【正文】 汽車用電池管理系統(tǒng)，其主要功能主要包括防止電池過放充電、電池組熱管理、基于模糊專家系統(tǒng)的剩余電量估計(jì)、用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)電池。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前世界各國(guó)都在大力研制電動(dòng)汽車 。電動(dòng)汽車是解決這一系列難題的一個(gè)好的出路，它有這么 三 大突出的優(yōu)點(diǎn)，第一 ， 電動(dòng)汽車?yán)玫碾娔?，電能來源廣泛，有火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等發(fā)電方式；第二 ， 電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境的污染非常小 ，噪音小，非常的環(huán)保 ；第三電動(dòng)汽車的能源利用率高，正符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的政策， 。 當(dāng)前電動(dòng)汽車的研究已經(jīng)得到了越來越多的國(guó)家的歡迎和重視，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，電動(dòng)汽車必將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景，我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車的研究表較早，很 多大學(xué)和汽車公司已經(jīng)研制出了很多類型的電動(dòng)汽車，成果頗豐，我們學(xué)校為淄博市就研制出了一輛電動(dòng)公交車，汽車上印著 “山東理工大學(xué)” 的名字呢，這也是我們學(xué)老師研究出來的成果， 作為學(xué)校的一員同感榮幸 。 下面介紹幾種典型的電池管理系統(tǒng)。 （ 2）韓國(guó)大宇公司 DEV55電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng) 該電池管理系統(tǒng)的主要功能有：數(shù)據(jù)采集、優(yōu)化充電、 SOC 估計(jì)與顯示、安全管理、能量管理、電池管理和故障診斷功能。系統(tǒng) 裝置可以監(jiān)控 電池的運(yùn)行狀態(tài)、 估量電池的 剩余電量、 對(duì)使用過程中出現(xiàn)的 故障 進(jìn)行 早期 的診斷和 充電。電池能量管理系統(tǒng)主要包括：電池狀態(tài)估計(jì)、數(shù)據(jù)采集、熱管理、安全管理、能量管理和通信功能。 （ 3）能量管理 在能量管理中，電壓、溫度、電流、 SOC、 SOH 等作為輸入完成這些功能，控制充電過程，用 SOC， SOH 和溫度限制電源系統(tǒng)輸入、輸出功率。 （ 6）通 信功能 電池管理系統(tǒng)與車載設(shè)備設(shè)備的通信是 BMS 的重要功能之一，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，可以采用不同的通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如： PWM 信號(hào)、模擬信號(hào)、 CAN 總線或 I178。系統(tǒng)計(jì)算此時(shí)充電機(jī)應(yīng)當(dāng)采取何種充電方式給電池充電才能達(dá)到給點(diǎn)吃充足，性能好的電池不能過充，而性能差的電池又能充足，保證整車能量的供應(yīng)。 管理系統(tǒng)（ BMS）主要有以下幾部分組成：數(shù)據(jù)采集單元（采集模塊）、中央處理單元（主控模塊）、顯示單元、均衡單元檢測(cè)部件（電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測(cè)）、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等組成。 本論文的主要內(nèi)容 本課題是電動(dòng)公交車充電管理系統(tǒng)的一部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)充電進(jìn)行管理和控制。本課題串聯(lián) 384 節(jié) DC 容量 為 300Ah 鎳氫電池，本課題實(shí)現(xiàn)了 BMS 控制器對(duì)電池電壓、電流、溫度參數(shù)進(jìn)行采集， 根據(jù)用戶選定的充電模式發(fā)出充電電流和電壓的指令給充電樁， 為 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)完整的電池管理系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)和軟硬件平臺(tái)。