隨電池組不同而隨意調(diào)整、剪裁和擴充， 很大的靈活性、適應性。1.1 國外現(xiàn)狀隨著近幾年電動汽車應用研究和產(chǎn)業(yè)化的不斷升溫，國外一些大的汽車生產(chǎn)企業(yè)和蓄 電池生產(chǎn)廠家針對各種電動汽車電池做了大量研究及試驗，構建出了各自的數(shù)學模型，成 功地開發(fā)出各自的電池管理系統(tǒng)。其中典型的有：美國通用汽車公司生產(chǎn)的“EVI ”型電動汽車上應用的電池管理系統(tǒng)； 美國 Aerovironment 公司研發(fā)的 Long-Life Batteryusing Intelligent Mod

10、ular Control System （通常稱為 smartGuard 電池管理系統(tǒng)）；德國 MentzerElectronic GmbH 和 Werner Retzlaff 研發(fā)的 BADICHEQ電池管理系統(tǒng)和BADICOaC電池管理系統(tǒng)； 德國B.Hauck設計的BATTMA系統(tǒng)；美國AC Propulsion 公 司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。1991年美OWA國能源部與三大汽車公司（戴 姆勒一克萊斯勒、福特、通用 ）共同成立的先進電池聯(lián)合體 U N I T E DSTATES ADVANCED BATTERYCONSORTIUM （USAB（致力于研究和發(fā)展先進的電

11、動車能源系統(tǒng)，建立了專門從 事電池及管理系統(tǒng)的測試、試驗等研究的實驗室和研究機構。之后，全世界汽車制造廠家 紛紛開發(fā)并推廣使用電動車。電動車的蓬勃發(fā)展及遠大前景，促進了電池及其管理技術的 發(fā)展，世界各大汽車公司紛紛投巨資并采取結盟的方式研究各種類型的電池。電池管理系 統(tǒng)作為電池系統(tǒng)的重要組成部分，肩負著優(yōu)化電池使用和延長電池壽命的重要職責。在電 動汽車發(fā)展的同時，電池管理技術也取得了長足的進步。日本青森工業(yè)研究中心從 1 997 年開始至今，仍在持續(xù)進行電池管理系統(tǒng) （B M s） 實際應用的研究；美國 Villanova 大學 和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對各種類型的電池 SOC進

12、行基于模糊邏輯的預測；豐田、 本田以及通用汽車公司等都把 BMS納人技術開發(fā)的重點。1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀我國在“十五”期間設立了電動汽車重大專門研究項目，經(jīng)過幾年的發(fā)展，在電池管 理系統(tǒng)技術方面取得了很大的突破，已與國外水平較為接近。經(jīng)過近五年來的重點開發(fā)和 研究，一些電池管理系統(tǒng)研究項目已經(jīng)應用到電動車輛的實際運營中。我國多個地方政府 也積極將電動汽車及其電池管理系統(tǒng)開發(fā)列入地方產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)劃中。此外，電動車輛快 速發(fā)展和實際運營測試也極大地促進了我國電池管理系統(tǒng)的技術研發(fā)水平的提高。北京交 通大學電池管理系統(tǒng)以其性能穩(wěn)定、可靠性好、檢測精度高、功能齊備、方便耐用等優(yōu)點 得到廣大用戶的一致好評。

13、至今為止，部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)和使用，用戶包括國家 電動汽車運行試驗示范區(qū) （純電動中巴、鉛酸 ）、東風汽車集團 （混合動力大巴、鎳氫 ）、北 京公共交通控股 （集團）有限公司（雙源無軌電車、鉛酸 ）、北京 121 示范線（純電動大巴、 鉛酸 鋰電） 銀川鐵通 （通訊基站，鉛酸 ） 、北京奧運用電動大巴 （純電動大巴，鋰電 ）。經(jīng) 過多年的研究、經(jīng)驗的總結以及實際運行數(shù)據(jù)的分析，北京交通大學的電池管理系統(tǒng)取得 重要的發(fā)展。但電池管理技術還并不成熟，電動汽車的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化，對動力蓄電池管理 系統(tǒng)將具有巨大的市場需求，同時技術上也將提出更高的要求。早期的電池管理系統(tǒng)一般 只具有監(jiān)測電池電壓、溫

