【正文】 與跨國同行相比，中國汽車制造商在發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系等關(guān)鍵零部件上仍較落后 ， 即便是在混合動(dòng)力傳動(dòng)系這類相對較新的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上，中國企業(yè)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于跨國公司。 業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，小型純電動(dòng)汽車作為適合中國國情的代步工具，具有龐大的潛在用戶群和廣闊的市場前景。本世紀(jì)將是電動(dòng)汽車取代燃油汽車的世紀(jì)。理論容量是假定電池中的活性物質(zhì)全部參加反應(yīng)，根據(jù)法拉第定率計(jì)算所能給出的電量，它是電池容量的最大極限值； i 小時(shí)率放電容量是指在恒流放電條件下，正好用 i 小時(shí)把充滿電的電池放電到終止電壓時(shí)能夠放出的電量 ；額定容量是在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的電量，是 驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)；實(shí)際容量是指充滿電的電池在一定條件下所能輸出的電量；剩余容量是指電池經(jīng)過使用后在指定的放電率和溫度狀態(tài)下可以從電池中放出的電量。功率密度是指單位質(zhì)量或單位體積的蓄電池所具有的輸出功率，它也可分為比功率 (W/kg)和功率密度 (W/L)。它標(biāo)志了蓄電池電池在未使用狀態(tài)下的能量損失的快慢。 電動(dòng)車蓄電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力提供 者，是電動(dòng)汽車的“心臟級(jí)”元器件，本課題主要任務(wù)就是對電動(dòng)車的電池 進(jìn)行有效的保護(hù)和管理 ，因此 首先 重 點(diǎn) 介紹 當(dāng)前的電動(dòng)車發(fā)展中出現(xiàn)的各種電池，它們的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)特性及其優(yōu)缺點(diǎn)等，并 對 幾種常用電池的性能比較。鉛酸電池由于存在價(jià)格便宜，材料來源豐富，技術(shù)和制造工藝較成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前， 90%以上電動(dòng)車都采用鉛蓄電池，人們正在對其實(shí)施各種改良，以使其能滿足電動(dòng)汽車用蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)。被認(rèn)為是最有希望的電動(dòng)車用蓄電池。具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。當(dāng)飛輪電池供出電能的時(shí)候，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降。開發(fā)高比能量、高比功率、長壽命、高效率和低成本的超級(jí)電容可以提高商業(yè)化電動(dòng)汽車的動(dòng)力性 (特別是加速能力 )、經(jīng)濟(jì)性和 續(xù)時(shí) 里程。 本章小結(jié) 分析對比以上電池參數(shù)，本設(shè)計(jì) 選擇使用磷酸鐵鋰電池作為電池管理系統(tǒng)的管理對象。 中央控制單元 (CCU)電路設(shè)計(jì) SST89E516RD2 芯片介紹 整個(gè)電路以單片機(jī)為中心，所有功能圍繞它展開，所以它既是控制的中心，也是各功能電路之間的紐帶。 實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中再編程（ IAP: InApplicationProgramming） ,兩塊可同時(shí)操作。原理圖 如圖 31: 22 圖 31 復(fù)位及看門狗電路 晶體振蕩器接口電路 本設(shè)計(jì) 為了保證整個(gè)電路的穩(wěn)定性，這里采用的是外接有源晶振，選用的頻率為 16MHz。 23 圖 32 外擴(kuò) RAM 接口電路 外部 E2PRAM接口 EEPROM 是一種可在線擦除和再編程的存儲(chǔ)器，它既有 RAM 可讀可寫的特性，又具有 ROM 的非易性功能，其內(nèi)部有擦除和寫入專用電路，一般其擦除 /寫入次數(shù)為一萬次，寫入數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保存十年，在斷電情況下， EEPROM 中的信息保持不變。 