【正文】 在，有很多知名高校，如清華大學、北京航空航天大學、北京交通大學、北京理工大學和北方工業(yè)大學等等，利用自己在這方面的優(yōu)勢，和一些汽車生產商和電池生產商聯(lián)合研究開發(fā)，都取得了豐碩的成果。此外，我國在十五期間成立了電動汽車的專門研究項目，通過最近幾年的努力，已經(jīng)取得很大的成就。在2005年，國家863計劃立項的第一批研究課題中，就有很多公司、研究院參與其中，而且也取得了一定的成果。但是，因為種種原因，對電池性能的了解不深入以及實驗環(huán)境的不足等等，在開發(fā)電池管理系統(tǒng)的道路上，需要我們解決的核心問題太多了，所以現(xiàn)階段的管理系統(tǒng)都不夠完善，其還有很大的上升空間。近年來，電動自行車行業(yè)發(fā)展迅速，年增長速度達到30%40%。隨著2011年對電動自行車市場的整治，電動自行車產業(yè)正面臨深度的大調整?！皳?jù)完全統(tǒng)計，19月，全國50家骨干電動自行車企業(yè)的增長只有5%，中小企業(yè)產銷量更是大幅下降?！苯K省自行車行業(yè)協(xié)會理事長陸金龍告訴本報記者，這為大企業(yè)轉變增長方式，提升技術水平帶來契機。電動自行車發(fā)展最快是從2005年開始的，企業(yè)之間的激烈競爭大大刺激了技術進步和新技術的擴散。蓄電池壽命和容量提高了35%，電機從單一的有刷有齒電機發(fā)展成為無刷高效電機，壽命提高了5倍，效率提高了近30%。2009年美國總統(tǒng)奧巴馬首次訪華時，就收到了科技部部長萬鋼贈送的電動自行車作為國禮，電動自行車是我國為數(shù)不多的具有自主知識產權的代表。而作為電動自行車的一部分，電池管理系統(tǒng)具有很重要的作用。我們知道，蓄電池是電動自行車的動力源，其性能和工作狀態(tài)對整車來說是非常重要的，電池管理系統(tǒng)的主要功能就是在即時檢測電池工作狀態(tài)的基礎上，對其剩余容量做出較為準確的估計，對故障電池做出早期預判，防止發(fā)生過沖過放等損害電池的行為，防止因為單體電池的損壞而未能及時發(fā)現(xiàn)而導致的整個電池組的壽命降低，從而降低了成本，提高使用效率?？梢?，電池管理系統(tǒng)對電動自行車而言也是不可或缺的部分。目前所涉及的電動自行車電池管理系統(tǒng)(BMS )通常包含以下功能組成部分:數(shù)據(jù)采集、剩余容量( SOC)的估算、電氣控制(充放電控制)、熱量管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信等。電池自身的性能參數(shù)雖然影響電池的壽命，但電池本身的問題不在電池管理的范圍之內。借助電池管理系統(tǒng)(BMS )判斷單體電池與電池組的狀態(tài)?？梢詢?yōu)化電池的外部參數(shù)，最終增加電池的壽命，起到保護電池的作用。從1997年升始，日本青森工業(yè)研究中心仍在繼續(xù)進行（BMS）實際應用的研究:美國Villanova大學和SNanocorp公司己經(jīng)合作多年對各種類型的電池SOC進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納入技術開發(fā)的重點。例如，法國所設計研發(fā)的電池管理系統(tǒng)功能相當?shù)耐晟疲梢员ＷC電池處在正常狀態(tài)下，防止其進入損害狀態(tài)，最大程度的提高使用效率和延長使用壽命。德國西門子公司自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)，能夠最大程度的提高充電效率，節(jié)省了充電時間而且最大限度地節(jié)約了電能。 隨著近年來電動汽車研究和使用的不斷升溫，國外一些大的汽車生產商和電池供應商針對各種類型的電池作了大量的試驗及研究，總結出電池的數(shù)學模型，并成功開發(fā)出許多電池管理系統(tǒng)，并裝車試用。比較有代表性的有:德國Meltzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設計的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)。