【正文】 的電池管理系統(tǒng)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 LongLife Battery Using Intelligent Modulare Control system(通常稱為 :SmartGuard電池管理系統(tǒng) )； 德國 Mentzer Electronic GmbH和 Wemer Retzlaff研發(fā)的 BADICOaCH電池管理系統(tǒng)和 BADIC0aCH電池管理系統(tǒng) 。該電動汽車由 26個鉛酸蓄電池串聯(lián)供電，放電深度可達 80%，電池壽命約為 450個深放電周期， 113公里市內(nèi)行駛里程 (美國環(huán)保局指標， USA EPA Schedule)， EVI的電池管理系統(tǒng)功能與特點包括 :單電池電壓監(jiān)測 。該系統(tǒng)的主要功能是 :過充電監(jiān)測與控制，電池歷史紀錄，提供最差供電電池單元的信息。 8 4. BATTNIAN系統(tǒng) BATTMAN電池管理 系統(tǒng)的最大特點是將所有的不同型號動力電池組的管理做成一個系統(tǒng)，通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來實現(xiàn)對不同型號電池組的管理。電動汽車的快速發(fā)展為與其相關(guān)的電子技術(shù)發(fā)展提供了巨大的契機。在國家 863計劃 2020年第一批立項研究課題中，就分別有北京理工大學承擔的 EQ7200HEV混合動力轎車用鎳氫動力電池組及管理模 塊、湖南神舟公司承擔的 EQ611OHEV混合動力城市公交車用大功率鎳氫動力電池及其管理模塊、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。 綜合電動車研究情況，我們發(fā)現(xiàn)各國都存在著同一個現(xiàn)象，即電池是整個電動車研究中出問題最多的部件，嚴重的甚至威脅到整車安全，大大影響了電動車的研究進程。這種情況下，這些落后的單體電池或模塊電池的性能決定著整個蓄電池組的性能，即整個電池組的性能也下降，而且由于落后電池與健康電池是串聯(lián)使用，會使健康電池的性能受到影響，縮短使用壽命，所以要及時準確的判斷出蓄電池組中落后電池。 所以，在目前情況下，大力發(fā)展電池的應用技術(shù)，尤其是發(fā)展電池管理系統(tǒng)是目前電動汽車發(fā)展的主要方向。 ℃； SOC估計精度為 6%； 電池管理系統(tǒng)的 發(fā)展趨勢 與電機、電機控制技術(shù)、電池技術(shù)相比 , BMS還不是很成熟。內(nèi)部電路復雜 ,安全性差 ,抗干擾能力要求高。因此 ,研究更具有通用性的 BMS已經(jīng)成為目前的發(fā)展方向。 而在電動汽車技術(shù)方面和國外基本在同一起跑線上。 2020 年 10 月 9 日路透社報道，全球知名電池生產(chǎn)商 Johnson Controls的負責人認為，中國將比世界其他國家更快接受電動汽車，因為中國人口眾多、而交通相對較少依賴于汽油。隨著石油 資源的緊11 缺和價格的上漲，大部分有購車意向的用戶都傾向于購買電動車，近 6000萬電動自行車用戶也希望購買小型電動汽車，改善出行質(zhì)量。 12 本章小結(jié) 面對日益枯竭的地球石油資源，電動汽車在節(jié)約能源方面又有著廣闊的發(fā)展前景和巨大優(yōu)勢 ,同時它能實現(xiàn)零排放；而其充電時間可安排在午夜進行，可最大限度地綜合利用電力資源，因為午夜后電力網(wǎng)絡使用頻率相對較低。 13 第二章 電動車蓄電池性能分析與比較 動力電池的基本術(shù)語 電動汽車用蓄電池的主要性能指標有 :容量、能量密度、功率、自放電率、循環(huán)使用壽命，蓄電池的造價等 [2] （ 1）電池的放電制度 電池的放電制度是指放電率、放電形式（恒流、變流、脈沖）、終止電壓和溫度。 （ 2）電池的容量 電池的容量是指充滿電的電池在制定條件下放電到終止電壓時輸出的電量， 蓄電池的容量一般指它的庫倫容量 ,單位 C 表示。 （ 3）電池的能量 電池的能量是指在按一定標準所規(guī)定的放電制度下，電池所輸出的電能，單位為瓦時（ W?h）或千瓦時 (kW?h). （ 4）電池的能量密度 電池的能量密度有質(zhì)量能量密度和體積能量密度之分。質(zhì)量能量密度是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位為瓦時 /千克（ W?h/kg）。對電動車而言，重點考慮比功率參數(shù)。例如電池容量為 27Ah，當充放電電流強度為 時，是指放電電流為 。 （ 7）電池的荷電狀態(tài) 和放電深度 電池的荷電狀態(tài)（ State of Charge， SOC）描述電池剩余容量占額定容 量的百分比 ，其數(shù)學表達式如下： ∫ 式中， SOC0為電池的初始 SOC； 為 t 時刻電池的工作電流，充電時為正，放電時為負 (A)； t 為充放電時間（ h）； C 為電池的額定容量（ A?h）。這些電池在后來的實際應用中都經(jīng)歷的數(shù)次結(jié)構(gòu)、工藝、材料方面的該進，性能得到大幅度提高。 