所有的電池管理系統(tǒng)都是針對(duì)一種電池甚至是一個(gè)品牌一個(gè)型號(hào)的電池而言的。 （ 4）負(fù)載電壓：電池兩端接上負(fù)載 R 放電過程中的電壓，其數(shù)值就是電動(dòng)勢(shì)減去電池內(nèi)阻兩端的電壓，即 U=EI*R。 （ 4）比能量：電池組單位質(zhì)量輸出的能量，單位是 Wh? /kg 。 （ 4）標(biāo)稱容量：鑒別電池適當(dāng)?shù)慕浦?。 （ 2） 時(shí)間率：指電池以某種電流強(qiáng)度放電放完額定容量序言的放電時(shí)間。電池放電時(shí)因?yàn)殡姵貎?nèi)阻的作用端電壓會(huì)低于開路電壓和電動(dòng)勢(shì)，充電的時(shí)候充電的端電壓高于開路電壓和電動(dòng)勢(shì)。 鎳氫電池 鎳氫電池屬于堿性電池，它的許多基本特性和鎳鎘電池相似，但它不存在重金屬污染問題，被稱作“綠色電池”。 鎳氫電池正極活性物質(zhì)是 NiOOh（放電時(shí)）和 Ni（ OH） 2（充電時(shí)），負(fù)極的活性物質(zhì)是 H2（放電時(shí)）和 H2O(充電時(shí) )，電解質(zhì)一般采用 KOH 堿性水溶液，鎳氫電池的充放電時(shí)的正極、負(fù)極化學(xué)反應(yīng)和總反應(yīng)方程如下： 正極反應(yīng) Ni（ OH） 2+OH→ NiOOH+H2O+e 負(fù)極反應(yīng) M+H2O+e→ MHx+OH 總反應(yīng) M+Ni（ OH） 2→ MHx+NiOOH 目前鎳氫電池所能達(dá)到的指標(biāo)性能是：?jiǎn)误w電池的電壓為 ；功率密度是160～ 500W/kg。 鎳氫電池的缺點(diǎn)有：成本很高是相同容量電池價(jià)格 的 5至 8 倍，自放電損害比較大，而且它的單體電池的電壓低對(duì)環(huán)境溫度敏感，此外電池組熱管理任務(wù)重。 以 下是 幾種 比較安全有效的 充電方式。該充電法把電流與 電動(dòng)勢(shì) 相關(guān)到 了起來，但是電池 的 電動(dòng)勢(shì)是電池 里面的 物理和化學(xué) 變 化 的反映，所以 該 方法 用來 充電是 非常好的，于電池 恒流充電來說 會(huì) 有更多的優(yōu)點(diǎn)。恒流充電法控制 起來很 簡(jiǎn)單，因?yàn)殡姵氐?接受能力 會(huì)因?yàn)?充電過程的 繼續(xù) 會(huì) 慢慢減小的 ，等到了充電 快要結(jié)束的時(shí)候， 充電電流 的主要用處變成了 電解水 ，會(huì)出現(xiàn)很多氣泡 ，影響電池使用狀態(tài)和壽命， 所以一般選 階段充電 的方 法。 為給 蓄電池組 在 放電過程結(jié)束后給 它內(nèi)部的 化學(xué)物質(zhì)一個(gè)恢復(fù)過程， 這個(gè)時(shí)候需要 以 某種中程度上相對(duì)來說較 小的電流 來給電池 充電， 在它的 端電壓 增達(dá)到某一數(shù)值后 ，然后用恒壓恒流充電方 法采用 大電流 來給電池 充電， 即為 涓流充電。 起始階段 ，電流 值保持不變對(duì)電池進(jìn)行 充電 一直充電到設(shè)定好 的電壓值， 過了此階段后換成以 恒 定 電壓 值充完電池內(nèi)剩下的空間 。 分階段充電方法能夠把排氣量將之至低狀態(tài) ， 由于它是 快速充電， 所以該法的使用會(huì)有一些限制 。 這種充電方法使電池的充電更加合理電池有 足夠的時(shí)間發(fā)生內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng) ， 內(nèi)部氣體產(chǎn)生量大大減少 ， 同時(shí)也增大了電池對(duì)電流的認(rèn)可度 。 在最后的充電階段選擇 恒壓的方法給電池供給能量 ， 在電池的電量過度充滿后 ， 把它的狀態(tài)最大限度的回到狀態(tài)經(jīng)過間斷式充電，在休息時(shí)間內(nèi)它內(nèi)部的產(chǎn)生的氣體反應(yīng)而消耗掉，從而解決了氣體在其內(nèi)部過度積攢而導(dǎo)致壓強(qiáng)增大的問題，這樣也同時(shí)保護(hù)了電池健康狀態(tài)，延長(zhǎng)了電池的使用壽命 。 這種充電模式與上一種模式區(qū)別在于起始充電的時(shí)候恒值電流變成了恒值電壓 。 再給電池充電過程中的要求是確保以大電流迅速地給電池補(bǔ)充電量，在短時(shí)間內(nèi) 充滿多少電量就要提供至少多大的電流，這就是要重點(diǎn)研究的問題，要充分考慮到電池的承受電流，不能超過這一數(shù)值，否則電池就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)，不利于安全充電，按照鎳氫電池的相關(guān)數(shù)據(jù)做好充電的相關(guān)策略，在安全充電的情況 下大電流給電池迅速充電。