14、度、電流的簡單功能。隨著先進電池在電動車中應用的推廣，對 電池管理系統(tǒng)的要求越來越高， 電池管理系統(tǒng)的功能也越來越強。 電動車事業(yè)的蓬勃發(fā)展， 給電池管理技術的發(fā)展帶來強大動力。經(jīng)過長時間廣泛的研究和裝車應用，人們對電池的 認識增強，對電池的管理也日趨有效，電池管理系統(tǒng)得雛形已經(jīng)建立，人們對其的功能已 有明確的定義，其重要性也得到充分的肯定。電池管理系統(tǒng)已經(jīng)從監(jiān)控系統(tǒng)逐漸向管理系 統(tǒng)轉(zhuǎn)變。為了滿足電動汽車的實際運行需求，電池管理系統(tǒng)在功能、可靠性、實用性、安 全性等方面都做出了重要努力。檢測方面，提高了電壓、溫度及電流的測量精度，基本滿 足車輛運行和電池使用的要求。過充電和過放電控制方面，增加

15、了齊備的通訊功能，在車 輛運行的過程中，與整車控制器通訊，能實現(xiàn)優(yōu)化駕駛，提高車輛性能，防止過放電；充 電過程中，與充電機通訊能實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化充電，保障充電的快速性和安全性，避免 電池在使用過程中因過充電或過放電而影響電池壽命，降低運行成本。數(shù)據(jù)處理方面，增 加了電池故障的實時分析能力，對電池的濫用進行預警和報警，對故障進行定位，為電池 的維護提供便利?？煽啃苑矫?，結合現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，提高系統(tǒng)運行的抗干擾能 力。均衡方面，增加了電池的均衡控制能力，提出了充電均衡、放電均衡、電阻均衡、開 關電容均衡以及利用現(xiàn)代電力電子變流技術等均衡措施。數(shù)據(jù)庫管理方面，由于電池和電 動車都處于試驗和

16、日益完善的階段，電池管理系統(tǒng)多配備了電池運行和充電數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng)，便于對電池性能進行評價，對車用電池的優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。但是，電池 的SOC古算和SOH評估還不能滿足車輛和電池實際需求是電池管理系統(tǒng)最大的缺陷，這極 大的限制了電池容量有效發(fā)揮，降低了電池均衡效果，使得電池過充電和過放電控制缺乏 充足的依據(jù)，電池使用的安全性和可靠性隨之降低。這直接影響到電池的性能和電池壽命 以及電動汽車的駕駛性能和電動車事業(yè)的推廣。所以從電池的內(nèi)部機理和外特性出發(fā)，從 電池的電化學、熱學以及電學對電池進行綜合建模及其模型參數(shù)的自適應識別技術、利用 電池模型對電池的SOC古算及SOF評估技術、電池優(yōu)化

17、充放電控制算法及均衡充電技術是 電池管理系統(tǒng)亟待解決的問電子變流技術等均衡措施。數(shù)據(jù)庫管理方面，由于電池和電動 車都處于試驗和日益完善的階段，電池管理系統(tǒng)多配備了電池運行和充電數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管 理系統(tǒng)，便于對電池性能進行評價，對車用電池的優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。但是，電池的 SOC估算和SOH評估還不能滿足車輛和電池實際需求是電池管理系統(tǒng)最大的缺陷，這極大 的限制了電池容量有效發(fā)揮，降低了電池均衡效果，使得電池過充電和過放電控制缺乏充 足的依據(jù)，電池使用的安全性和可靠性隨之降低。這直接影響到電池的性能和電池壽命以 及電動汽車的駕駛性能和電動車事業(yè)的推廣。所以從電池的內(nèi)部機理和外特性出發(fā)，從電 池的

18、電化學、熱學以及電學對電池進行綜合建模及其模型參數(shù)的自適應識別技術、利用電 池模型對電池的SOC古算及SOH評估技術、電池優(yōu)化充放電控制算法及均衡充電技術是電 池管理系統(tǒng)亟待解決的問題，也是今后的主要發(fā)展方向。第二章 電池發(fā)展2.1 電池性能比較電動車應當具備優(yōu)良的駕駛性能和高的可靠性，電動車用電池需要具備能量密度 高、輸出功率高、壽命長、充放電效率高、適用溫度范圍寬、白放電低、負載特性好、溫 度存儲性能好、低內(nèi)阻、無記憶效應、可實現(xiàn)快速充電、安全性高、可靠性高、成本低以 及可重復使用等特性。當今，電動車輛可選擇的電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。鉛 酸電池的應用歷史最長，也是最成

