電動(dòng)自行車鋰電池管理系統(tǒng)方案

1、文獻(xiàn)綜述題目：電動(dòng)自行車鋰電池管理系統(tǒng)前言：作為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車快速發(fā)展的基礎(chǔ)，電池管理系統(tǒng)的研究在國外備受關(guān)注。由于其優(yōu)異的性能，鋰電池組近年來得到了廣泛的應(yīng)用。鋰電池管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，讓鋰電池組的管理和使用變得更加容易，安全高效。本文簡(jiǎn)要介紹了國外鋰電池管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。鋰電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：數(shù)據(jù)監(jiān)控、充電狀態(tài)（SOC）估計(jì)、熱管理、平衡管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警。其中，SOC測(cè)量方法包括傳統(tǒng)的開路電壓法、電阻法和安時(shí)積分法，以及新興的模糊邏輯算法、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理算法、卡爾曼濾波估計(jì)算法、線性模型法和阻抗譜法.平衡管理可分為能量耗散型和能量非耗散型

2、兩類。主要議題：維拉諾瓦大學(xué)與US Nanocorp合作多年，基于模糊邏輯對(duì)各類電池SOC進(jìn)行預(yù)測(cè)。美國江森自控技術(shù)公司使用可變阻抗元件來判斷單元的溫度是否超過預(yù)定的閾值，并時(shí)刻監(jiān)控電池組的溫度。托萊多大學(xué)提出了BMS的基本結(jié)構(gòu)圖（圖1）。將 BMS 簡(jiǎn)化為電子控制單元 ECU 和充電均衡器。 ECU功能包括數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、控制，以及均衡器、車載充電器等的控制。德國研究人員認(rèn)為，電氣控制需要實(shí)現(xiàn)可控的充電過程：包括均衡充電；根據(jù) SOC、電池健康狀態(tài) SOH 和溫度限制放電電流。在電氣控制中，需要結(jié)合所使用的電池技術(shù)和電池類型，設(shè)置控制充放電的算法邏輯，作為充放電控制的標(biāo)準(zhǔn)。 CAN總線

3、是德國BOSCH公司在1980年代初為解決汽車中眾多控制和測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通信協(xié)議。它現(xiàn)在廣泛用于電池管理系統(tǒng)。德國凱澤斯勞滕大學(xué)采用主輔模塊分布式管理結(jié)構(gòu)。輔助模塊相當(dāng)于獨(dú)立的均衡器。主模塊完成管理系統(tǒng)的功能，具有較強(qiáng)的均衡能力。我國BMS研究雖然從一開始還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國和日本，但成果還是相當(dāng)可觀的。 2005年國家863計(jì)劃第一批科研項(xiàng)目中，科技大學(xué)承擔(dān)的混合動(dòng)力汽車鎳氫電池組及管理模塊（EQ7200HEV），燃料用大功率鋰離子電池由 Phylion 承擔(dān)的細(xì)胞汽車。有色金屬總院承建的解放牌混合動(dòng)力城市客車的離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)、鋰離子電池及管理模塊。近年來，BMS

4、技術(shù)發(fā)展非常迅速，國外的研究也如火如荼。短短十幾年，我國BMS發(fā)展初具規(guī)模。許多高校和企業(yè)在BMS的研究上投入了大量的時(shí)間，很多方面已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段?，F(xiàn)在趁著國家大力推廣電動(dòng)汽車的契機(jī)，掀起了新一輪的研發(fā)熱潮。但是，與發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和整車開發(fā)技術(shù)相比，現(xiàn)階段的BMS技術(shù)還相當(dāng)不成熟。一些結(jié)構(gòu)還不夠完善，比如數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、SOC的估計(jì)準(zhǔn)確性、電池組的安全性等。未來需要解決的問題包括：降低電路復(fù)雜度、提高抗干擾、過載和高溫條件下的安全性、開發(fā)通用BMS（不適用于某類電池）。BMS的研發(fā)還有很長的路要走，需要進(jìn)一步的研究來進(jìn)一步完善和完善。參考文獻(xiàn)： 1 朱元，曉東，田光宇電動(dòng)汽車動(dòng)力電池SOC預(yù)

5、測(cè)技術(shù)研究J.電力技術(shù)，2000.24(3):31-322 林成濤、全石、王俊平、黃文華等用改進(jìn)的安時(shí)測(cè)量法估算電動(dòng)汽車動(dòng)力電池3 安平，齊魯。鋰離子二次電池的應(yīng)用與發(fā)展J.大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，42：3-5。4 馬華電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)開發(fā)D.：交通大學(xué)，2006。5 董雄河電動(dòng)汽車電池管理分布式系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)D.：清華大學(xué)，2002。6 林承濤，王俊平。全球電動(dòng)汽車SOC估算方法原理及應(yīng)用J.電池, 2004, (10): 288-2927 邵海月，鐘志華電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模型及SOC預(yù)測(cè)方法J.電力技術(shù), 2004(5): 51-538 Gregory L P. LiPB 動(dòng)態(tài)

6、面紗模型 tot Kahnan 濾波器 SOC 估計(jì)。第19屆國際電動(dòng)汽車研討會(huì)論文集J.Buaa2002r論文No.1939 MARCDOY H puter Simulations of the Impedance Response of the Impedance Response of LithumRechargeable BattiseJ. The Electrochemical Society 2004. 147(1):99-110.10 顧佐德，電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)D.：大學(xué)，201011董振華，電動(dòng)自行車鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.：華北理工大學(xué)，201012黃海江，鋰離子電池安全性

7、研究及影響因素分析D.：微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2005.13 王振波，馮春電動(dòng)汽車電池組連接可靠性與不一致性研究J.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2002，（4）：11-15。14郭自強(qiáng)電動(dòng)自行車動(dòng)力電池匹配技術(shù)探討J.中國自行車，2005，7:40-42。電動(dòng)自行車鋰電池管理系統(tǒng)摘要電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械簡(jiǎn)單性。例如，EV傳動(dòng)系統(tǒng)可以像傳統(tǒng)車輛一樣將能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為車輛運(yùn)動(dòng)，也可以通過再生吠叫將車輛運(yùn)動(dòng)反向并轉(zhuǎn)換回能量存儲(chǔ)，這意味著它們的能量/工作循環(huán)是固有的。 -定向。此外，電動(dòng)汽車中電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件主要由電樞（直流電動(dòng)機(jī)）或轉(zhuǎn)子（交流電動(dòng)機(jī)）和軸承組成，這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單且效率更高的機(jī)器。

