【正文】 3） DC/DC 變換器。 2）光電隔離技術(shù)。 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。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。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。 因為動力電池的剩余容量預(yù)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。 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(yīng)用于電動車上都存在較大的誤差。 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。應(yīng)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)。目前遺傳算法在電池性能檢測方面都有廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)顯示出了獨特的優(yōu)勢。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(xué)習(xí)等智能行為，解決和處理復(fù)雜問題的一種方法。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(fù)雜。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。 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。對于某些電化學(xué)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(yù)測電池和狀態(tài)的大小。 Ah 計量法應(yīng)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。 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。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?SDA 為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出復(fù)用端。當(dāng)為低電平時，則可以對整個存儲空間進行讀寫操作。 本設(shè)計采用 標準的 8 引線 S0C 封裝?？稍陔娫措妷旱偷? 的條件下工作，等待電流和額定電流分別為 5uA 和 1mA。 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。 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(dāng)，但它的功耗大，價格高，寫入速度較慢。外擴 RAM 的接口電路如圖 32 所示。 它的容量是 32KB。單片機的內(nèi)部 RAM 只有區(qū)區(qū) 256字節(jié)，所以要外接 RAM。 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。 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。只要復(fù)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)。 MAX706 片內(nèi)看門狗定時器用于監(jiān)控 MCU 的活動。 在 IAP 過程中可實現(xiàn)存儲器的覆蓋，支持中斷響應(yīng)。 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。 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。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。 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。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(fù)雜的兩個問題。 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。 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(xué)研制 的純電動汽車 開發(fā)的 ，系統(tǒng)應(yīng)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。 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。 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。 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。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。 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(yīng) 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 )。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。其特點是壽命長 、效率高、比能量低、放電時間短。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。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。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。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。 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，用物理方法實現(xiàn)儲能。以滿足電動車頻繁充放電的 需要。單節(jié)電池過充電壓 30V不燃燒，穿刺不爆炸。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。 我國有不少單位對電動車用鋰離子 電池進行研究開發(fā)。 鋰離子 電池 鋰離子 電池具有很高的能量密度 (目前已達到鉛酸電池的 34 倍，鎳氫電池的 2 倍 )，良好的性能價格比，和較高的單體電壓 ； 電池在充放電時可獲得較高的能量效率，放電時容易檢測出電池的荷電狀態(tài)。 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。其正極是氫氧化鎳，負極是儲氫合金，電解質(zhì)是氫氧化鉀溶液。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。同時由于鉛是重金屬，因此，鉛酸電池存在污染問題。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。 鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池已有 140多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源。 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。 至今，在電動汽車上普遍使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。這些電池在后來的實際應(yīng)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。 15 常見的電動汽車蓄電池 電池的歷史可以追溯到一個半世紀前， 1859 年法國科學(xué)家普蘭特（ Plante）發(fā)明的鉛酸電池是世界上第一只可充電的電池。 （ 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）。一般時間是以月為單位，如放電率 10%/月。例如電池容量為 27Ah，當(dāng)充放電電流強度為 時，是指放電電流為 。 （ 6）電池的 放電倍率 與 自放電率 電池的放電倍率是指電池以某種電流強度放電時的數(shù)值為電池容量的配數(shù)。對電動車而言，重點考慮比功率參數(shù)。 （ 5）電池的功率與功率密度 電池的功率是指在一定的放電制度下，單位時間內(nèi)電池輸出的能量，單位為（ W）或 千瓦（ kW）。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）。體積能量密度是指電池單位體積 所能輸出的電能，單位為瓦時 /升（ W?h/L）。 （ 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。 他等于放電電流與放電時間的乘積，其表達式如下： ∫ 關(guān)于電池容量 ，有理論容量、 i 小時率放電容量、額定容量、實際容量和剩余容量等概念。 （ 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。在研究電池容量時要規(guī)定統(tǒng)一的放電時間，常用 n 小時率表示。 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。更有理由相信：電動汽車的大規(guī)模使用（社會化）在一個不遠的將來一定會實現(xiàn)。 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(luò)使用頻率相對較低。 如果全球 100 個人中有一人開上 微型 電動 汽車 ，考慮到中國和印度的人口基數(shù)，其影響力不言而喻。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。中國相當(dāng)多人口目前依賴于自行車和摩托車代步。 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(zé)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。胡錦濤總書記在“十七大”報告中強調(diào)，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境是基本國策，“必須把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置，落實到每個單位、每個家庭”。 而在電動汽車技術(shù)方面和國外基本在同一起跑線上。目前中國已成為世界第二大汽車市場。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。 (3) 在 BMS的安全管理和控制功能模塊設(shè)計中 ,如何解決電池自身的安全性問題 ,例如 :實現(xiàn)電池組均衡充電、避免高電壓和高電流的泄漏、防止對人體造成傷害 ,尤其是在沖力作用條件下 (發(fā)生碰撞時 )對電池安全性的控制等 ,還需要進行大量的試驗研究。內(nèi)部電路復(fù)雜 ,安全性差 ,抗干擾能力要求高。 (1) BMS的設(shè)計主要有如下技術(shù)難點 :需要采集的數(shù)據(jù)量大 ,精度要求高 。 ℃； SOC估計精度為 6%；