19、熟、成本售價最低廉的電池，但是電池的比能量和比體 積都較小，這導致其一次充電的行短，運行效率低，這嚴重的影響到鉛酸電池在車輛上的 使用。鎳鎘電池具有比鉛酸電池更高的充放電倍率，推出后得到一定的發(fā)展，但是由于其 具有記憶效應、含重金屬對環(huán)境有污染，所以其發(fā)展受到限制。為此人們一直探索著如何 改進電池的性能，開發(fā)能量效率更高、穩(wěn)定性更好，電荷容量更大的新電池。終于，上世 紀90年代，鎳氫電池和鋰電池出現(xiàn)讓人們看到了曙光。鎳氫電池是人們看好的第二代電池之一，是取代鉛酸電池和鎳鎘電池的產(chǎn)品。鎳氫電 池以其充放電倍率大、無環(huán)境污染隱患、無記憶效應等優(yōu)點很快占領了極大的市場。但是 鎳氫電池內(nèi)阻小，這在給人

20、們帶來充放電倍率大的同時卻又引入了電池不容易實現(xiàn)并聯(lián)的 問題，這限制了鎳氫電池通過并聯(lián)增加容量，加之其工作電壓低（1 . 2V），需要大量的電池串聯(lián)，隨之而來的一致性問題使得鎳氫電池的在大容量場合（如純電動大巴等 ）的應用受到限制。特別是鋰離子電池推出以后，人們又開始認同鋰電池，一些鎳氫電池企業(yè)紛紛轉(zhuǎn) 產(chǎn)生產(chǎn)鋰電池。一時間人們所熱崇的鎳氫電池似有被冷落的意思。鋰電池具有工作電壓等 級高、比能量和比體積大、白放電率低、無記憶效應、環(huán)保性好和無污染性等優(yōu)點。鋰電 池的能量密度（體積能和質(zhì)量能）幾乎是鎳鎘電池的1. 53倍；單元電池的平均電壓為3. 6V,相當于3個鎳鎘或鎳氫電池串接起來的電壓值。能

21、減少電池組合體的數(shù)量，從而因 單元電池電壓差所造成的電池故障的概率可減少許多，也就是說大大延長了電池組合體的 壽命。所以鋰電池很快得到人們的肯定和廣泛使用。 這也極大地促進了鋰電池技術的發(fā)展。 在電動車上它大有取代鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池之勢，它將隨著電動車的普及發(fā)展 而成長壯大。環(huán)保意識日漸人心，在為子孫后代節(jié)省化石能源的責任感下，電動車定會得 到重大發(fā)展，鋰電池也將呈亮麗的發(fā)展之勢，它將成為 21世紀電動車的主要電池。 大量 被使用的鋰離子電池標稱電壓為3.2v滿限制電壓為4.2V，當充電電壓超過4.2V時，就可能 引起會發(fā)生鼓脹；放電截止電壓為2.5V，當放電低于2.5V時，就會損傷

22、電池，造成容量的 下降。 （磷酸鐵鋰電池的標稱電壓為 3.2V） 純電動汽車一般使用比能量高的鋰電池提供動 力，為提高動力，一般將一百節(jié)左右的單體鋰電池（300V系統(tǒng)）串聯(lián)起來使用，有些電動 大巴則用二百多節(jié)左右的單體鋰電池（600V系統(tǒng)）串聯(lián)起來使用。電池組串聯(lián)的越多，出 現(xiàn)單節(jié)落后的幾率就越高，相對服務壽命就越短，雖然可以通過維護來維持壽命，但在整 個壽命中需要多次維護，維護成本較高，同時也給用戶帶來不便。電動汽車產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)為鋰電池的大規(guī)模應用成為現(xiàn)實，但在應用初期，鋰電池的制造 工藝尚未完全成熟，不論電池廠家怎樣精準配組，在使用一段時間后都會出現(xiàn)單體電池落 后現(xiàn)象，并且隨時間呈迅速擴大，