德國的B. Hauck設計的BATTMAN系統(tǒng)。美國通用汽車公司生產的電動汽車EVI上的電池管理系統(tǒng)。美國Aerovironment公司開發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)( Battery Using Intelligent ModularControl System)。美國ACPropulsion公司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。日本豐田的混合車用系統(tǒng)等等。我國的BMS研究從開始至今，雖然相比美國、日本還差距很大，成果卻也比較顯著。在國家863計劃2005年第一批立項研究課題中，就分別有北京理工大學承擔的混合動力轎車（EQ7200HEV）用鎳氫動力電池組及管理模塊、蘇州星恒電源有限公司承擔的燃料電池轎車用高功率型鋰離子動力電池組及其管理系統(tǒng)、北京有色金屬總院承擔的解放牌混合動力城市客車用鋰離子電池及管理模塊等課題。像比亞迪、奇瑞、哈飛、上汽都在研發(fā)自己的電池管理系統(tǒng)，爭相開拓電動汽車市場?？傮w來講，電池管理系統(tǒng)(BMS)與電機、電機控制技術、電池技術相比，還不是很成熟。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車最關鍵的技術之一，在近年來雖然有很大的提高，很多方面都己經(jīng)進入實際應用階段，但有些部分仍然不夠完善，尤其是在采集數(shù)據(jù)的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。本課題的主要目的是純電動自行車的研制，研制適用于純電動自行車的電池管理系統(tǒng)。實現(xiàn)對電池電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)進行采集，剩余電量計算，電池狀態(tài)檢測，通信等功能的BMS系統(tǒng)。2 電池管理系統(tǒng)總體設計鎳鎘電池: 鎳鎘蓄電池過充電時，將使電池內發(fā)生分解水的反應，在正、負極板上將分別有氧氣和氫氣析出。氣泡聚集在極板表面，將減小極板表面參與化學反應的面積并且增加電池的內阻。鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電荷量。比如，鎳鎘電池只放出80％ 的電荷量后就開始充電，充足電后，該電池也只能放出原來80％ 的電量，這種現(xiàn)象稱為“記憶效應”。鎳氫電池: 鎳氫電池的容量比鎳鎘電池大，一般為兩倍左右，其正極的主要成分為氫氧化鎳，負極主要為無污染物質的合金粉，電解液是30％ 氫氧化鉀水溶液。鎳氫電池的反應與鎳鎘電池相似，過充電時，正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。但由于有催化劑的氫電極面積大，氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，所以氫氣和氧氣能夠相對容易的在蓄電池內部再化合生成水，使容器內的氣體壓力基本保持不變。雖然如此，長時間過充后，電池內氣壓過高，就可能會爆炸。鎳氫電池也有記憶效應，但棚對鎳鎘電池較小。鋰離子電池: 鋰離子電池與鎳鎘電池和鎳氫電池相比，有很多優(yōu)點。鋰離子電池不存在記憶效應；相同的電容量下，體積非常??； V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍；可使用的溫度范圍廣（一20℃ ～60℃），而鎳氫電池為（0℃～50℃）。同時鋰離子電池的自放電率也比較低。自放電率，是指在一段時間內，電池在沒有使用的情況下，自動損失的電量占總容量的百分比。一般在常溫下，鎳鎘電池的自放電率為每月13％ ～l5%，鎳氫電池為每月25%～35％ ，而鋰離子電池只有每月5%～8%.不同溫度和電池充飽狀態(tài)，對其影響不同， 通過考察發(fā)現(xiàn)，目前的電動自行車車載電池基本沒有管理系統(tǒng)，這種情況對于鎳鎘電池和鎳氫電池來說還基本可以，但是對鋰離子電池來說，這是絕對不行的。