8、其他優(yōu)點(diǎn)包括更適合車輛扭矩需求曲線的電動(dòng)機(jī)扭矩。 EV 傳動(dòng)系統(tǒng)通常只需要一個(gè)齒輪比，而不是兩個(gè)或更多。此外，不需要倒檔齒輪，因?yàn)殡姍C(jī)本身的旋轉(zhuǎn)方向可以通過簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)電氣輸入極性來反轉(zhuǎn)。軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)的鋰鐵電池組在電動(dòng)汽車上調(diào)試測(cè)試。結(jié)果表明，引入的電池管理系統(tǒng)具有可靠、經(jīng)濟(jì)的抗干擾能力。該電池管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：電池電壓、電流、溫度的采集；剩余容量計(jì)算和電池狀態(tài)判斷；實(shí)時(shí)顯示，故障報(bào)警相關(guān)功能.該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、功率計(jì)算模塊、保護(hù)模塊組成。系統(tǒng)采用飛思卡爾MC9SO8D216 CPLJ，通過即時(shí)采集模塊采集電池電壓、電流、溫度，防止電池平均電壓、平均溫度、過流，使電池更安全，持續(xù)有效，延長

9、電池壽命，增加電動(dòng)自行車在行駛中的安全性。本設(shè)計(jì)的鋰電池管理系統(tǒng)的硬件可靠性、經(jīng)濟(jì)性、抗干擾能力強(qiáng)。對(duì)剩余容量SaC的估算經(jīng)過實(shí)踐比較準(zhǔn)確，均衡基本可以滿足要求。關(guān)鍵詞：SOC ；管理系統(tǒng)；能源1 簡(jiǎn)介隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，汽車的保有量也在不斷增加。但是，如果達(dá)到美國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，那么中國每年的汽油消費(fèi)量將相當(dāng)于原中東地區(qū)的產(chǎn)量。 2倍的油量，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，應(yīng)該依靠其他方法來解決這個(gè)問題。因此，電動(dòng)自行車是目前比較理想的選擇之一，因?yàn)殡妱?dòng)自行車在跑步時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染。另外，我國擁有相當(dāng)多的自行車，被稱為自行車王國，更符合我國國情。從電動(dòng)汽車的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化來看，

10、電動(dòng)自行車更符合中國國情。從居民平均收入水平和公眾需求來看，電動(dòng)自行車更容易普及推廣。在交通管理方面，我國有關(guān)部門規(guī)定電動(dòng)自行車不得作為機(jī)動(dòng)車使用。1.1 電動(dòng)自行車概述電動(dòng)自行車（電動(dòng)助力車）作為一種新型的個(gè)人代步工具，在國外引起了廣泛關(guān)注。近年來，美國、日本、英國、法國、德國和意大利等國家開發(fā)了多種電動(dòng)自行車。比較典型的有日本的“松下”、英國的“帕森特爾”和美國的“列曼”。由于技術(shù)和商業(yè)原因，這些電動(dòng)自行車目前還沒有大量供應(yīng)。我國也有很多單位研發(fā)電動(dòng)自行車。如、等地的廠家，其中自行車廠的永久DX-130型已獲批問市。電動(dòng)自行車有很多優(yōu)點(diǎn)。它的機(jī)動(dòng)性比自行車好得多。與摩托車相比，電動(dòng)自行車不

11、僅更便宜，而且出行也更便宜，不會(huì)造成空氣污染，幾乎沒有噪音。它使用的大部分電池都可以在夜間電量不足時(shí)充電。沒有與其他部門的能源競(jìng)爭(zhēng)。另外，這種車操作方便，速度適中，無論男女老少，都能安全平穩(wěn)地騎行。目前，電動(dòng)自行車技術(shù)也取得了一些進(jìn)展，并已應(yīng)用于短途低速和特殊用途的旅游區(qū)。但主要受電池性能和成本的限制，距離質(zhì)量穩(wěn)定，量產(chǎn)達(dá)標(biāo)，但和傳統(tǒng)自行車差不多。比價(jià)格貴。鋰電池由于具有工作電壓高、比能量和比容大、自放電率低、無記憶效應(yīng)、充放電效率高、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于電動(dòng)自行車。 .鋰離子電池剩余容量的模型和估計(jì)與鉛酸和鎳氫電池有很大不同。本課題以鋰離子電池為控制對(duì)象。通過大量實(shí)驗(yàn)，

12、設(shè)計(jì)一套適用于電動(dòng)自行車鋰離子電池的管理系統(tǒng)是本課題的主要目的。1.1.1 國外電動(dòng)自行車發(fā)展概況在日本，電動(dòng)自行車屬于奢侈產(chǎn)品，價(jià)格較貴，很少有人使用。澳大利亞交通管理部門將提出將輸出功率限制從200瓦提高到300瓦的提案。相信如果通過，將極大地推動(dòng)電動(dòng)自行車在澳洲的普及和推廣。記者了解到，每輛電動(dòng)自行車的平均價(jià)格為1000至4000美元，相當(dāng)于一輛二手車的價(jià)格。 Tao也有類似的服務(wù)，而且是免費(fèi)的。連電都不能保證。每天都需要充電的電動(dòng)自行車如何普及？自帶發(fā)電機(jī)的家庭也不會(huì)青睞電動(dòng)自行車與其用汽油發(fā)電，然后給電動(dòng)自行車充電，不如買一輛燒汽油的“輕騎”。澳大利亞法律規(guī)定，輸出功率在200瓦以上

13、的電動(dòng)自行車屬于小型摩托車的管理范圍。車輛必須登記，司機(jī)必須持有駕駛執(zhí)照。管理規(guī)則與摩托車相同，駕駛員必須佩戴安全頭盔。電動(dòng)自行車在普通民眾中不流行的主要原因是美國人日常出行嚴(yán)重依賴汽車，城市規(guī)劃和交通措施多為駕車者設(shè)計(jì)，美國大部分城市道路上沒有自行車道。高收入家庭可以依靠自己的汽油發(fā)電機(jī)發(fā)電照明，而中低收入的上班族只能依靠馬燈照明。1.1.2 中國電動(dòng)自行車發(fā)展概況我國對(duì)電動(dòng)汽車車載電池管理系統(tǒng)的研究還處于起步階段。目前，已有清華大學(xué)、航空航天大學(xué)、交通大學(xué)、科技大學(xué)、華北理工大學(xué)等多所知名高校利用自身在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合與一些汽車制造商和電池制造商合作研發(fā)，均取得了良好的效果。碩果累累。此

14、外，我國在“十五”期間設(shè)立了電動(dòng)汽車專項(xiàng)研究項(xiàng)目，通過近年來的努力，取得了很大的成績(jī)。 2005年，多家企業(yè)和科研院所參與了國家863計(jì)劃第一批科研項(xiàng)目，也取得了一些成果。但是由于種種原因，對(duì)電池性能缺乏深入的了解，缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)境等，在電池管理系統(tǒng)的研發(fā)道路上，需要解決的核心問題太多，所以目前的管理系統(tǒng)并不完善。完美的。 ，還有很大的提升空間。近年來，電動(dòng)自行車行業(yè)發(fā)展迅速，年增長率達(dá)30%-40%。隨著2011年電動(dòng)自行車市場(chǎng)的整頓，電動(dòng)自行車行業(yè)面臨深度調(diào)整。 “據(jù)完全統(tǒng)計(jì)，1-9月，全國50家重點(diǎn)電動(dòng)自行車企業(yè)增速僅為5%，中小企業(yè)產(chǎn)銷下滑明顯?！笔∽孕熊囆袠I(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長盧金龍告訴記者，這是一