23、導致電動汽車的行駛里程迅速縮短。2.2 串聯(lián)電池組的應用特點介紹電動汽車要解決的關鍵技術之一是電池技術，包括電池制造技術和電池控制策略，其 中，電池組串聯(lián)充放電的不一致性是最迫切解決的問題之一。電池組串聯(lián)充放電的不一致 性會使電池組中的某些電池提前損壞， 壽命大大縮短， 嚴重時會出現(xiàn)電池爆炸等安全問題， 這些問題增加了電動汽車的使用成本。 目前，在對電池組均衡充放電的研究方面，國內(nèi) 外研究人員多將注意力放在電動汽車動力電池充電均衡上，而充分考慮電池放電均衡控制 策略的研究較少。 本論文在分析國內(nèi)外動力電池充放電方法和均衡充放電研究的基礎上， 采用分流均衡的均衡充放電方案，并從理論上和實驗上進行

24、了初步研究和探討。主要研究 內(nèi)容有以下幾點： 1. 通過鉛酸蓄電池充放電實驗獲得實驗數(shù)據(jù)，并依據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立電 池組充放電模型，然后按照設定的充放電均衡控制規(guī)則進行仿真，得到合適的電池組均衡 充放電的均衡點。 2. 依托導師的“ 863”課題，設計了一套電動車電池組檢測與充放電均 衡控制電路，并根據(jù)仿真所得到的均衡點對電池組進行充放電均衡控制。 本論文研究設 計的電動車電池組檢測與充放電均衡控制系統(tǒng)可以用于鉛酸電池組的充放電均衡控制，能 基本解決在充放電過程中因電池的不一致而帶來的各電池不能同時充足電或不能同時放 到電池的電壓下限值等問題，有很大的實用性。由于單體蓄電池的端電壓較低，鋰電池為

25、2.5/3.6V 。而電動汽車系統(tǒng)的工作電壓一般 都較高300-600V，因而必須將多只單體電池串聯(lián)起來才能滿足需要。串聯(lián)電池組的特點是流過電池組本身的電流完全相等。由于各單體電池的電氣參數(shù)應材料、工藝等原因，不 可能絕對完全相同，出廠時一般采用參數(shù)接近配組的方式，使蓄電池組中的各單體電池參 數(shù)盡可能一致。串聯(lián)電池組的使用特點之一就是每次充放電時都會放大上述單體電池間細 微的差距，容量較少者每次充電時都存在過充電，而每次放電又存在過放電，久而久之， 這種較差的電池就會加速損壞形成落后電池，從而導致整個蓄電池組性能下降或提前失 效。具體表現(xiàn)為，單體電池質(zhì)量好，參數(shù)一致性好，配組嚴格，使用環(huán)境好（

26、一般淺充淺 放）的電池組壽命就長些。而單體電池質(zhì)量一般，參數(shù)一致性一般，配組不太嚴格，使用 環(huán)境較差（經(jīng)常深充深放）的電池組壽命就短。雖然性能下降或失效的電池組僅是一個或 數(shù)個單體電池首先損壞引起的，也容易進行更換修復，但及時的檢查與更換，需要大量維 護人員，同時在維護一段時間后還會出現(xiàn)新的落后電池。如果不及時檢查、發(fā)現(xiàn)并更換落 后電池，輕則嚴重降低電池組服務時間， 重則會造成落后電池嚴重的過充或過放甚至反充， 危及安全（漏液或燃爆） 。大量被使用的鋰離子電池標稱電壓為 3.6V，充滿限制電壓為4.2V，當充電電壓超過 4.2V時，就可能引起會發(fā)生燃爆現(xiàn)象；放電截止電壓為 2.75V，當放電低