多段段恒流充電的每段恒流充電電流波形由一組脈沖波形組成，整個(gè)波形逼近蓄電池可接受充電電流曲線。 在 Ah 計(jì)量法 中會(huì)遇到的 問題： 量取的 電流值 誤差大不精確 ，會(huì)導(dǎo)致 SOC的 計(jì)算 值 出現(xiàn) 偏差 ，而且 誤差 會(huì) 隨著不停地積累 使 誤差變得 越來越大，電流波動(dòng)較大 和溫 度特高的 狀態(tài)下 都會(huì)使 誤差 變得 很大 很大， 可以利用 高性能電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量， 不過這種方法花錢要多一些 ，通 過大量 的 實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)測(cè)量電池的充電 的 效率， 這樣就可以找出電池有關(guān)它的充 電效率的 實(shí)用 公式。時(shí)間段會(huì)影響直流電阻的數(shù)值，如果時(shí)間段不到 10 毫秒，那么這個(gè)時(shí)候僅能使用歐姆電阻才可以檢測(cè)到；如果時(shí)間段很長(zhǎng)內(nèi)阻的測(cè)量計(jì)算就會(huì)特變復(fù)雜， 很難測(cè)得 單體電池電阻的精確值，直流法測(cè)量電池內(nèi)阻的弊端就在這里，這個(gè)方法比較適合于在電池的放電的后期估測(cè) SOC 的 數(shù)值。估計(jì)出現(xiàn)的偏差相當(dāng)一部分來源于處理的數(shù)據(jù)和方法。 在電池的不一致顯現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)，經(jīng)檢驗(yàn)我們可以從兩個(gè)方面來決定要不要啟動(dòng)這種充電模式，第一個(gè)是電池組將要充滿電的時(shí)候根據(jù)各單體電壓之間的差距來判斷是否需要均充，第二個(gè)是在充滿電的時(shí)候電池的電壓和電流是不是都達(dá)到規(guī)定值。 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 CAN 通信 數(shù)據(jù)通信是 BMS 的重要組成部分，目前在汽車上的 BMS 中數(shù)據(jù)通信方式主要采用 CAN 總線通信方式， 一般要求電源系統(tǒng)與充電機(jī)采用 CAN 總線方式進(jìn)行通信 ， CAN 總線是一種有效支持實(shí)時(shí)控制或分布式控制的串 行通信網(wǎng)絡(luò)，在電磁干擾環(huán)境下它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，而且硬件成本還比較低。 集中式結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)采集單元和中央控制單元等形成整個(gè)電源系統(tǒng)的管理單元，對(duì)電源系統(tǒng)的基本信息如電流、電壓、溫度進(jìn)行采樣 ，再在 BMS 中心處理器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算、判斷和相應(yīng)的控制。 集成式是采用大量電池管理芯片進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，現(xiàn)在有很多電池管理芯片，DS2438 芯片檢測(cè)電池實(shí)時(shí)所有狀態(tài)，例如充電狀態(tài)中的電壓、溫度、時(shí)間、剩余電量等，它可以自動(dòng)地采集這些數(shù)據(jù)然后在儲(chǔ)存起來，利用數(shù)據(jù)線與控制器通信，利用芯片設(shè)計(jì)電路會(huì)變得更簡(jiǎn)單，避免了算法的設(shè)計(jì)，但是它也有弊端算法固定從而導(dǎo)致靈活性差。 和 SOH的預(yù)測(cè) 本電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)靈活，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)多種算法，例如，開路電壓法。放電電流對(duì)于 SOC 估測(cè)的影響最大，其次是溫度，再然后就是自放電，在一樣的條件下放電電流大放出的電量就會(huì) 很小，因此要修正不同放電電流的剩余量，把標(biāo)準(zhǔn)溫度下一定電流的剩余容量定義為剩余容量，其實(shí)就是利用一個(gè)電流參考標(biāo)準(zhǔn)來 計(jì)算剩余容量。