15、家大型企業(yè)。轉(zhuǎn)變?cè)鲩L方式，提高技術(shù)水平帶來機(jī)遇。電動(dòng)自行車最快的發(fā)展始于2005年，企業(yè)間的激烈競(jìng)爭(zhēng)極大地刺激了技術(shù)進(jìn)步和新技術(shù)的擴(kuò)散。電池壽命和容量提升35%，電機(jī)從單一的有刷有齒電機(jī)發(fā)展為無刷高效電機(jī)。壽命提升5倍，效率提升近30%，爬坡載重能力提升3.5倍。 2009年美國總統(tǒng)奧巴馬首次訪華時(shí)，收到了科技部部長萬鋼贈(zèng)送的電動(dòng)自行車作為國禮。電動(dòng)自行車是我國為數(shù)不多的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的代表之一。1.2 電動(dòng)自行車電池管理系統(tǒng)概述作為電動(dòng)自行車的一部分，電池管理系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。我們知道，電池是電動(dòng)自行車的動(dòng)力源，其性能和工作狀態(tài)對(duì)車輛來說非常重要。準(zhǔn)確估算，對(duì)故障電池進(jìn)行早期預(yù)測(cè)，防止電

16、池過沖過放等損壞，防止因未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)單體電池?fù)p壞而縮短整個(gè)電池組的壽命。成本和提高效率?？梢?，電池管理系統(tǒng)也是電動(dòng)自行車不可缺少的一部分。目前涉及的電動(dòng)自行車電池管理系統(tǒng)（BMS）通常包括以下功能組件：數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）估計(jì)、電氣控制（充放電控制）、熱管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信。雖然電池本身的性能參數(shù)影響電池的壽命，但電池本身的問題不在電池管理的范圍內(nèi)。借助電池管理系統(tǒng)（BMS），可以判斷單體電池和電池組的狀態(tài)；可以優(yōu)化電池的外部參數(shù)，最終提高電池的使用壽命，保護(hù)電池。1.2.1 國外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀從1997年開始，日本青森產(chǎn)業(yè)研究中心不斷進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用（BMS）研究：美國維拉諾瓦

17、大學(xué)與SNanocorp合作多年，基于模糊邏輯預(yù)測(cè)各類電池SOC；豐田、本田通用汽車、通用汽車等公司都將BMS納入了技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。例如，在法國設(shè)計(jì)和開發(fā)的電池管理系統(tǒng)就相當(dāng)實(shí)用?？梢员ＷC電池處于正常狀態(tài)，防止其進(jìn)入損壞狀態(tài)，最大限度地提高使用效率，延長使用壽命。德國西門子自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)，最大限度地提高充電效率，節(jié)省充電時(shí)間，最大程度節(jié)約電能。隨著近年來電動(dòng)汽車研究和使用的不斷增加，國外一些大型汽車制造商和電池供應(yīng)商對(duì)各種類型的電池進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，總結(jié)出電池的數(shù)學(xué)模型，并成功研制出許多電池管理系統(tǒng)，并加載試用。比較有代表性的是：德國Meltzer Electronic GmbH

18、和Werner Retzlaff設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)和BADICOaCH系統(tǒng)；德國B. Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)；美國通用汽車公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車EVI電池管理系統(tǒng)；美國 Aerovironment 公司開發(fā)的 SmartGuard 系統(tǒng)（L.ong-Life Battery Using Intelligent ModularControl System）；美國ACPropulsion開發(fā)的高性能電池管理系統(tǒng)BatOpt；日本豐田的混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)等。1.2.2 我國電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀我國BMS研究雖然從一開始還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國和日本，但成果還是相當(dāng)可觀的。 2005年國家863

19、計(jì)劃第一批科研項(xiàng)目中，科技大學(xué)承擔(dān)的混合動(dòng)力汽車鎳氫電池組及管理模塊（EQ7200HEV），燃料用大功率鋰離子電池由 Phylion 承擔(dān)的細(xì)胞汽車。有色金屬總院承建的解放牌混合動(dòng)力城市客車的離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)、鋰離子電池及管理模塊。比亞迪、奇瑞、哈飛、上汽等企業(yè)都在研發(fā)自己的電池管理系統(tǒng)，爭(zhēng)相開拓電動(dòng)汽車市場(chǎng)。一般來說，電池管理系統(tǒng)（BMS）與電機(jī)、電機(jī)控制技術(shù)和電池技術(shù)相比還不是很成熟。電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，近年來有了很大的改進(jìn)，很多方面已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段，但有些地方還不夠完善，尤其是在采集數(shù)據(jù)的可靠性方面， SOC 估算精度和安全管理有待進(jìn)一步提高和完善。

20、1.3 本研究的意義和內(nèi)容本課題的主要目的是開發(fā)純電動(dòng)自行車和適用于純電動(dòng)自行車的電池管理系統(tǒng)。是實(shí)現(xiàn)電池電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)采集、剩余電量計(jì)算、電池狀態(tài)檢測(cè)、通信等功能的BMS系統(tǒng)。2 電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 常用電池介紹鎳鎘電池：當(dāng)鎳鎘電池過充電時(shí)，電池會(huì)發(fā)生水分解反應(yīng)，正負(fù)極板上會(huì)分別釋放出氧氣和氫氣。氣泡聚集在 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20dzsc%20%20%20%20/product/searchfile/18021.html 極板表面，會(huì)減少極板表面參與化學(xué)反應(yīng)的面積，增加電池的電阻。鎳鎘電池在使用過程中，如果充電沒有完全放電，就開

21、始充電。當(dāng)電池下次放電時(shí)，它不能將所有的電荷放電。例如，鎳鎘電池只放電了 80% 的電量并開始充電。充滿電后，電池只能放電 80% 的原始電量。這種現(xiàn)象稱為“記憶效應(yīng)”。鎳氫電池：鎳氫電池的容量比鎳鎘電池大，一般為兩倍左右。 .鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池類似。過充電時(shí)，正極板釋放氧氣，負(fù)極板釋放氫氣。但是，由于帶催化劑的氫電極面積大，氫氣可以隨時(shí)擴(kuò)散到氫電極表面，所以氫氣和氧氣在電池部分比較容易復(fù)合形成水，使氣體壓力升高。容器的基本保持不變。即便如此，如果電池長時(shí)間過度充電，如果氣壓過高，它可能會(huì)爆炸。鎳氫電池也有記憶效應(yīng)，但鎳鎘電池的外殼更小。鋰離子電池：鋰離子電池與鎳鎘和鎳氫電池相比具有許多