27、于2.75V時，就會 損傷電池，造成容量的下降。 （ 磷酸鐵鋰電池的標稱電壓為 3.2V）純電動汽車一般使用比能量高的鋰電池提供動力，為提高動力，一般將一百節(jié)左右的 單體鋰電池（300V系統(tǒng)）串聯(lián)起來使用，有些電動大巴則用二百多節(jié)左右的單體鋰電池（600V系統(tǒng)）串聯(lián)起來使用。電池組串聯(lián)的越多，出現(xiàn)單節(jié)落后的幾率就越高，相對服務壽命就越短，雖然可以通過維護來維持壽命，但在整個壽命中需要多次維護，維護成本較 高，同時也給用戶帶來不便。電動汽車產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)為鋰電池的大規(guī)模應用成為現(xiàn)實，但在應用初期，鋰電池的制造 工藝尚未完全成熟，不論電池廠家怎樣精準配組，在使用一段時間后都會出現(xiàn)單體電池落 后現(xiàn)象，并

28、且隨時間呈迅速擴大，導致電動汽車的行駛里程迅速縮短。由單體電池有一定 的溫度耐受范圍，在實際應用中如果體積過大，會產(chǎn)生局部的過熱，從而影響電池的安全 和性能。 因此，單體電池的大小受到限制， 動力和儲能電池不可能采用超大的單體鋰電池。 例如圖6,在苛刻的使用環(huán)境下，110*110*25mm的20Ah鋰電池，局部最高溫度為135C； 而110*220*25mm的50Ah鋰電池，局部溫度高達188C，更容易發(fā)生安全問題?；诂F(xiàn)有的 正極材料和電池制造水平，單體電池之間尚不能達到性能的完全一致，在通過串并聯(lián)方式 組成大功率大容量動力電池組后，苛刻的使用條件也易誘發(fā)局部偏差， 從而引發(fā)安全問題。 因此

29、，為確保電池的性能良好、 延長電池使用壽命 （ 提 升50%以上），必須使用BM對電池組進行合理有效的管理和控制。電池成組后主要的問題 有以下幾個方面：1、過充/ 過放。串聯(lián)的電池組充電 / 放電時，部分電池可能先于其他電池充滿 / 放完。繼續(xù)充電 / 放電就會造成過充 / 過放，鋰電池的內(nèi)部副反應將導致電池 容量下降、熱失控或者內(nèi)部短路等問題。2、過大電流。并聯(lián)、老化、低溫等情況，均會導致部分電池的電流超過其承 受能力，降低電池的壽命。3、溫度過高。局部溫度過高，會使電池的各項性能下降，最終導致內(nèi)部短路 和熱失控，產(chǎn)生安全問題。4、短路或者漏電。因為震動、濕熱、灰塵等因素造成電池短路或漏電，

30、威脅 駕乘人員的人身安全。第三章電池管理系統(tǒng)的組成3.1電池管理系統(tǒng)的構成電池單體電池單體!電池單體檢測模塊1檢測模塊2j檢測模塊8485總線11 OHM電池組綜合管理器CAN總線圖3.1電池管理系統(tǒng)結構圖3.1所示為電動汽車電池組管理系統(tǒng)的組成框圖不難看出系統(tǒng)內(nèi)部采用了成本較低的RS-485網(wǎng)絡，而與車輛上其它控制器間的數(shù)據(jù)通訊則統(tǒng)一采用了CANS訊網(wǎng)絡。電池管理系統(tǒng)由單體檢測模塊和綜合管理器構成且多個電池單體檢測模塊在電池組綜合管理 器的協(xié)調(diào)調(diào)度下實現(xiàn)電池組數(shù)據(jù)交換：而綜合管理器以及車輛的其它控制器又是在整車綜 合控制器的協(xié)調(diào)調(diào)度下實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)交換、管理和控制。3.2電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

31、池管理就是對電池組和電池單元運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)控，精確測量電池的剩余容量， 同時對電池進行充放電保護，并使電池工作在最往狀態(tài)。一般褥言電動汽車電池管理系統(tǒng) 簧實現(xiàn)以下幾個功能：3.2.1準確估測動力電池放電狀態(tài)(State of Charge )，隨時預測電動汽車儲能電池還剩余多少能量或儲能電池的荷電狀態(tài)，使電池的SOCt工作范圍控制在30%-70 %。動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)：實時采集電動汽車蓄電池組中每塊電池的端電壓和溫度、充 放電電流以及電池包總電壓。防止電池組中的每塊電池在使用中的性能和狀態(tài)不一致，因 而對每塊電池的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)都要進行監(jiān)測。當蓄電池電量或能量過低需要充電