在電池多年的發(fā)展 的 歷史中，出現(xiàn)了多種多樣的電池，而這其中適合于車用的并不多，主要有下面幾種。它可靠性好、原材料易得、價格便宜， 目前已經(jīng) 實現(xiàn)了大批量的生產(chǎn)，其產(chǎn)品回收較為容易 ； 比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。其發(fā)展趨勢是提高它的比能量、循環(huán)使用 壽命及快速充電性能等。 16 鎳氫電池的有點是：能量密度、功率密度均高于鉛酸電池和 NiCd 電池，循環(huán)使用壽命在實際電動汽車用電池中較高；快速充電和深度放電性能好，充放電效率高；無重金屬污染，全密封免維護。 我國有不少單位對電動車用鋰離子 電池進行研究開發(fā)。單節(jié)電池過充電壓 30V不燃燒，穿刺不爆炸。 飛輪電池 飛輪電池是 90 年代才提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪是在真空 環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高 (高達 2O0000r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。其特點是壽命長 、效率高、比能量低、放電時間短。 技術(shù)參數(shù) 鉛酸電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 工作電壓 (V) 2 比能量 (Wh/ kg) 40 50 65 105～ 140 比功率 (W/ kg) 150～ 200 190 160～ 230 200 充放電壽命 (次 ) 500～ 700 500 500 1000 自放電率 ( %/ 月 ) 3 25～ 30 30～ 35 6～ 9 有無記憶效應 有 有 有 無 有無污染 有 有 無 無 圖 21 幾種動力電池參數(shù)比較 圖 22 電動汽車中常用動力電池的性能 純電動車對電池性能要求 電動汽車使用的動力電池，與一般用電池不同，是以較長時間的中等電流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電 (用于啟動、加速或爬坡 )。 電池 要能夠?qū)崿F(xiàn)深度放電（例如 80%）而不影響其壽命，在必要時能實現(xiàn)滿負荷功率和全放電。 磷酸鐵鋰使用安全，完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，磷酸鐵鋰電池是目前全球唯一絕對安全的鋰離子電池，在高溫下的穩(wěn)定性可達 400500 ℃， 保證了電池內(nèi)在的高安全性；不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。 整個系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如 下 圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 框圖 電池能量管理系統(tǒng)的主要目的就是要最大限度地利用有限的車載能量，增加行駛里程，保護電池，延長電池使用壽命。 隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機開發(fā)手段也越來越先進，而價格卻不斷下降。 21 圖 33 芯片引腳圖 因此本系統(tǒng)采用 美國 SST 公司 的 SST89E516RD2 單片機。 在 IAP 過程中可實現(xiàn)存儲器的覆蓋，支持中斷響應。只要復位信號有效或 WDI 輸入高阻，則看門狗定時器功能就被禁止，且保持清零和不計時狀態(tài)。 在晶振電源附近加上 的濾波電容保證晶振穩(wěn)定工作， 同時為了保證頻率的可靠性我們對晶振輸出的信號 進行 進一步整形。 它的容量是 32KB。 EEPROM 可分為并行和串行兩種，但并行 EEPROM 相對容量大，速度高、讀寫方法簡單，其讀出時間與 SRAM 相當，但它的功耗大，價格高，寫入速度較慢。可在電源電壓低到 的條件下工作，等待電流和額定電流分別為 5uA 和 1mA。當為低電平時，則可以對整個存儲空間進行讀寫操作。24C64 通過控制字節(jié)來來選擇器件內(nèi)部的地址及讀操作或?qū)懖僮鳌?Ah 計量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。 阻抗法 25 電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻 (impedance 常稱交流阻抗 )和直流內(nèi)阻(resistance)之分，它們都與 SOC 有密切關(guān)系。直流內(nèi)阻的大小受計算時間段影響，若時間段短于 10ms，只有歐姆內(nèi)阻能夠檢測到；若時間段較長，內(nèi)阻將變得復雜。人工智能是以計算機為工具，通過模擬人腦的推理、設(shè)計、思考、學習等智能行為，解決和處理復雜問題的一種方法。應用于電池 SOC 估計，電池被看成動力系統(tǒng)， SOC 是系統(tǒng)的一個內(nèi)部狀態(tài)。 