22、優(yōu)點(diǎn)。鋰離子電池?zé)o記憶效應(yīng)；同等容量下體積很小； HYPERLINK %20%20%20%20:/wiki.dzsc%20%20%20%20/info/14.html 工作電壓3.6V，是鎳鎘電池和鎳氫電池的3倍；使用溫度范圍廣（-20 60 ），而鎳氫電池為（0 50 ）。同時(shí)，鋰離子電池的自放電率相對(duì)較低。自放電率是指電池在一段時(shí)間內(nèi)不使用時(shí)自動(dòng)失去電量的占總?cè)萘康陌俜直?。一般在常溫下，鎳鎘電池每月自放電率為13%15%，鎳氫電池每月為25%35%，鋰離子電池僅為5%8%每月。 full state對(duì)其有不同的影響，如數(shù)據(jù)表2.1表 2.1不同溫度和電池充滿狀態(tài)2.2 電動(dòng)自行車電池要求通

23、過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前電動(dòng)自行車車載電池基本沒有管理制度。這種情況對(duì)于鎳鎘電池和鎳氫電池來說基本上是可以的，但是對(duì)于鋰離子電池是絕對(duì)不可能的。因?yàn)殇囯x子電池在過放、過充、過流或過溫的狀態(tài)下會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至可能出現(xiàn)爆炸等安全問題。本文研發(fā)的新一代電動(dòng)自行車鋰電池管理系統(tǒng)必須具備以下功能：(1) 采集電池運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括電芯電壓、電池總電壓、溫度、充放電電流；(2)電池充放電過程管理：即在充放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度、電壓、電流等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)斷開充放電電路。(3) 剩余電量的估計(jì)和顯示；（4）電池故障診斷：根據(jù)測(cè)量的單體電池的溫度、電壓等參數(shù)，比較其正常參數(shù)范圍進(jìn)行診斷；（5）安全可

24、靠，抗干擾能力強(qiáng)；2.3 鋰電池概述2.3.1 鋰電池的基本工作原理從充放電反應(yīng)的可逆性來看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。充電時(shí)鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解液后嵌入到負(fù)極材料的層狀晶格中；鋰離子在放電時(shí)從負(fù)極材料的晶格中脫出，通過電解液后嵌入正極材料中。在格子里。在充電和放電過程中，鋰離子在正極和負(fù)極之間來回移動(dòng)。2.3.2 鋰電池重要性能指標(biāo)(1) 容量。電池容量是指在一定放電條件下，電池所能獲得的電量，即電流隨時(shí)間的積分，一般以mAh或Ah表示，直接影響電池的最大工作電流和工作時(shí)間. (2)放電特性和電阻。電池的放電特性是指電池在一定的放電系統(tǒng)下工作電壓的穩(wěn)定性、電壓平臺(tái)

25、的高低和大電流的放電性能等指標(biāo)，它表明了電池的承載能力。加載。電池電阻包括歐姆電阻和電化學(xué)電阻。大電流放電時(shí)，電阻對(duì)放電特性的影響尤為明顯。 (3)工作溫度范圍。電器的工作環(huán)境和使用條件要求電池在特定的溫度范圍內(nèi)具有良好的性能。 (4)存儲(chǔ)性能。電池存放一段時(shí)間后，由于某些因素的影響，性能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電池自放電、電解液泄漏、電池短路。 (5)循環(huán)壽命（二次電池）。循環(huán)壽命是指二次電池按一定制度充放電，其性能衰減到一定程度的循環(huán)次數(shù)。 (6) 電壓和過充電電阻（二次電池）。對(duì)于密閉 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20large- 型鋰離子電池，大電流充電

26、時(shí)能否平衡電池壓力、平衡壓力的高低、電池的大電流過充抗力都是衡量電池性能的重要指標(biāo)。如果平衡或平衡壓力過高，會(huì)打開電池限壓裝置，導(dǎo)致電池放氣或漏液，很快就會(huì)導(dǎo)致電池失效。如果限壓裝置出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致電池殼破裂或爆炸。2.4 電動(dòng)自行車電池管理系統(tǒng)要求(1)可靠性：必須把系統(tǒng)的可靠性放在首位，系統(tǒng)必須能夠長期可靠地工作。(2) 高級(jí)：采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如飛思卡爾。 MC9S08D216 微控制器和 Code Warrior 編程環(huán)境。(3)經(jīng)濟(jì)性：不僅要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還要考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。合適的硬件和配置。(4) 準(zhǔn)確性和完整性：系統(tǒng)的最終目的是收集電池在運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。方便我們對(duì)

27、電池進(jìn)行監(jiān)控，防止發(fā)生意外，所以采集的數(shù)據(jù)不完整或不完整。準(zhǔn)確性可能會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。(5) 安全性：在保證系統(tǒng)上述特性的同時(shí)，還要保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性整體問題。2.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（電流、電壓和溫度采集）、電路保護(hù)模塊、電量計(jì)算與顯示模塊、均衡充電模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)采集模塊分為電壓采集、電流采集和溫度采集。主要負(fù)責(zé)采集電池的各種實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，即電流、電壓、溫度；均衡充電模塊在充電時(shí)只通過MOSEET管的開關(guān)對(duì)單節(jié)電池進(jìn)行充電。均衡充電，使電池組中的每一節(jié)電池更加均衡一致；電量計(jì)算與顯示模塊主要是通

28、過對(duì)采集到的參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)研究測(cè)試得到的電量估算算法，估算出電池當(dāng)前的剩余電量，并通過三個(gè)LED燈的閃爍次數(shù)來顯示電池的剩余電量。電池。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一套鋰離子電池?cái)?shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，經(jīng)過分析和大量實(shí)驗(yàn)，可應(yīng)用于實(shí)際?；诒鞠到y(tǒng)使用的是電動(dòng)自行車，因此本設(shè)計(jì)的硬件電路必須簡(jiǎn)單穩(wěn)定可靠，因此對(duì)原管理系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了改造，包括電壓采集電路、電流采集電路等.，并且在原有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，又增加了一個(gè)功能，那就是均衡充電。3 SOC算法3.1 SOC的定義對(duì)于二次電池，在電池的充放電過程中，電池的端電壓、電池的電阻等特性參數(shù)會(huì)隨著電池剩余容量的變化而有一定規(guī)律的變化。因此，在一些簡(jiǎn)單的放

29、電條件或剩余容量估計(jì)不高的場(chǎng)合，可以用電池的端電壓等參數(shù)來表征電池的剩余容量。目前市面上大部分電動(dòng)自行車都是用電池的端電壓來表征電池的剩余容量。為了更準(zhǔn)確、更科學(xué)地表征電動(dòng)汽車電池的剩余容量，通常用充電狀態(tài)來表征，即SOC（State Of Charge），它是表征電池剩余容量的重要參數(shù).它只能通過測(cè)量電池組的外部特性參數(shù)（例如：電壓、電流、電阻、溫度、老化程度等）間接獲得。準(zhǔn)確估算電池的 SOC 是一項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取電池組的SOC是設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)的重要前提。3.2 鋰電池SOC研究現(xiàn)狀目前使用的各種電池包SOC實(shí)時(shí)在線估算方法存在缺陷，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。使用的要求。這

