【正文】 在，有很多知名高校，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京交通大學(xué)、北京理工大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)等等，利用自己在這方面的優(yōu)勢，和一些汽車生產(chǎn)商和電池生產(chǎn)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(xiàng)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(jì)劃立項(xiàng)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?yàn)榉N種原因，對電池性能的了解不深入以及實(shí)驗(yàn)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(dá)到30%40%。隨著2011年對電動自行車市場的整治，電動自行車產(chǎn)業(yè)正面臨深度的大調(diào)整?！皳?jù)完全統(tǒng)計(jì)，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(chǎn)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(bào)記者，這為大企業(yè)轉(zhuǎn)變增長方式，提升技術(shù)水平帶來契機(jī)。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(shù)進(jìn)步和新技術(shù)的擴(kuò)散。蓄電池壽命和容量提高了35%，電機(jī)從單一的有刷有齒電機(jī)發(fā)展成為無刷高效電機(jī)，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(shí)，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(chǎn)權(quán)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(shí)檢測電池工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對其剩余容量做出較為準(zhǔn)確的估計(jì)，對故障電池做出早期預(yù)判，防止發(fā)生過沖過放等損害電池的行為，防止因?yàn)閱误w電池的損壞而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致的整個(gè)電池組的壽命降低，從而降低了成本，提高使用效率。可見，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(nèi)。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(hù)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(jìn)行（BMS）實(shí)際應(yīng)用的研究:美國Villanova大學(xué)和SNanocorp公司己經(jīng)合作多年對各種類型的電池SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測。豐田、本田以及通用汽車公司等都把BMS納入技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。例如，法國所設(shè)計(jì)研發(fā)的電池管理系統(tǒng)功能相當(dāng)?shù)耐晟疲梢员ＷC電池處在正常狀態(tài)下，防止其進(jìn)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(shí)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(chǎn)商和電池供應(yīng)商針對各種類型的電池作了大量的試驗(yàn)及研究，總結(jié)出電池的數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)。德國的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(jì)劃2005年第一批立項(xiàng)研究課題中，就分別有北京理工大學(xué)承擔(dān)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(dān)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(dān)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(jī)、電機(jī)控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，還不是很成熟。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，在近年來雖然有很大的提高，很多方面都己經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)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(jìn)一步改進(jìn)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(shí)現(xiàn)對電池電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，剩余電量計(jì)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(shè)計(jì)鎳鎘電池: 鎳鎘蓄電池過充電時(shí)，將使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng)，在正、負(fù)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(xué)反應(yīng)的面積并且增加電池的內(nèi)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(shí)，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(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，其正極的主要成分為氫氧化鎳，負(fù)極主要為無污染物質(zhì)的合金粉，電解液是30％ 氫氧化鉀水溶液。鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，過充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)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(shí)擴(kuò)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(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力基本保持不變。雖然如此，長時(shí)間過充后，電池內(nèi)氣壓過高，就可能會爆炸。鎳氫電池也有記憶效應(yīng)，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(diǎn)。鋰離子電池不存在記憶效應(yīng)；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(shí)鋰離子電池的自放電率也比較低。自放電率，是指在一段時(shí)間內(nèi)，電池在沒有使用的情況下，自動損失的電量占總?cè)萘康陌俜直?。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?yàn)殇囯x子電池在過放電、過充電、過電流或過溫度的狀態(tài)下會嚴(yán)重的損壞，甚至?xí)霈F(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(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控電池充放電時(shí)的溫度、電壓、電流等參數(shù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)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(gè)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(qiáng)。