因為鋰離子電池在過放電、過充電、過電流或過溫度的狀態(tài)下會嚴重的損壞，甚至會出現(xiàn)爆炸等安全性問題。 本文所研制的新一代適用于電動自行車的鋰電池管理系統(tǒng)，必須具備以下功能: (1)對電池運行時的實時數(shù)據(jù)進行采集，包括單體電壓、電池組總電壓、溫度、充放電電流。 (2)電池充放電過程管理:即實時監(jiān)控電池充放電時的溫度、電壓、電流等參數(shù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時及時斷開充放電電路。 (3)剩余電量估算及顯示。 (4)電池故障診斷:依據(jù)所測單個電池溫度、電壓等參數(shù)對比其正常參數(shù)范圍作出診斷處理。(5)安全、可靠、抗干擾能力強。從充放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。充電時鋰離子從正極材料的晶格中脫出，經(jīng)過電解液后嵌入到負極材料的層狀晶格中:放電時鋰離子從負極材料的晶格中脫出，經(jīng)過電解液后嵌入到正極材料的晶格中。在充放電過程中，鋰離子在正極和負極來回移動。(1)容量。電池容量是指在一定放電條件下，可以從電池獲得的電量，即電流對時間的積分，一般用mAh或Ah來表示，它直接影響到電池的最大工作電流和工作時間。(2)放電特性和內阻。電池的放電特性是指電池在一定的放電制度下，其工作電壓的乎穩(wěn)性，電壓平臺的高低以及大電流放電性能等，它表明電池帶負載的能力。電池內阻包括歐姆電阻和電化學電阻，大電流放電時，內阻對放電特性的影響尤為明顯。(3)工作溫度范圍。用電器具的工作環(huán)境和使用條件要求電池在特定的溫度范圍內有良好的性能。(4)貯存性能。電池貯存一段時間后，會因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導致電池自放電，電解液泄漏，電池短路等。(5)循環(huán)壽命(二次電池)。循環(huán)壽命是指二次電池按照一定的制度進行充放電，其性能衰減到某一程度時的循環(huán)次數(shù)。(6)內壓和耐過充電性能(二次電池)。對于密封的鋰離子電池，大電流充電過程中電池內壓能否達到平衡，平衡壓力的高低，電池耐大電流過充性能等都是衡量電池性能優(yōu)劣的重要指標，如果電池內部壓力達不到平衡或平衡壓力過高，就會使電池限壓裝置開啟而引起電池泄氣或漏液，從而很快導致電池失效。如果限壓裝置失敗，則有可能會引起電池殼體開裂或爆炸。 (1)可靠性:系統(tǒng)的可靠性必須放在首位，必須能夠保證系統(tǒng)長時間可靠的工作。 (2)先進性:采用了先進的計算機技術，如freescal。的MC9S08D216單片機和Code Warrior編程環(huán)境。 (3)經(jīng)濟性:既要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也得考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性，選擇合適的硬件以及配置。 (4)準確性和完整性:系統(tǒng)的最終目的是將電池在運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集出來，便于我們對電池進行監(jiān)控，防止意外的發(fā)生，因而采集的數(shù)據(jù)的不完整或者不準確都可能造成不可估計的后果。 (5)安全性:在確保系統(tǒng)以上特性的同時，我們還必須保證系統(tǒng)運行時的安全性問題。 本文所設計的管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊(電流、電壓及溫度的采集)、電路保護模塊、電量計算及顯示模塊、均衡充電模塊。系統(tǒng)結構框圖如圖21所示:圖21系統(tǒng)總體結構框圖 其中數(shù)據(jù)采集模塊分為電壓采集、電流采集和溫度采集，主要負責采集電池的各種即時狀態(tài)參數(shù)，即電流、電壓、溫度。均衡充電模塊只在充電的時候通過MOSEET管的開關對單個電池進行均衡充電，使電池組中的每個電池更加均衡一致。