30、主要是因?yàn)殡姵亟M的SOC與很多因素有關(guān)（比如上一時(shí)刻的溫度、充放電）電狀態(tài)、極化效應(yīng)、電池壽命等），并且具有很強(qiáng)的非線性，可以提供SOC的實(shí)時(shí)在線估計(jì)。帶來很大的困難。為了提高 SOC 實(shí)時(shí)在線估計(jì)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)模型和估計(jì)算法進(jìn)行深入細(xì)致的研究。3.3 本系統(tǒng)SOC方案設(shè)計(jì)目前，電動(dòng)汽車多采用電池荷電狀態(tài)估計(jì)法。如果使用單一的算法方法來估計(jì)電池的荷電狀態(tài)，由于其局限性，必然存在一些問題。單獨(dú)使用任何一種算法來估計(jì)SOC都有不可避免的缺陷，并且很難單獨(dú)應(yīng)用在實(shí)時(shí)在線測(cè)量環(huán)境中。因此，需要綜合考慮各種因素來獲得最優(yōu)算法：利用安時(shí)積分計(jì)算動(dòng)態(tài)過程中SOC的變化量，結(jié)合開路電壓和零負(fù)載電壓，修正造成

31、的累積誤差通過目前的整合。同時(shí)，為了得到SOC的最小均方誤差估計(jì)值，在估計(jì)算法中應(yīng)用了卡爾曼濾波器。3.3.1 SOC的估計(jì)方法3.3.1.1安時(shí)積分法估計(jì)Ah積分法是最常用的SOC估計(jì)方法。如果將初始充放電狀態(tài)記為 SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)的 SOC 為：如果在Ah積分法的應(yīng)用中電流測(cè)量不準(zhǔn)確，會(huì)造成SOC計(jì)算誤差，長期累積，誤差會(huì)越來越大；應(yīng)考慮電池的充放電效率；在高溫狀態(tài)和劇烈電流波動(dòng)的情況下，誤差會(huì)很大；電流測(cè)量 使用高性能電流傳感器即可解決，但成本會(huì)增加；解決電池充放電效率問題，需要事先進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，建立電池充放電效率的經(jīng)驗(yàn)公式。 Ah積分法可用于所有電動(dòng)汽車電池。如果電流測(cè)量準(zhǔn)確，并

32、且有足夠的數(shù)據(jù)估計(jì)初始狀態(tài)，這是一種簡(jiǎn)單可靠的 SOC 估計(jì)方法。與開路電壓法長期儲(chǔ)存或靜置得到開路電壓相比，安時(shí)積分法更為可靠。3.3.1.2 開路電壓法開路電壓法是利用電池的開路電壓與電池充電狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量電池的開路電壓來估算SOC。使用圖3.1所示的鋰離子電池等效電路模型，U(t)和I(t)分別為電池端電壓和輸出電流，電阻R 0用于描述電池歐姆電阻，R 1 ， C 1和R 2。C2用于描述電的極化效應(yīng)。時(shí)間常數(shù)小的R 1 C 1鏈路描述了鋰離子電極之間傳輸過程中遇到的阻抗，而時(shí)間常數(shù)大的R 2 C 2鏈路描述了在鋰離子電極材料中擴(kuò)散過程中接收到的阻抗。 C 0用于描述電池的容量

33、，對(duì)應(yīng)于電池的SOC，它與電池開路電壓的關(guān)系如圖1中的曲線所示。圖 3.1 電池等效電路模型如果電池在放電前是完全靜止的，則可以認(rèn)為電容器沒有電荷。零狀態(tài)和零輸入電壓響應(yīng)為：(3.1)(3.2)U 01 、U 02 、T 1和T 2是未定系數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件中的fminsearch函數(shù)和非線性最小二乘曲線擬合，可以得到待定系數(shù)。設(shè)電池的開路電壓為U ocv ，放電過程中任意時(shí)刻的電壓為U(t)。然后有(3.3)其中U p1為放電時(shí)兩個(gè)電容兩端的電壓，經(jīng)式(3.1)，可得(3.4)式中，t 為電池靜止時(shí)間。由式(3.4)可知，根據(jù)已知的U 01 、U 02 、T 1 、T 2

34、 ，只要測(cè)量放電過程中任一點(diǎn)的時(shí)間和電壓值，就可以計(jì)算出開路電壓U ocv 。3.3.1.3 卡爾曼濾波算法卡爾曼濾波器是一種遞歸線性最小方差估計(jì)，它使用前一時(shí)刻的估計(jì)，加上真實(shí)的使用同時(shí)獲得的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。因?yàn)榍耙粫r(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)是基于前一時(shí)刻和前一時(shí)刻的使用, 所以這個(gè)遞歸實(shí)時(shí)估計(jì)是通過使用所有輸入的測(cè)量數(shù)據(jù)來獲得的。的。其次，卡爾曼濾波器將估計(jì)量作為系統(tǒng)的狀態(tài)，用系統(tǒng)狀態(tài)方程來描述狀態(tài)因此，可以根據(jù)各時(shí)刻的躍遷特征計(jì)算出各時(shí)刻之間的狀態(tài)相關(guān)函數(shù)描述估計(jì)非平穩(wěn)隨機(jī)過程的難度?？柭鼮V波的最優(yōu)準(zhǔn)則和線性最小值與方差估計(jì)一樣，每個(gè)時(shí)刻的估計(jì)都會(huì)使估計(jì)的均方誤差最小化?，F(xiàn)在設(shè)置線性時(shí)變系統(tǒng)的

35、離散狀態(tài)防御和觀測(cè)方程為：X(k) = F(k,k-1) X(k-1)+T(k,k-1) U(k-1)Y(k) = H(k) X(k)+N(k)那么卡爾曼濾波器的算法流程為：預(yù)估計(jì) X(k)= F(k,k-1) X(k-1)計(jì)算預(yù)估計(jì)的協(xié)方差矩陣C(k)=F(k,k-1)C(k)F(k,k-1)+T(k,k-1)Q(k) T(k,k-1) Q(k) = U(k) U(k)計(jì)算卡爾曼增益矩陣K(k) = C(k) H(k)H(k)C(k) H(k)+R(k)(-1) R(k) = N(k) N(k)更新估計(jì)X(k)=X(k)+K(k) Y(k)-H(k)X(k)計(jì)算更新后的估計(jì)共同預(yù)防矩陣C(k

36、) = IK(k) H(k)C(k)IK(k)H(k)+K(k) R(k)K(k)X(k+1) = X(k) C(k+1) = C(k)重復(fù)以上步驟在X(k) 和 Y(k) 分別是時(shí)間 k 的狀態(tài)向量和觀測(cè)向量F(k,k-1) 是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣U(k) 是時(shí)間 k 的動(dòng)態(tài)噪聲T(k,k-1) 是系統(tǒng)控制矩陣H(k) 是時(shí)間 k 的觀察矩陣N(k) 是時(shí)間 k 的觀測(cè)噪聲卡爾曼濾波器使用反饋控制來估計(jì)過程的狀態(tài)。濾波器估計(jì)某個(gè)時(shí)刻過程的狀態(tài)，然后以（噪聲）測(cè)量變量的形式獲得反饋。3.4 章節(jié)總結(jié)本章主要討論動(dòng)力電池功率預(yù)測(cè)研究的關(guān)鍵技術(shù)，重新定義電池SOC，詳細(xì)分析影響電池性能的主要因素，介紹當(dāng)前