從充放電反應(yīng)的可逆性看，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，經(jīng)過電解液后嵌入到負(fù)極材料的層狀晶格中:放電時(shí)鋰離子從負(fù)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(fù)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(shí)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(shí)間。(2)放電特性和內(nèi)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(fù)載的能力。電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和電化學(xué)電阻，大電流放電時(shí)，內(nèi)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(nèi)有良好的性能。(4)貯存性能。電池貯存一段時(shí)間后，會因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導(dǎo)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(jìn)行充放電，其性能衰減到某一程度時(shí)的循環(huán)次數(shù)。(6)內(nèi)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(nèi)壓能否達(dá)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(biāo)，如果電池內(nèi)部壓力達(dá)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(dǎo)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(shí)間可靠的工作。 (2)先進(jìn)性:采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如freescal。的MC9S08D216單片機(jī)和Code Warrior編程環(huán)境。 (3)經(jīng)濟(jì)性:既要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也得考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的硬件以及配置。 (4)準(zhǔn)確性和完整性:系統(tǒng)的最終目的是將電池在運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集出來，便于我們對電池進(jìn)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(zhǔn)確都可能造成不可估計(jì)的后果。 (5)安全性:在確保系統(tǒng)以上特性的同時(shí)，我們還必須保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全性問題。 本文所設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊(電流、電壓及溫度的采集)、電路保護(hù)模塊、電量計(jì)算及顯示模塊、均衡充電模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示:圖21系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)采集電池的各種即時(shí)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(shí)候通過MOSEET管的開關(guān)對單個(gè)電池進(jìn)行均衡充電，使電池組中的每個(gè)電池更加均衡一致。電量計(jì)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(yàn)得出的電量估測算法，對電池的當(dāng)前剩余電量進(jìn)行估算，并通過三個(gè)LED燈的閃亮個(gè)數(shù)來顯示電池的剩余容量。 綜上所述，本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)表明，能夠在實(shí)際中應(yīng)用。基于本系統(tǒng)的使用范圍是電動自行車，所以本設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǔ)上，添加了另外一項(xiàng)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(nèi)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(zhǔn)確而科學(xué)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(nèi)阻、溫度、老化程度等)間接獲得。準(zhǔn)確估算蓄電池的SOC是一項(xiàng)重要而富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得電池組的SOC是設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)的重要前提。 目前應(yīng)用的各種電池組SOC實(shí)時(shí)在線估算方法都存在缺陷，不能達(dá)到實(shí)際使用的要求。這主要是因?yàn)殡姵亟M的SOC和很多因素相關(guān)(如溫度、前一時(shí)刻充放電狀態(tài)、極化效應(yīng)、電池壽命等)，而且具有很強(qiáng)的非線性，給SOC實(shí)時(shí)在線估算帶來很大的困難。要想提高SOC實(shí)時(shí)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(jìn)行深入細(xì)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?yàn)槠渚窒扌?，必定存在一些問題。單獨(dú)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(dú)應(yīng)用在實(shí)時(shí)在線測量環(huán)境，因此需要綜合考慮各個(gè)方面的因素，得到一種最優(yōu)算法:利用安時(shí)積分計(jì)算動態(tài)過程中SOC的變化量，結(jié)合開路電壓和零負(fù)載電壓修正電流積分造成的累計(jì)誤差。同時(shí)為了獲得SOC的最小均方差估算值，將卡爾曼濾波器應(yīng)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(jì)方法。如果充放電起始狀態(tài)記為SOC0,那么當(dāng)前狀態(tài)的SOC為： Ah積分法應(yīng)用中若電流測量不準(zhǔn)，將造成SOC計(jì)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(shí)驗(yàn)，建立電池充放電效率經(jīng)驗(yàn)公式。Ah積分法可用于所有電動汽車電池，若電流測量準(zhǔn)確，有足夠的估計(jì)起始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，它是一種簡單、可靠的SOC估計(jì)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(shí)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(yīng)的關(guān)系，通過測量電池的開路電壓來估計(jì)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(nèi)阻，RC1和RC2用來描述電的極化效應(yīng)。時(shí)問常數(shù)較小的R1C1環(huán)節(jié)描述鋰離子電極間傳輸時(shí)受到的阻抗，時(shí)問常數(shù)較大的R2C2環(huán)節(jié)來描述鋰離子電極材料中擴(kuò)散時(shí)受到的阻抗。C0用來描述電池的容量，對應(yīng)為電池的SOC，它與電池開路電壓之問的關(guān)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(rèn)為電容沒有電荷，零狀態(tài)、零輸入電壓響應(yīng)分別為： （） （） U01,U02,T1,T2為待定系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件中