【正文】 的估計(jì)比較準(zhǔn)確，均衡基本能達(dá)到要求。因此，電動(dòng)自行車(chē)是目前較為理想的選擇之一，因?yàn)殡妱?dòng)自行車(chē)在行使時(shí)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。從電動(dòng)車(chē)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化來(lái)看，電動(dòng)自行車(chē)更符合中國(guó)國(guó)情，從居民平均收入水平和大眾需求來(lái)看，電動(dòng)自行車(chē)更容易普及和推廣。電動(dòng)自行車(chē)(電動(dòng)助力車(chē))作為新型個(gè)人代步交通工具,已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。比較典型的有日本的“松下”,英國(guó)的“帕森特爾”和美國(guó)的“里曼”。 我國(guó)也有許多單位研制了電動(dòng)自行車(chē)。 電動(dòng)自行車(chē)有很多優(yōu)點(diǎn)。與摩托車(chē)相比,電動(dòng)自行車(chē)不僅告價(jià)低廉,而且行駛費(fèi)用少,它不會(huì)造成空氣污染,幾乎沒(méi)有噪聲。不與其他部門(mén)爭(zhēng)奪能源。目前 電動(dòng)自行車(chē)技術(shù)也有了一定進(jìn)步，在短途低速、旅游區(qū)交通特定用途己經(jīng)得到應(yīng)用，但是，主要由于電池性能和成本的限制，距離質(zhì)量穩(wěn)定、符合標(biāo)準(zhǔn)地大批量生產(chǎn)，但與傳統(tǒng)自行車(chē)相比價(jià)格昂貴。鋰離子電池的模型和剩余容量的估計(jì)和鉛酸電池和鎳氫電池有著很大的區(qū)別。 在日本電動(dòng)自行車(chē)屬于奢靡品，價(jià)格較貴，用的人未幾。記者了解到，電動(dòng)自行車(chē)均勻每部售價(jià)1000到4000美元，相稱(chēng)于一部二手小轎車(chē)的價(jià)格。連電都保證不了，天天都要充電的電動(dòng)自行車(chē)如何能普及？有自備發(fā)電機(jī)的家庭也不會(huì)青睞電動(dòng)自行車(chē)——與其用汽油發(fā)電，再給電動(dòng)自行車(chē)充電，還不如買(mǎi)輛燒汽油的“輕騎”省心。電動(dòng)自行車(chē)在普通民眾中不普及的主要原因是美國(guó)人日常出行非常依靠汽車(chē)，城市規(guī)劃和交通舉措措施也多是為開(kāi)車(chē)族設(shè)計(jì)的，大多數(shù)美國(guó)城市的公路上沒(méi)有自行車(chē)道。電動(dòng)車(chē)的車(chē)載電池管理系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的研究，依然處于初級(jí)階段。此外，我國(guó)在十五期間成立了電動(dòng)汽車(chē)的專(zhuān)門(mén)研究項(xiàng)目，通過(guò)最近幾年的努力，已經(jīng)取得很大的成就。但是，因?yàn)榉N種原因，對(duì)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(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)的道路上，需要我們解決的核心問(wèn)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。隨著2011年對(duì)電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)的整治，電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)業(yè)正面臨深度的大調(diào)整?！苯K省自行車(chē)行業(yè)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)陸金龍告訴本報(bào)記者，這為大企業(yè)轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式，提升技術(shù)水平帶來(lái)契機(jī)。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(wú)刷高效電機(jī)，壽命提高了5倍，效率提高了近30%。而作為電動(dòng)自行車(chē)的一部分，電池管理系統(tǒng)具有很重要的作用?？梢?jiàn)，電池管理系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)而言也是不可或缺的部分。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(wèn)題不在電池管理的范圍之內(nèi)?？梢?xún)?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。豐田、本田以及通用汽車(chē)公司等都把BMS納入技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。德國(guó)西門(mén)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。比較有代表性的有:德國(guó)Meltzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)。美國(guó)通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)EVI上的電池管理系統(tǒng)。美國(guó)ACPropulsion公司開(kāi)發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。我國(guó)的BMS研究從開(kāi)始至今，雖然相比美國(guó)、日本還差距很大，成果卻也比較顯著。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(zhēng)相開(kāi)拓電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，在近年來(lái)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。實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)，通信等功能的BMS系統(tǒng)。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。比如，鎳鎘電池只放出80％ 的電荷量后就開(kāi)始充電，充足電后，該電池也只能放出原來(lái)80％ 的電量，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“記憶效應(yīng)”。鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，過(guò)充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。雖然如此，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)充后，電池內(nèi)氣壓過(guò)高，就可能會(huì)爆炸。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)。同時(shí)鋰離子電池的自放電率也比較低。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(duì)其影響不同， 通過(guò)考察發(fā)現(xiàn)，目前的電動(dòng)自行車(chē)車(chē)載電池基本沒(méi)有管理系統(tǒng)，這種情況對(duì)于鎳鎘電池和鎳氫電池來(lái)說(shuō)還基本可以，但是對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，這是絕對(duì)不行的。 本文所研制的新一代適用于電動(dòng)自行車(chē)的鋰電池管理系統(tǒng)，必須具備以下功能: (1)對(duì)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。 (3)剩余電量估算及顯示。(5)安全、可靠、抗干擾能力強(qiáng)。