電量計算及顯示模塊主要是通過分析采集的參數(shù)并根據(jù)研究試驗得出的電量估測算法，對電池的當前剩余電量進行估算，并通過三個LED燈的閃亮個數(shù)來顯示電池的剩余容量。 綜上所述，本文設計了一套鋰離子電池的數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，經(jīng)過分析以及大量的實驗表明，能夠在實際中應用?；诒鞠到y(tǒng)的使用范圍是電動自行車，所以本設計的硬件電路既要簡單又必須穩(wěn)定可靠，所以對原有管理系統(tǒng)的硬件電路進行了改造，包括電壓采集電路、電流采集電路等，而且又在原有系統(tǒng)功能的基礎上，添加了另外一項功能，即均衡充電。3 SOC算法 SOC定義 對于二次電池來說，電池在充電和放電的工作過程中，電池的端電壓、電池的內阻等特征參數(shù)會隨著電池的剩余容量變化而發(fā)生具有某些規(guī)律的變化。因此在某些簡單放電工況或者對剩余容量估算要求不高的場合，可以利用電池的端電壓等參數(shù)來表征蓄電池的剩余容量，目前市場上絕大多數(shù)的電動自行車就是利用電池的端電壓來表征電池的剩余容量的。為了更加準確而科學地表征電動汽車電池的剩余容量，通常用荷電狀態(tài)來表征，即SOC(State Of Charge)，它是表征電池的剩余容量狀態(tài)的重要參數(shù)，SOC不能直接從電池本身獲得，而只能通過測量電池組的外特性參數(shù)(例如:電壓、電流、內阻、溫度、老化程度等)間接獲得。準確估算蓄電池的SOC是一項重要而富有挑戰(zhàn)性的任務，實時準確地獲得電池組的SOC是設計電池管理系統(tǒng)的重要前提。 目前應用的各種電池組SOC實時在線估算方法都存在缺陷，不能達到實際使用的要求。這主要是因為電池組的SOC和很多因素相關(如溫度、前一時刻充放電狀態(tài)、極化效應、電池壽命等)，而且具有很強的非線性，給SOC實時在線估算帶來很大的困難。要想提高SOC實時在線估算的精度，需要在測量手段、電池模型和估算算法等方面進行深入細致研究。目前電動車上較多的使用電池荷電狀態(tài)估算方法。如果用單一算法法來估算電池荷電狀態(tài)，因為其局限性，必定存在一些問題。單獨使用任何一種算法估算SOC都存在不可避免的缺陷，很難單獨應用在實時在線測量環(huán)境，因此需要綜合考慮各個方面的因素，得到一種最優(yōu)算法:利用安時積分計算動態(tài)過程中SOC的變化量，結合開路電壓和零負載電壓修正電流積分造成的累計誤差。同時為了獲得SOC的最小均方差估算值，將卡爾曼濾波器應用到估算算法中。 SOC的估算方法Ah積分法是最常用的SOC估計方法。如果充放電起始狀態(tài)記為SOC0,那么當前狀態(tài)的SOC為： Ah積分法應用中若電流測量不準，將造成SOC計算誤差，長期積累，誤差越來越大；要考慮電池充放電效率；在高溫狀態(tài)和電流波動劇烈的情況下，誤差較大；電流測量可通過使用高性能電流傳感器解決，但成本增加；解決電池充放電效率要通過事前大量實驗，建立電池充放電效率經(jīng)驗公式。Ah積分法可用于所有電動汽車電池，若電流測量準確，有足夠的估計起始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，它是一種簡單、可靠的SOC估計方法。相對于開路電壓法的長期存放或靜置來獲取開路電壓，安時積分法更加可靠。開路電壓法是利用電池的開路電壓與電池的荷電狀態(tài)之間的對應的關系，通過測量電池的開路電壓來估計SOC的。，U（t)和I(t)分別為電池端電壓及輸出電流，電阻R0用來描述電池歐姆內阻，RC1和RC2用來描述電的極化效應。時問常數(shù)較小的R1C1環(huán)節(jié)描述鋰離子電極間傳輸時受到的阻抗，時問常數(shù)較大的R2C2環(huán)節(jié)來描述鋰離子電極材料中擴散時受到的阻抗。C0用來描述電池的容量，對應為電池的SOC，它與電池開路電壓之問的關系由圖1曲線描述。 電池等效電路模型在放電前電池充分靜置，可認為電容沒有電荷，零狀態(tài)、零輸入電壓響應分別為： （） （） U01,U02,T1,T2為待定系數(shù)，根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件中