標(biāo)準(zhǔn)條件下蓄電池從充滿電再放電一直到規(guī)定的截止電壓為止所放出的電量與電池的標(biāo)稱的容量之比值就得到 SOH， MNCSOH C? ，這里0tM tC Kidt?? ，電池充滿電后再放完后放出的電量， K 是電流修正系數(shù)。 充電電流的大小是由外部的充電機(jī)來控制的，要在安全的充電范圍內(nèi)充電，過電流的時(shí)候ＤＳＰ主控芯片會(huì)程序控制斷開連接。 ，芯片上 自身帶有很多模塊，例如 SCI 通訊模塊、 CAN 收發(fā)模塊、SPI 通訊模塊、 AD 采樣模塊，同時(shí)還有事件管理器模塊和很多 IO口。 系統(tǒng) 輔助 電源 由開關(guān)電源給本電池管理系統(tǒng)提供電壓， DSP 主控制芯片需要的供電電壓為，開關(guān)電源提供的電壓有 +5V,+15V 和 15V，所以要想給 DSP 提供電源就需要把 5V 電源轉(zhuǎn)換成 ，元器件芯片 TPS7333 可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換功能，如圖所示。 復(fù)位電路 復(fù)位電路有上電復(fù)位和下電復(fù)位，掉電的時(shí)候二極管給電容提供了一個(gè)放電通道，在此情況下電容很快就會(huì)放完電，目的是為了確保在反復(fù)上電的時(shí)候準(zhǔn)確的復(fù)位。 因?yàn)殡姵毓芾硐到y(tǒng)的工作時(shí)間長(zhǎng)，要對(duì)很多數(shù)據(jù)進(jìn)行保存例如充電電壓、充電電流、充電時(shí)間、充電的電量等，當(dāng)斷電的時(shí)候要保存好這些數(shù)據(jù)，因?yàn)殡妷骸㈦娏鳌? 仿真器和 JTAG 接口 與單片機(jī)的仿真器不一樣，在 DSP 內(nèi)沒有，但是可以由 IE標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口與 DSP 開展仿真， 因此它 一定要有去仿真的對(duì)象和目標(biāo)系統(tǒng)，與 DSP 接口然后由它來針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。 TAP 指的是用于測(cè)試的訪問端口。BMS 中 采集的數(shù)據(jù)可以有效管理和控制電池，所以數(shù)據(jù)的采樣頻率、數(shù)據(jù)過 濾和精度很重要。 光耦 合 隔離的 優(yōu) 點(diǎn)是速度快，實(shí) 時(shí)性特別好 ，光耦 合 隔離兩端的信號(hào)連接上完全隔離，不存在任何關(guān)系，所以即使在光耦 合 的輸 出端 出現(xiàn) 短路也不會(huì)給電池的使用造成任何影響，而且光偶的尺寸要小，光耦 合 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)進(jìn)行采集，解決了共地的問題，它與傳感器相比它的性價(jià)比更高。 B 3 2 B 3 1 B 2 B 13 2 節(jié) 單 體 電 池V hV 1S 3 3 S 3 2 S 3 1 S 3 0 S 4 S 3 S 2 S 1差 分 電 路 輸 入 端B 3 0B 3 電壓采集電路采集出來的信號(hào)經(jīng)過模擬開關(guān)傳輸?shù)?DSP 里邊的 AD 裝換器，使系統(tǒng)變得很簡(jiǎn)單。所以對(duì)電流的精度、零漂、溫漂、抗干擾能力、和線性誤差的要求都比較高目前主要有霍爾電流傳感器和分流器兩種方案來測(cè)量高精度大電流，霍爾電流傳感器的電路比分流器的電路要簡(jiǎn)單，但是隨溫 度的變化比較大， 采用分流器的方案因?yàn)樾枰⌒盘?hào)的放大隔離等措施，雖然電路很復(fù)雜但是它的溫度穩(wěn)定性比較好。 下面 電池管理系統(tǒng)利用熱敏電阻來檢測(cè)電池的溫度，通過電橋電路把電池的溫度信號(hào)裝換成電壓，選用熱敏電阻 RMDZ1，它的體積小連線長(zhǎng)而且價(jià)格便宜，此外它還有一個(gè)方便的地方就是他可以貼在單體電池的外表面上，它的缺點(diǎn)是線性度的問題上不好，對(duì)電池的兩個(gè)界限溫度進(jìn)行檢測(cè)，再通過計(jì)算溫差發(fā)現(xiàn)出故障的電池，溫度采樣電路如圖所示 C T 1C T 21 0 u FR T 21 KR M Z D 1C T 3C T 41 0 u FR T 15 1 KR T 45 1 K+ 1 5 V324U T 1 AR T 8 , 1 0 0 KR T 1 0 , 1 0 0 KU T 1 BL M 2 5 8765L M 2 5 8 AR T 7 , 1 KR T 6 , 1 0 0 KG N DG N D+ 1 5 V1B 1 B1 點(diǎn)的電壓和溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示 溫度 （℃） 10 0 10 20 30 電壓 （ V） 另一種測(cè)量溫度的方法是選取數(shù)字溫度傳感器 D