24 圖 33 單片機(jī)與 24C64 接口電路 24C64 與單片機(jī)的硬件接口電路如圖 33 所示， 24C64 為 5V 供電， WP為硬件寫保護(hù)管腳，當(dāng)它為高電平時(shí)，禁止寫操作。由于只需要計(jì)量進(jìn)出電池的電能，不必考慮電池這個(gè)“黑箱”內(nèi)部狀態(tài)的變化和其它因素的影響，該方法簡單易行。實(shí)際測量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流充電或放電，相同時(shí)間里負(fù)載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。 卡爾曼濾波法 卡爾曼濾波 理論的核心思想，是對動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)。開路電壓測量法是利用電池的開路電壓與電池的放電深度的對應(yīng)關(guān)系，通過測量電池的開路電壓來估計(jì)電池27 的初始剩余容量，但不能用于動(dòng)態(tài)的電池剩余容量估計(jì)。為了防止輸出通道中干擾信號(hào)的串入，通過光電耦合器隔離主機(jī)系統(tǒng)和輸出通道，以切斷它們之間的電器聯(lián)系。 系統(tǒng)的 抗干擾設(shè)計(jì) 在電動(dòng)汽車行駛過程中，電機(jī)等強(qiáng)電器設(shè)備將產(chǎn)生大量的電磁聲和電波干擾。 26 卡爾曼濾波方法估計(jì)電池 SOC 的研究在近年才開 始， 該方法適用于各種電池，尤其適合于電流波動(dòng)比較劇烈的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池 SOC 的估計(jì)，它不僅給出了 SOC 的估計(jì)值，還給出了 SOC 的估計(jì)誤差。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 及 網(wǎng) 絡(luò) 的 飛 速 發(fā) 展 ， 人 工 智 能 (Artificial Intelligence,AI)這一新興學(xué)科得到了迅速的發(fā)展和廠泛的應(yīng)用。開路電壓法的顯著缺點(diǎn)是需要電池長時(shí)靜置，以達(dá)到電壓穩(wěn)定，電池狀態(tài)從工作恢復(fù)到穩(wěn)定，需要幾個(gè)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)，這給測量造成困難；開路電壓法在充電初期和末期 SOC 估計(jì)效果好，常與 Ah 計(jì)量法結(jié)合使用。 當(dāng)使用 24C64 時(shí)最多只可連接 1 個(gè)器件，所有地址管腳 A0、 A A2 都未用管腳， 所以接地既可 。芯片具有 64Kbit 位 (8KB字節(jié) )電可擦除 EEPROM，由 8 個(gè) 256X8 位存儲(chǔ)器塊組成具有兩線串行接口，與 I2C 兼容。 ，本設(shè)計(jì)中選用的是 Hitachi 公司的 32Kx8 型號(hào)為 HM62256B 的高速 CMOS 靜態(tài) RAM， 5V 供電，存取時(shí)間為 45ns。如果在 內(nèi) WDI 端沒有收到來自 MCU 的觸發(fā)信號(hào)，并且 WDI 處于非高阻態(tài)，則WDO 輸出變低。美國 SST公司推出的 SST 系列單片機(jī)更是集成了仿真功能，配合 Keil 軟件，可使用戶的目標(biāo)板直接具有仿真功能，將單片機(jī)的易用性推向一個(gè)新的高度。 BMS 設(shè)計(jì)分為兩層保護(hù)， 一級(jí)保護(hù)是管理系統(tǒng)的重點(diǎn)，包括電池電壓、電流、溫度等 數(shù)據(jù)的精確測量 ，二級(jí)保護(hù)負(fù)責(zé) SOC 估計(jì)、系統(tǒng)、電池組均衡等。具體歸納如下： 電池組要有足夠的能量和容量，以保證典型的連續(xù)放電不超過 1C，典型峰值放電一般不超過 3C；如果電動(dòng)汽車上安裝了回饋制動(dòng)，電池組必須能夠接受高達(dá) 5C 的脈沖電流充電。 超級(jí)電容 超級(jí)電容是為了滿足混合電動(dòng)汽車能量和功率實(shí)時(shí)變化要求而提出的一種能量存儲(chǔ)裝置，它是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點(diǎn)。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的。 1C 充放循環(huán)壽命達(dá) 2020 次。 它的許多基本特性和鎳鎘（ NiCd）電池相似，但是鎳氫電池不存在重金屬污染問題，稱為“綠色電池”。它也是成熟的電動(dòng)汽車蓄電池，目前約有 80%90%的采用率。 