32、時，及時報警，以防止電池過放電而損害電池使的用壽愈。當電池組的溫度過高，及時報 警，保證蓄電池正常工作。 建立每塊電池的使用歷史檔案， 為進一步優(yōu)化和開發(fā)新型電池、 充電器、電動機等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。3.2.2 電動汽車動力電池組的熱平衡管理：電池熱管理系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的有冷卻 部分，其功能是通過風扇等冷卻系統(tǒng)和熱電阻加熱裝使電池處于正常工作溫度范圍內(nèi)。電 池熱管理的重點是通過分析傳感器顯示的溫度和熱源的關系，確定電池組外殼及電池模塊 的合理擺放位置，使電池箱具有有效地熱平衡與迅速教熱功能，通過溫度傳感器測量溫度 幫箱體電池溫度，確定電池箱體的阻尼通風孔開閉大小，以盡可能

33、的降低功耗。目前，在電動汽車上實現(xiàn)電池管理的難點和關鍵在于： (1) 如何根據(jù)采集韻每塊電池 的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，建立確定每塊電池剩余能量較精確豹數(shù)學模型， 即準確估測電動汽車蓄電港的so狀態(tài)。3.2.3 FE 動汽車儲能電池的快速充電技術及均衡充電技術。這項技術是目前世界正在 致力研究與開發(fā)的另一頊電池麓董管理系統(tǒng)的關鍵技術。除了計算電池SOC電池管理系統(tǒng)的另一個重要作用就是實時監(jiān)控電池組的各項參數(shù)，將電池報警信息實時反映給駕駛 員。主要在以下幾種情況進行報警并進行相應管理：單體電壓：蓄電池單體電壓判斷分 為兩部分： (1) 單體電池的正常工作電壓范圍是 2.5V ，3.8V

34、 超出這一范圍就要作出相應 的提示。(2)電池單體之間的電壓差。如果電壓差超過 0. 5V就要提示，并指出是哪個單體 的電壓值出錯。電流判斷：放電電流過大，對于電池組與電動汽車都是非常危險的。放 電電流的大小由負載決定，安全放電范圍則由電池組安全放電電流而定。過流時，電池管 理系統(tǒng)會直接觸發(fā)繼電器，切斷電池組與汽車的連接。以確保安全。剩余電量判斷：動 力鋰電池SO小于30%，及時提醒駕駛員電池電量低。/溫度判斷：這里主要是指單體電 池的體表溫度。 不同蓄電 池的 工作溫度范圍是不一樣的。 鋰電池的 工作溫度是 -40"C'-60"C 。溫度過低要提醒駕駛員，電池此時

35、不能工作。電池溫度過高超出正常范圍 通常說明電池壞了。狀態(tài)檢測是實時進行的。準確及時的狀態(tài)檢測直接影響到電池組與電 動汽車的安全問題，非常重要。第四章電池管理系統(tǒng)的原理4.1管理系統(tǒng)的結構的原理其中電池單體檢測模塊完成對電池單體的電壓和現(xiàn)場溫度采集，然后通過RS-485總線傳輸?shù)诫姵亟M綜合管理器中；綜合管理器能夠采集電池組的電壓、電流和環(huán)境溫度，并 針對電池組剩余電量SO預測算法完成軟硬件實現(xiàn)。此外。電池組綜合管理器還帶有RS-485通訊接口和CANS訊接口 .前者完成對電池單體檢測模塊的數(shù)據(jù)交換。后者完成對整車 綜合控制器的數(shù)據(jù)交換，并且其自帶液晶顯示單元和鍵盤單元，可以實時顯示電池單體電

36、壓和電池組的狀態(tài)信息。利用放大電路中的正反饋和負反饋，這里的電池組單體電壓采集 是通過一種壓控恒流源電路加以實現(xiàn)的。U5 +t/j-圖4.1壓控恒流源電路根據(jù)輸入信號可分解為差模信號和共模信號的原理。如果利用差動放大電路來采集單體電池電壓.盡管不同節(jié)點上電池的參考點不同，但由于差動放大電路對共模信號的抑制作用。處于低電位節(jié)點處的電壓就被抑制。而差動放大電路僅對單體電池電壓進行放大. 使得相鄰電池節(jié)點處的電池都具有一個共同的參考點，所以可以實現(xiàn)對長串電池組單體電壓 的測量。在該電路中。就是利用上述原理把被檢測的電壓差（即單體電池端電壓）轉(zhuǎn)換成電流的形式長距離傳輸而不受外界干擾.且傳輸精度高，適合