37、電池功率預(yù)測(cè)方法和存在的問題，測(cè)量電池組SOC，一種復(fù)合剩余容量預(yù)測(cè)方法提出了安時(shí)法、開路電壓法和卡爾曼濾波法相結(jié)合的方法，對(duì)其理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入闡述。4 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由MCU模塊、檢測(cè)模塊和平衡模塊組成。電池管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)SOC算法的載體，其硬件設(shè)計(jì)直接關(guān)系到SOC算法能否實(shí)現(xiàn)，影響著SOC算法的性能。因此，一個(gè)測(cè)量準(zhǔn)確、可靠性好的電池管理系統(tǒng)是實(shí)時(shí)在線測(cè)量SOC的前提。另外，由于SOC算法比較復(fù)雜，電池管理系統(tǒng)需要有更快的數(shù)據(jù)處理速度。4.1 單片機(jī)的選擇MCU（Micro Control Unit）的中文名稱是Micro Control Unit HYP

38、ERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2080770.htm ，也稱為 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/3314.htm 單片機(jī)（Single Chip Microcomputer HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/412393.htm ）或單片機(jī)HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm。計(jì)數(shù)器和各種I/O接口集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成芯片級(jí)計(jì)算機(jī)，可以針對(duì)

39、不同的應(yīng)用進(jìn)行不同的組合控制。根據(jù)本設(shè)計(jì)方案的要求，系統(tǒng)的MCU必須具備以下強(qiáng)大功能：具有增益放大且數(shù)量充足的高精度AD，采用的程序結(jié)構(gòu)為FLASH，支持I 2 C通信，并具有以下功能： E 2 PROM，幫助用戶降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量?；诰C合電路結(jié)構(gòu)、體積和成本，我們選擇了飛思卡爾的MC9S08DZ60。其豐富的資源、穩(wěn)定性和安全性非常適合應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，便于功能實(shí)現(xiàn)和軟件工作。MC9S08DZ60的主要功能如下：（1）程序存儲(chǔ)為FLASH結(jié)構(gòu)，方便程序更新；(2)具有E2PROM，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；(3) 采用片上存儲(chǔ)SRAM，可實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)處理方式：(4) 10

40、通道AD，12位分辨率，2. 5uS轉(zhuǎn)換時(shí)間，具有自動(dòng)比較功能；(5 1 個(gè) 6 通道 (TPM1) 和 1 個(gè) 2 通道 (TPM2；可支持輸入捕捉、輸出比較或邊沿對(duì)齊 PWM 輸出，每個(gè)通道都有緩沖；(6) 最多支持32個(gè)中斷/復(fù)位源；(7) 支持范圍從 31.25kHz 到 38.4kHz 或 1MHz 到 16MHz 的晶體或瓷諧振器：(8) I2C通信，支持總線波特率高達(dá)l00kbps，多主節(jié)點(diǎn)模式操作，可編程從地址，廣播地址，逐字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動(dòng)中斷；(9) RTC-(Real Time Clock Counter) 8 位模計(jì)數(shù)器，具有基于二進(jìn)制或十進(jìn)制的預(yù)分頻器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，使

41、用外部晶體和 RTC 確保準(zhǔn)確的時(shí)基、時(shí)間、日歷或任務(wù)調(diào)度功能，具有低功耗振蕩器（1 kHz）；(10) 支持匯編和C語言編程，軟件調(diào)試和仿真更方便靈活；(11) 低功耗空閑模式、噪聲抑制模式、省電模式、后臺(tái)調(diào)試模式；(12) 24 個(gè)中斷引腳，每個(gè)都帶有觸發(fā)極性選擇所有輸入引腳帶有電壓遲滯和可選可配置下拉器件，在所有輸入引腳上具有可配置的輸出壓擺率和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。如圖4.1圖 4.1 MC9S08DZ60 結(jié)構(gòu)圖4.2 檢測(cè)模塊4.2.1 電流檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)、信號(hào)采集電路、顯示電路和充放電控制繼電器組成。主要檢測(cè)電池工作時(shí)的電壓和電流，根據(jù)端電壓和安時(shí)電量法估算電池電量，并能根據(jù)設(shè)定條

42、件自動(dòng)切斷充放電電路。電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別通過不同的采集電路進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和轉(zhuǎn)換。單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，控制電池組的充放電過程。針對(duì)本文參數(shù)檢測(cè)與控制要求的特點(diǎn)，對(duì)于精度要求不高的測(cè)量對(duì)象，采用電阻壓降法進(jìn)行電流檢測(cè)，可以滿足要求。本文采用在充放電電路上串聯(lián)精密電阻的方法，通過測(cè)量精密電阻兩端的電壓降來測(cè)量電流信號(hào)。該電路采用一級(jí)電壓跟隨器和一級(jí)放大電路。測(cè)量關(guān)系表達(dá)式為：V 0 =(R 1 +R 2 )V in /R 1 (4.1)選擇合適的測(cè)量電阻R1和R2可以滿足電流測(cè)量的要求。電流檢測(cè)電路如圖 4.2 所示。圖 4.2 電流檢測(cè)電路4.2.2 電壓檢

43、測(cè)對(duì)于單體電池的檢測(cè)，主要采用飛跨電容技術(shù)。飛電容技術(shù)原理圖如圖1所示，為4芯電池組的保護(hù)電路圖。通過四通道開關(guān)陣列，可以將4節(jié)電池中任意一節(jié)的電壓采集到單片機(jī)中。單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的通斷，保護(hù)電池組的充放電。如圖1所示，為4芯電池組的保護(hù)電路圖。通過四通道開關(guān)陣列，可以將4節(jié)電池中任意一節(jié)的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制導(dǎo)通和關(guān)斷保護(hù)電池組充電和放電。圖 4.3 電壓檢測(cè)電路以上4個(gè)單元可以用2個(gè)三通道開關(guān)陣列來實(shí)現(xiàn)。 MAX309 是一款單芯片 4 對(duì) 1、雙通道和多通道開關(guān)。頻道選擇是通過位置選擇來實(shí)現(xiàn)的。開關(guān) S5、S6 和 S7 負(fù)責(zé)正極該端子連接到飛跨電容