18891901 年瑞典的揚(yáng)格納（ Jungner）和美國的愛迪生（ Edison）先后研制成功了鎳鐵電池和鎳鎘電池。常用 C 表示。 （ 4）電池的能量密度 14 電池的能量密度有質(zhì)量能量密度和體積能量密度之分。如果以電流 I 放電，電池在 n 小時(shí)內(nèi)放出的電量為額定容量的話，這個(gè)放電率稱為 n 小時(shí)放電率。投資大師巴菲特旗下的 Berkshire Hathaway近期購進(jìn)中國 電動(dòng)汽車、 電池制造商比亞迪 10%的股權(quán)， 也 顯示對此領(lǐng)域發(fā)展前景看好。在我國，加大節(jié)能減排力度已列入《國務(wù)院2020 年工作要點(diǎn)》中，并制定了相關(guān)政策，提出 “十一五”期間，中國汽車工業(yè)將重點(diǎn)研究開發(fā)和掌握純電動(dòng)汽車等新能源汽車整車 和零部件的關(guān)鍵技術(shù)。 (4) 目前的很多 BMS應(yīng)用某一類型的電池時(shí)效果很理想 ,但卻難以應(yīng)用到其它類型的電池上。 %；溫度檢測精度為 177。 串聯(lián)起來為電池汽車提供能量的，由于單電池之間存在個(gè)體差異，且在運(yùn)行中可能由于運(yùn)行狀態(tài)的不一樣，導(dǎo)致單電池的性能不一致，即會(huì)出現(xiàn)有些電池變成落后電池而有些電池狀態(tài)還比較好的現(xiàn)象。 我國在十五期間設(shè)立電動(dòng)汽車重大專門研究項(xiàng)目，經(jīng)過幾年的發(fā)展之后，在電池管理系統(tǒng) (BMS)技術(shù)方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近。對最近 24個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)該數(shù)據(jù)對電池工作狀況好壞做出判斷，并快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況。 通用汽車公司推出的“ EVI”電池管理系統(tǒng)采用了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)對電池組進(jìn)行管理，監(jiān)測和控制蓄電池的充放電工作狀態(tài)，預(yù)測蓄電池組的荷電狀態(tài)和剩余能量。如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，而拋開純單體電池的性能不談，降低電池造價(jià)以及提高電池系統(tǒng)的管理水平也是提高電動(dòng)汽車整體競爭力的關(guān)鍵因素。天津市清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司和一汽天津夏利股份有限公司牽頭，中國汽車技術(shù)研究中心、天津大學(xué)、天津和平海灣公司和天津藍(lán)天高科公司等十幾個(gè)單位共同承擔(dān)的國家 863 計(jì)劃一電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)純電動(dòng)轎車項(xiàng)目，該項(xiàng)目在全國首批開發(fā)了 5 輛國際先進(jìn)水平的純電動(dòng)轎車，并將在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，克萊斯勒將選擇其中一款在 2020 年投產(chǎn)，漸次推向北美和歐洲市場。 國內(nèi)外發(fā)展概況 近 幾十年來 ，三分汽車天下的美、日、歐洲國家的 80 多家公司 (其中有美國的福特、通用汽車、克萊斯勒公司，日本的豐田、日產(chǎn)、本田公司，法國的雷 諾、標(biāo)致、雪鐵龍公司，意大利的菲亞特公司以及瑞士的荷拉奇和埃蘇拉公司等 )不惜投入巨額資金，研究開發(fā)新一代電動(dòng)汽車。這個(gè)時(shí)期的電動(dòng)汽車經(jīng)具備了現(xiàn)代汽車的雛形，電動(dòng)汽車的性能也得到了極大的提高，電機(jī)效率提高到 80%90%。 1881 年 法國人 Gustav Trouve 第一次應(yīng)用鉛酸電池（二次電池）制成了電動(dòng)汽車 ， 并 在巴黎舉辦的國際電器展覽會(huì)上 展出，成為歷史上第一輛電動(dòng)車輛。 最后，將 磷酸鐵鋰電池與設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試、并在電動(dòng) 車上安裝測試 。 本文 針對目前性能穩(wěn)定的磷酸鐵鋰動(dòng)力 電池 ,設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車 的電池管理系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)汽車所需的石油資源逐漸枯竭是必然的，而 電能來源廣泛， 發(fā)展電動(dòng)汽車將逐漸成為 汽車工業(yè)發(fā)展的總趨勢。 