37、不同電壓級別的微機接口電 路.以便數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，為實際使用帶來了方便和靈活性。在圖3中可以看到采用運算放大器組成的壓控恒流源.被檢測電壓差取自每節(jié)電池的正負極輸出端鈕，即單體電池的 電壓值璣。也就是說流過負載電阻R,的電流與單體電池電壓值Ubat成正比，而與負載電池Rt的值無關。這樣只要改變Ri的阻值，就可把電流轉(zhuǎn)換成不同的電壓級別，從而滿足不同 單片機接口的需要。圖4即為電池單體檢測模塊結構原理示意圖，其中 alaL5為單體電壓 采集電路的輸出端，A1, A5為單片機上對應的A/D接口，R、T分別為單片機串行接口的接 收端和發(fā)送端，RO、D為對應的發(fā)送端和接收端。不難看出模塊就是將五組單體

38、電壓采集 電路置于同一塊電路板中設計而成的，再經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換和RS-485串行總線通信完成數(shù)據(jù) 采集和傳輸，這樣根據(jù)串聯(lián)電池組中的電池數(shù)量采用一個或多個模塊就實現(xiàn)了對其中每塊 電池單體電壓的測量。圖4.2電池管理系統(tǒng)采集方式4.2單線式溫度采集單元電池單體檢測模塊中的溫度采集單元采用了“1-wire ”單線式串行數(shù)據(jù)通訊總線，實現(xiàn)簡單而且具有12位的采集精度，采集溫度范圍寬，如DSl8b20,其穩(wěn)定性和精度都優(yōu)于傳統(tǒng)的動力電池組綜合管理器硬件設計圖 5所示為電池組綜合管理器硬件結構示意圖， j 。、 y。代表了霍爾形式的電流、電壓傳感器，其中電壓傳感器輸入0V600V,輸出OmA-20mA

39、電流傳感器輸入一 200A200A,輸出一 100mA- 100mA微處理器選用了帶CAN通訊接口的 單片機P87C591在總線通訊方面。CANS、線采用了內(nèi)置CAI控制器的單片機P87C59和總線 驅(qū)動器82C250并加以光電耦合器6N137與外部總線隔離。RS48總、線使用了差動信號驅(qū)動 器65LBC184，并用光耦U L117實現(xiàn)隔離，RS23總線選用了控制器MAX23以實現(xiàn)綜合管理 器與P（機的數(shù)據(jù)交換。從而方便系統(tǒng)調(diào)試； ANFIS是電池組剩余電量的核心計算單元通 過單片機軟件編程得以算法實現(xiàn)，硬件上則借助電壓、電流傳感器模擬溫度傳感器。和一 個V百壓頻轉(zhuǎn)換電路完成信息采集：顯示單元

40、選用了集成的液晶模塊T6963C,使用和開發(fā)都非常方便。4.3 動力電池組分布式管理系統(tǒng)軟件設計4.3.1電池單體檢測模塊軟件設計電池單體檢測模塊軟件設計采用了中斷的程序結構，即利用定時器中斷完成數(shù)據(jù)采集 和看門狗保護，利用串行口中斷完成電池單體檢測模塊 RS-485總線通訊，這樣既保證了 數(shù)據(jù)采集的實時性。又可以使模塊在總線通訊時能夠快速響應電池組綜合管理器對單體數(shù) 據(jù)的收集要求，其中RS-485總線通訊流程圖如圖421所示O中聲發(fā)這地址？揍菱下一舍字|機按牧84肚BBJ機發(fā)送就NJy送投送林卷二0送發(fā)送標志二1*L發(fā)1N隹收數(shù)罄二菇收完葩丫_ I , 送接牧粽恚h送金欣杯志擁圖4.5通訊流