44、器的正極端子。開關(guān)S2、S3、S4負(fù)責(zé)將電池的負(fù)極連接到飛跨電容的負(fù)極。三通道開關(guān)陣列的結(jié)構(gòu)與四通道開關(guān)陣列類似，但通道數(shù)量少了一個(gè)。工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出通道地址信號(hào)，將其中一節(jié)電池的正負(fù)極接電容給電容充電，然后關(guān)閉通道開關(guān)，打開跟隨器的開關(guān)放大器。單片機(jī)快速檢測(cè)電容電壓。這樣就完成了一節(jié)電池的電壓檢測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓低于2.8V，則可以推斷電池可能短路、過放，或者保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測(cè)線開路，單片機(jī)會(huì)立即發(fā)出信號(hào)切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過程，單片機(jī)完成對(duì)本模塊管理的電池的檢測(cè)。4.3 溫度采集電池的實(shí)際溫度是影響動(dòng)力電動(dòng)自行車儲(chǔ)能電池運(yùn)行的重要因素。電解液的溫度直接影響放電容量，環(huán)境溫度對(duì)

45、電池的工作性能和使用壽命影響很大。因此，在預(yù)測(cè)剩余能量時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來說，實(shí)際溫度系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)。在不同的溫度范圍內(nèi)，溫度和容量是非線性的，并且受電池使用年限的影響。環(huán)境溫度為0時(shí)，電池容量最佳。當(dāng)溫度T0時(shí)，溫度的升高會(huì)帶來容量的下降；當(dāng)溫度T0時(shí)，溫度的降低也會(huì)帶來容量的下降。為了延長電池的使用壽命，電池管理系統(tǒng)需要使電池工作在恒溫狀態(tài)，因此系統(tǒng)應(yīng)盡量多點(diǎn)測(cè)量溫度，以保證管理系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)。近年來推出的DS18B20芯片是一款采用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。采用小體積封裝（3-pin TO-92），測(cè)溫范圍55至+125，溫度分辨率高（可達(dá)0.0625），串行數(shù)字輸出溫度數(shù)

46、據(jù)，其工作power有兩種方式：1、寄生供電；2、遠(yuǎn)程引入，降低了系統(tǒng)布線的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性，適合我們多點(diǎn)測(cè)量的需要。單總線適用于單主系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。主從之間的數(shù)據(jù)交換只通過一根信號(hào)線。在單從機(jī)的情況下，系統(tǒng)可以作為單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行；在多個(gè)slave的情況下，如果4.4，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)作為多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行。圖 4.4 單母線測(cè)溫示意圖4.4 均衡充電方案常用的電池組均衡方法有分流法、飛電容均衡充電法、感應(yīng)能量轉(zhuǎn)移法等。在本系統(tǒng)中，需要更多的I/0端口來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，而單片機(jī)的I/0端口有限，所以采用了全充到單充的充電均衡方法。示意圖如圖 4.4 所示。 Q4是控制電池

47、組充滿電的開關(guān)，Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開關(guān)。以4芯鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為48V，副線圈電壓為電池額定電壓12V。開始時(shí)Q4導(dǎo)通，Q2、Q3、Q5關(guān)斷，單節(jié)電池電壓持續(xù)上升。當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)電池的電壓達(dá)到12V的額定電壓時(shí)，電壓檢測(cè)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉Q4，開啟Q2。 ，Q3，QS，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入單充階段，未充滿電的電池繼續(xù)充電，達(dá)到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測(cè)試，電壓差不會(huì)超過50 mV。圖 4.4 滿充與單充平衡原理圖通過對(duì)上述均衡充電方案的分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案基礎(chǔ)滿足要求。但是，從上面可以看出，這種均衡方案雖然簡(jiǎn)單，但也有一個(gè)致命的弱點(diǎn)。 ，在這種均衡充電

48、的研究過程中，還有很多問題需要進(jìn)一步解決：均衡充電的控制策略和均衡充電的算法。5 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)雖然電池管理系統(tǒng)在電池組中發(fā)揮著巨大的作用，但不可否認(rèn)的是，它也占據(jù)了一定的空間和成本。近年來，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，體積小、成本低的管理系統(tǒng)越來越受歡迎。電池管理系統(tǒng)理想的硬件部分只包括數(shù)據(jù)采集模塊和一些控制開關(guān)，其余的控制由軟件實(shí)現(xiàn)，因此通過增強(qiáng)軟件的設(shè)計(jì)可以只減少管理系統(tǒng)的硬件部分部分。計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算值輸出一個(gè)信號(hào)來控制開關(guān)。因此，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電壓、溫度和電流的采集是以硬件為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，而功率估計(jì)模塊和狀態(tài)管理模塊則由軟件部分處理并輸出顯示模塊。根據(jù)電動(dòng)自行車電池組管理系統(tǒng)的要求，軟件設(shè)計(jì)

49、應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：(1) 數(shù)據(jù)采集功能，包括電池組的電壓，與工作電流、電池組溫度、環(huán)境溫度有關(guān)；（2）電池的剩余電量（SOC）可以從電池的基本信息中確定；(3) 可實(shí)現(xiàn)電池充放電兩種狀態(tài)下的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能判斷故障原因；(4)實(shí)現(xiàn)CAN通訊，將電池的采集、計(jì)算、故障信息傳送到電動(dòng)自行車液晶顯示單元進(jìn)行顯示。5.1 管理體系總體流程圖電池管理系統(tǒng)的主要功能是檢測(cè)電池的電流、電壓、過流、漏電流、溫度等數(shù)據(jù)，同時(shí)估算電池在運(yùn)行過程中的剩余容量，并進(jìn)行各種錯(cuò)誤報(bào)警。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 5.1 所示。每個(gè)子模塊測(cè)量其所在電池的電芯電壓和溫度，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器。主控模塊完成電壓、電流、過

50、流、漏電流等數(shù)據(jù)測(cè)量，同時(shí)控制熱管理風(fēng)扇的啟停，并通過CAN總線將重要數(shù)據(jù)信息發(fā)送給整車控制器。5.1 電池管理系統(tǒng)總體流程圖5.2.1 主程序設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)的核心部分是電池狀態(tài)的檢測(cè)和估計(jì)。其中，SOC的估算是關(guān)鍵點(diǎn)，可以反映電池最重要的狀態(tài)和剩余電量。上面已經(jīng)詳細(xì)描述了SOC檢測(cè)信號(hào)的來源和估計(jì)方法。圖 5.2 是整個(gè)算法的框圖。圖 5.2 SOC 算法5.2.2 卡爾曼濾波程序電池剩余電量的卡爾曼濾波器估計(jì)原理之前已經(jīng)詳細(xì)介紹過，這里只給出實(shí)現(xiàn)卡爾曼算法的C語言程序。其C語言實(shí)現(xiàn)代碼如下：#include stdlib.h #include rinv.cint lman(n,m,k,f

51、,q,r,h,y,x,p,g)整數(shù)n,m,k;雙f,q,r,h,y,x,p,g; int i,j,kk,ii,l,jj,js;雙*e,*a,*b; e=malloc(m*m* sizeof ( double ); l=m;如果(ln) l=n; a=malloc(l*l* sizeof ( double ); b=malloc(l*l* sizeof ( double );對(duì)于(i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) ii=i*l+j; aii=0.0；對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) aii=aii+pi*n+kk*fj*n+kk; 對(duì)于(i=0; i=