1900 年美國汽車的產(chǎn)量為 4195 量，其中電動(dòng)汽車 1575 量，蒸汽汽車 1684 量，燃油汽車 936 量，電動(dòng)汽車占汽車產(chǎn)量的 %，比燃油汽車的 %還多。 5 20 世紀(jì) 60 年代以后，由于汽車的普及，汽車排放的有害氣體嚴(yán)重地污染大氣，直接威脅人類的健康和賴以生存的環(huán)境。這是展示該公司電動(dòng)汽車發(fā)展方向的一款汽車。 目前，我國部分城市及地區(qū) (武漢、北京、天津、上海、長春、廣東等 )以及三大汽車集團(tuán)都在進(jìn)行電動(dòng)汽車的相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā)及課題的研究，全國承擔(dān)該項(xiàng)目的企業(yè)約有 70 多家。而這 50輛純電動(dòng)大客車在奧運(yùn)會(huì)上的應(yīng)用，大部分關(guān)鍵技術(shù)出自北京理工大學(xué)、清華大學(xué)。其中較典型的電池管理系統(tǒng)有 :美國通用汽車公司生產(chǎn)的“ EVI”型電動(dòng)汽車上應(yīng)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) 。該系統(tǒng)的主要功能是 :過充電監(jiān)測與控制，電池歷史紀(jì)錄，提供最差供電電池單元的信息。電動(dòng)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(jī)。 綜合電動(dòng)車研究情況，我們發(fā)現(xiàn)各國都存在著同一個(gè)現(xiàn)象，即電池是整個(gè)電動(dòng)車研究中出問題最多的部件，嚴(yán)重的甚至威脅到整車安全，大大影響了電動(dòng)車的研究進(jìn)程。 所以，在目前情況下，大力發(fā)展電池的應(yīng)用技術(shù)，尤其是發(fā)展電池管理系統(tǒng)是目前電動(dòng)汽車發(fā)展的主要方向。內(nèi)部電路復(fù)雜 ,安全性差 ,抗干擾能力要求高。 而在電動(dòng)汽車技術(shù)方面和國外基本在同一起跑線上。隨著石油 資源的緊11 缺和價(jià)格的上漲，大部分有購車意向的用戶都傾向于購買電動(dòng)車，近 6000萬電動(dòng)自行車用戶也希望購買小型電動(dòng)汽車，改善出行質(zhì)量。 13 第二章 電動(dòng)車蓄電池性能分析與比較 動(dòng)力電池的基本術(shù)語 電動(dòng)汽車用蓄電池的主要性能指標(biāo)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(jià)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。 （ 3）電池的能量 電池的能量是指在按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電制度下，電池所輸出的電能，單位為瓦時(shí)（ W?h）或千瓦時(shí) (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。對電動(dòng)車而言，重點(diǎn)考慮比功率參數(shù)。 （ 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(xué)表達(dá)式如下： ∫ 式中， SOC0為電池的初始 SOC； 為 t 時(shí)刻電池的工作電流，充電時(shí)為正，放電時(shí)為負(fù) (A)； t 為充放電時(shí)間（ h）； C 為電池的額定容量（ A?h）。 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。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。 我國有不少單位對電動(dòng)車用鋰離子 電池進(jìn)行研究開發(fā)。 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(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。飛輪是在真空 環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高 (高達(dá) 2O0000r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。 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