41、程4.3 . 2動力電池組綜合管理器軟件設計動力電池組綜合管理器軟件系統(tǒng)從功能上可分為系統(tǒng)初始化、人機接口、數(shù)據(jù)處理、 故障診斷、通信與網(wǎng)絡五個程序模塊。系統(tǒng)初始化程序模塊主要完成中央處理電路模塊的 診斷與啟動以及系統(tǒng)變量的初始定義和設置：人機接口程序模塊負責輸入命令的處理和輸 出信息的顯示：數(shù)據(jù)處理程序模塊完成采集，處理 A/ D數(shù)據(jù)，電池剩余電量預測算法等功 能；故障檢測與診斷程序模塊實現(xiàn)單體電壓報警、溫度、總電壓和剩余電量報警；通信與 網(wǎng)絡程序模塊保障系統(tǒng)與其它控制單元之間完成實時高速而可靠安全的信息交互。整個系 統(tǒng)的軟件設計思路是保證系統(tǒng)初始化、人機接口、故障診斷和通信四個模塊的通用性

42、。其 軟件運行流程以及RS-485總線通訊流程分別圖4.5、圖4.6所示。CPU切幽牝 CAN週血初治化 示釗妬代 4«5週洞初端化 博盤仞祐化 叢電 AEfflWtt-WWtlt廠KAA主界瞬 （電壓.電ft*余電金出度）2點總電壓.卓 電紈.蒯余電倉一 環(huán)塢狙度J：件 璉場詛廈呆曬按虹龍 電吐（丈于14 9V * 甘小T 10.5 V白動懦壞出示 主畀面昶單悴 電壓揮朗圖4.6通訊流程圖人口圖4.7通訊流程-加0時風論in10;0圖4.8池單體檢測模塊采集值與電壓表測量值誤差曲線圖溫度檢測電池組在充、放電過程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來，這部分熱量 不及時排除會引起電池組過

43、熱。如果單個鎳氫電池溫度超過55C，電池特性就會變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會被打破，繼而導致電池組永久性損壞或爆炸。 為防止以上情況發(fā)生, 需要對電池組溫度進行實時監(jiān)測并進行散熱處理。采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度 采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。4.3.3均衡模塊電池組常用的均衡方法均衡模塊電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。壓差值不會超過50 mA在本系統(tǒng)中，需要較多的I/O 口驅(qū)動開關管，而單片機的I/O 口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開關，Q2 Q3 Q5是控

44、制單節(jié)電池充電的開關。以10節(jié)錳酸鋰電池組為例，變壓器主線 圈兩端電壓為42 V，副線圈電壓為電池的額定電壓 4.2 V。剛開始Q4導通，Q2、Q3 Q5截 止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當檢測到某一節(jié)電池的電壓達到額定電壓4.2 V以后，電壓檢測芯片發(fā)出驅(qū)動信號，關閉 Q4,打開Q2 Q3 Q5整個系統(tǒng)進入單充階段，未充滿的50電池繼續(xù)充電，以達到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測試，電壓差值不會超過 mV。4.3.4 SOC 電量檢測在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的 so計算方法有開路電壓法、庫倫計算法、阻抗測 量法、綜合查表法 3 。(1) 開路電壓法是最簡單的測量方法，主要根據(jù)電池開路電

45、壓的大小判斷SO(的大小。由電池的工作特性可知，電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對應關系。(2) 庫侖計算法是通過測量電池的充電和放電電流，將電流值與時間值的乘積進行積分后計算得到電池充進的電量和放出的電量，并以此來估計 so的值。(3) 阻抗測量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài) SO(之間一定的線性關系，通過測出電池 的電壓、電流參數(shù)計算出電池的內(nèi)阻，從而得到 SO(的估計值。(4) 綜合查表法中電池的剩余容量SO與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關的。 通過設置一個相關表，輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。在本設計中，從電路的集成度、成本、所選 MCI的性能方面考慮，采用了軟件編程的 方法。綜合幾種方法，采用庫倫計算法比較合適。(1) 用C表示鋰電池組從42 V降到32 V時放出的總的電量。用n表示電流i經(jīng)過時間t后，放出的電量與(勺比值。其中CR為剩余電量。令 Ci=i x t，表示t時間內(nèi)電池組以i放電的放電量；或者 是以i充電的充電量，剩余電量實際上