上面介紹了動力電池剩余電量計算的幾種常用方法，由于不同動力電池的特性及影響動力電池性能的多種因素，它們在實際應用于電動車上都存在較大的誤差。把卡爾曼濾波法法用于估計動力電池剩余容量，輸入是電池的溫度、電流、溫度、剩余容量等、輸出是工作電壓。 從電池組采樣箱到駕駛室的主電路 之間有較長的距離，干擾較為嚴重，為了防止對系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和準確性，在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，采用了如下抗干擾技術(shù)： 1）電流形式傳遞 信號。 3） DC/DC 變換器。 2）光電隔離技術(shù)。但這種卡爾曼濾波法法的方法沒有考慮到動力電池的荷電狀態(tài)受電池老化等因素的影響 ， 這種估計方法會有一定的誤差。 因為動力電池的剩余容量預測的主要難點也就在于電池的實際容量難以確定，而單純采用安時法雖能準確計量進出電池的能量，但無法確定電池充放電的原點。 f xk,uk 和 g xk,uk 都是由電池模型確定的非線性方程，在計算過程中要進行線性化。目前遺傳算法在電池性能檢測方面都有廣泛的應用，并且已經(jīng)顯示出了獨特的優(yōu)勢。內(nèi)阻法適用于放電后期電池 SOC 的估計，可與 Ah 計 量法組合使用。直流內(nèi)阻表示電池對直流電的反抗能力，等于在同一很短的時間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。對于某些電化學體系，如鋰離子電池和鉛酸電池，電池的荷電狀態(tài)與開路電壓之間有一定的近似線性關(guān)系，因此可以通過測量電池的開路電壓來預測電池和狀態(tài)的大小。 Ah 法實際上是一種基于“黑箱”原理而設(shè)計的方法，把電池看作一個整體，即“黑箱”，“黑箱”與其外部進行能量的交換，通過對進出“黑箱”的電流在時間上進行積分從而記錄“黑箱”能量的變化。 SDA 為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出復用端。 本設(shè)計采用 標準的 8 引線 S0C 封裝。 BMS 系統(tǒng)的工作周期長，需要存儲一些重要參數(shù)，這些數(shù)據(jù)要求在掉電情況下不丟失，由于需要存儲的信息量較少，并且從經(jīng)濟的角度考慮，本系統(tǒng)采用 24LC64，它是 Microchip 公司生產(chǎn)的低功耗 COMS I2C 接口串行EEPROM，具有結(jié)構(gòu)緊湊，且此接口相對簡單，硬件有寫保護功能，最高時鐘頻率可達 4OOKHz，最小的寫周期時間為 5ms。外擴 RAM 的接口電路如圖 32 所示。單片機的內(nèi)部 RAM 只有區(qū)區(qū) 256字節(jié)，所以要外接 RAM。 WDI 端的跳變會清零定時器并啟動一次新的計時周期 ，可以保證單片機正常運行。 MAX706 片內(nèi)看門狗定時器用于監(jiān)控 MCU 的活動。 與 8051 的軟件完全兼容，開發(fā)工具兼容，封裝與引腳兼容 ● 工作電壓為 ，工作頻率 040MHz ● 內(nèi)部 RAM 共有 1Kbyte(256Byte 寄存器 +768Byte 數(shù)據(jù) RAM) ● 內(nèi)含兩塊高性能 SuperFlash 存儲器（ EEPROM） 64Kbyte 的主存儲塊 +8Kbyte 的次存儲塊 用 SoftLock 可以獨立地對每個塊進行安全加鎖。而近年來很多單片機都具有了 ISP 功能，只要一根下載線即可以編程，不再需要編程器。這兩個問題一直是電池能量管理系統(tǒng)是的熱點問題，也是最復雜的兩個問題。 19 第三章 BMS 整體方案設(shè)計 系統(tǒng)的設(shè)計框架 本文所設(shè)計的電池管理系統(tǒng)是針對南昌大學研制 的純電動汽車 開發(fā)的 ，系統(tǒng)應用 于 磷酸鐵鋰動力電池 的 箱體 管理 ，該電池單體電壓 ，容量 8Ah,電池組連接方式為 3 個單體電池并聯(lián)， 45 組串聯(lián)的方式連接 ，整個電池組電壓 144V，容量為 24Ah，整車用 8 個電池組。 由于動力電池組體積和質(zhì)量大，電池箱的設(shè)計、電池的空間布置和安裝問題都需要認真研究。純電動汽車要根據(jù)設(shè)計目標、道路情況和行駛工況的不同來選配電池。超級電容的使用將減少汽車對蓄電池大電流放電的要求，達到減少蓄電池體積和延長蓄電池壽命的目的。美國飛輪系統(tǒng)公司己用最17 新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒 LHS 轎車改成電動轎車，一次充電可行駛 600km，加速到 96km/h 的時間 為 秒。放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能 (動能 )到電能的轉(zhuǎn)換。當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。以滿足電動車頻繁充放電的 需要。其安全性能與循環(huán)壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動力電池最重要的技術(shù)指標。 鋰離子 電池