52、n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) ii=i*n+j; pii=qii;對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) pii=pii+fi*n+kk*akk*l+j; for (ii=2; ii=k; ii+) for (i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=m-1; j+) jj=i*l+j; ajj=0.0；對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) ajj=ajj+pi*n+kk*hj*n+kk; 對(duì)于(i=0; i=m-1; i+)對(duì)于(j=0; j=m-1; j+) jj=i*m+j; ejj=rjj;對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) ejj=e

53、jj+hi*n+kk*akk*l+j; js=rinv(e,m);如果（js=0） 免費(fèi)（e）；免費(fèi)（一）；免費(fèi)（乙）；返回（js）；對(duì)于(i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=m-1; j+) jj=i*m+j; gjj=0.0；對(duì)于(kk=0; kk=m-1; kk+) gjj=gjj+ai*l+kk*ej*m+kk; 對(duì)于(i=0; i=n-1; i+) jj=(ii-1)*n+i; xjj=0.0；對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) xjj=xjj+fi*n+j*x(ii-2)*n+j; 對(duì)于(i=0; i=m-1; i+) jj=i*l; bjj=y(ii-1)*m+i

54、;對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) bjj=bjj-hi*n+j*x(ii-1)*n+j; 對(duì)于(i=0; i=n-1; i+) jj=(ii-1)*n+i;對(duì)于(j=0; j=m-1; j+) xjj=xjj+gi*m+j*bj*l; if (iik) for (i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) jj=i*l+j; ajj=0.0；對(duì)于(kk=0; kk=m-1; kk+) ajj=ajj-gi*m+kk*hkk*n+j;if (i=j) ajj=1.0+ajj; 對(duì)于(i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) jj=i*l+j

55、; bjj=0.0；對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) bjj=bjj+ai*l+kk*pkk*n+j; 對(duì)于(i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) jj=i*l+j; ajj=0.0；對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) ajj=ajj+bi*l+kk*fj*n+kk; 對(duì)于(i=0; i=n-1; i+)對(duì)于(j=0; j=n-1; j+) jj=i*n+j; pjj=qjj;對(duì)于(kk=0; kk=n-1; kk+) pjj=pjj+fi*n+kk*aj*l+kk; 免費(fèi)（e）；免費(fèi)（一）；免費(fèi)（乙）；返回（js）； 5.2.3 保護(hù)模塊流程圖

56、圖 5.4 為保護(hù)模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖。保護(hù)模塊根據(jù)采樣值判斷所有故障整定值。如果發(fā)生故障，管理系統(tǒng)關(guān)閉充放電控制開關(guān)，否則進(jìn)入平衡判斷模塊。5.3 保護(hù)模塊流程圖5.3 軟件抗干擾設(shè)計(jì)軟件抗干擾技術(shù)是在系統(tǒng)受到干擾后系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行或輸入信號(hào)受到干擾后恢復(fù)正常運(yùn)行的方法。因此，軟件抗干擾是一種被動(dòng)措施。硬件抗干擾是一種主動(dòng)措施。軟件抗干擾技術(shù)研究的主要內(nèi)容，一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上的噪聲影響；采取措施使程序重回正軌，無論是單獨(dú)使用軟件還是硬件和軟件相結(jié)合。(1) 多重采樣。一般是對(duì)三個(gè)連續(xù)的樣本進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣值進(jìn)行平均。這種方法雖然有點(diǎn)麻煩，但是抗干擾效果很好，特別是對(duì)于偶

57、爾的采樣。(2) 修改寄存器時(shí)要小心。在微控制器中，通常重要的寄存器通常放置在非易失性存儲(chǔ)器中。如果要修改重要的寄存器，需要同時(shí)具備幾個(gè)關(guān)鍵條件。(3)看門狗程序。程序運(yùn)行過程中，MCU每0.55秒清除一次外部看門狗電路。如果程序崩潰，看門狗電路會(huì)在 1.65 秒后重啟 MCU。(4) 增加軟件復(fù)位功能。當(dāng)出現(xiàn)一些不可恢復(fù)的情況時(shí)，可以先進(jìn)行復(fù)位操作，引導(dǎo)系統(tǒng)重新工作。(5)軟件設(shè)計(jì)的正確性。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件根據(jù)系統(tǒng)功能分為若干模塊，不僅編程思路清晰，不易出錯(cuò)，而且易于閱讀和調(diào)試。6 測(cè)試結(jié)果與分析在第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和第五章軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)電路原理圖制作電路板，并對(duì)系統(tǒng)功能

58、進(jìn)行初步調(diào)試。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測(cè)試使用的電池為7節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián)，容量為8Ah。下表為鋰離子電池端電壓與管理系統(tǒng)測(cè)得的電壓誤差對(duì)比表 6-1 電池端電壓與系統(tǒng)測(cè)量電壓對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，鋰離子電池管理系統(tǒng)可以進(jìn)行比較準(zhǔn)確的電壓數(shù)據(jù)采樣，電壓測(cè)量精度誤差可以降低到0.02V以下，基本滿足要求。7 結(jié)論針對(duì)鋰離子電池組日益廣泛的應(yīng)用、市場(chǎng)需求以及鏗離子電池組管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的七節(jié)電池組。適用于電動(dòng)自行車。鏗離子電池組智能管理系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所采用的理論基礎(chǔ)和重點(diǎn)，并通過大量實(shí)驗(yàn)確定了本系統(tǒng)采用的一些計(jì)算算法和實(shí)現(xiàn)

59、方法。并在上述前提下，考慮到人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中對(duì)管理系統(tǒng)的需求，確定了鉀離子電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)方案。本文參考了國外很多相關(guān)資料，成功解決了以下問題：（1）深入研究鋰離子電池串聯(lián)造成的不一致性問題，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中的多方面因素，建立電阻分流均衡電路，解決電池組不一致性問題。(2)為鋰離子電池工作時(shí)的安全設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。(3)在軟件設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)的模塊化，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序，方便了系統(tǒng)的維護(hù)和更新。通過對(duì)電壓、電流、溫度等參數(shù)的采集，采用卡爾曼算法對(duì)SOC進(jìn)行估計(jì)。(4)在整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾、PCB板的布局布線、外接電源的選擇、“看門狗”的應(yīng)用等方面，以及單片機(jī)的工作模式

60、是一種低功耗模式。(5)最后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析。步驟分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。即便如此，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間限制，該系統(tǒng)仍有進(jìn)一步完善和完善的空間。參考1 朱元，曉東，田光宇電動(dòng)汽車動(dòng)力電池SOC預(yù)測(cè)技術(shù)研究J.電力技術(shù)，2000.24(3):31-322 林成濤、全石、王俊平、黃文華等用改進(jìn)的安時(shí)測(cè)量法估算電動(dòng)汽車動(dòng)力電池3 安平，齊魯。鋰離子二次電池的應(yīng)用與發(fā)展J.大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，42：3-5。4 馬華電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)開發(fā)D.：交通大學(xué)，2006。5 董雄河電動(dòng)汽車電池管理分布式系統(tǒng)的研究與實(shí)