充電時(shí)鋰離子從正極材料的晶格中脫出，經(jīng)過(guò)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(guò)電解液后嵌入到正極材料的晶格中。(1)容量。(2)放電特性和內(nèi)阻。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(duì)放電特性的影響尤為明顯。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。電池貯存一段時(shí)間后，會(huì)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。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)。對(duì)于密封的鋰離子電池，大電流充電過(guò)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(guò)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(guò)高，就會(huì)使電池限壓裝置開(kāi)啟而引起電池泄氣或漏液，從而很快導(dǎo)致電池失效。 (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(zhǎng)時(shí)間可靠的工作。的MC9S08D216單片機(jī)和Code Warrior編程環(huán)境。 (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(lái)，便于我們對(duì)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。 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。均衡充電模塊只在充電的時(shí)候通過(guò)MOSEET管的開(kāi)關(guān)對(duì)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。 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(guò)分析以及大量的實(shí)驗(yàn)表明，能夠在實(shí)際中應(yīng)用。3 SOC算法 SOC定義 對(duì)于二次電池來(lái)說(shuō)，電池在充電和放電的工作過(guò)程中，電池的端電壓、電池的內(nèi)阻等特征參數(shù)會(huì)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。為了更加準(zhǔn)確而科學(xué)地表征電動(dòng)汽車(chē)電池的剩余容量，通常用荷電狀態(tài)來(lái)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(guò)測(cè)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。 目前應(yīng)用的各種電池組SOC實(shí)時(shí)在線(xiàn)估算方法都存在缺陷，不能達(dá)到實(shí)際使用的要求。要想提高SOC實(shí)時(shí)在線(xiàn)估算的精度，需要在測(cè)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。如果用單一算法法來(lái)估算電池荷電狀態(tài)，因?yàn)槠渚窒扌?，必定存在一些?wèn)題。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。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(cè)量不準(zhǔn)，將造成SOC計(jì)算誤差，長(zhǎng)期積累，誤差越來(lái)越大；要考慮電池充放電效率；在高溫狀態(tài)和電流波動(dòng)劇烈的情況下，誤差較大；電流測(cè)量可通過(guò)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(guò)事前大量實(shí)驗(yàn)，建立電池充放電效率經(jīng)驗(yàn)公式。相對(duì)于開(kāi)路電壓法的長(zhǎng)期存放或靜置來(lái)獲取開(kāi)路電壓，安時(shí)積分法更加可靠。U（t)和I(t)分別為電池端電壓及輸出電流，電阻R0用來(lái)描述電池歐姆內(nèi)阻，RC1和RC2用來(lái)描述電的極化效應(yīng)。C0用來(lái)描述電池的容量，對(duì)應(yīng)為電池的SOC，它與電池開(kāi)路電壓之問(wèn)的關(guān)系由圖1曲線(xiàn)描述。設(shè)電池開(kāi)路申壓為Uocv,放電過(guò)程中任意時(shí)刻的申壓為U(t) .則有 ()其中Up1為放電中兩個(gè)電容兩端的電壓，整理()式可得 ()式中t是電池靜置時(shí)間，由()式可以看到，根據(jù)已知的U01, U02 ,T 1,T2，只要測(cè)得放電時(shí)任一點(diǎn)的時(shí)間和電壓值，就可以算出開(kāi)路電壓Uocv。因?yàn)樯弦粫r(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)是利用上一時(shí)刻和以前的輸入量測(cè)得到的，所以這種遞推的實(shí)時(shí)估計(jì)就是利用所有的輸入量測(cè)數(shù)據(jù)得到的?？柭鼮V波的最優(yōu)準(zhǔn)則與線(xiàn)性最小方差估計(jì)一樣，每一時(shí)刻的估計(jì)都使估計(jì)均方誤差最小。X(k1)+T(k,k1)X(k)+N(k)則卡爾曼濾波的算法流程為：1. 預(yù)估計(jì)X(k)^= F(k,k1)2. 計(jì)算預(yù)估計(jì)協(xié)方差矩陣C(k)^=F(k,k1)C(k)F(k,k1)39。Q(k) = U(k)U(k)39。3. 計(jì)算卡爾曼增益矩陣K(k) = C(k)^H(k)39。+R(k)]^(1)R(k) = N(k)N(k)39。4. 更新估計(jì)X(k)~=X(k)^+K(k)[Y(k)H(k)X(k)^]+K(k)R(k)K(k)39。6. X(k+1) = X(k)~C(k+1) = C(k)~重復(fù)以上步驟 其中X(k)和Y(k)分別是k時(shí)刻的狀態(tài)矢量和觀(guān)測(cè)矢量F(k,k1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣U(k)為k時(shí)刻動(dòng)態(tài)噪聲T(k,k1)為系統(tǒng)控制矩陣H(k)為k時(shí)刻觀(guān)測(cè)矩陣N(k)為k時(shí)刻觀(guān)測(cè)噪聲卡爾曼濾波器用反饋控制的方法估計(jì)過(guò)程狀態(tài),濾波器估計(jì)過(guò)程某一時(shí)刻的狀態(tài)，然后以(含噪聲的)測(cè)量變量的方式獲得反饋。4 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由MCU模塊、檢測(cè)模塊、均衡模塊組成的。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量、具有良好的可靠性的電池管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)SOC實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量的前提條件。4. 1 MCU的選擇MCU(Micro Control Unit)中文名稱(chēng)為微控制單元，又稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microputer)或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。 綜合電路結(jié)構(gòu)體積及成本的基礎(chǔ)上，我們選擇了freescale公司的MC9S08DZ60，其具有的豐富資源、穩(wěn)定性和安全性都非常適合應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，方便于功能的實(shí)現(xiàn)與軟件工作。(2)具有內(nèi)部E2PROM，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。(5}一個(gè)6通道(TPM1)和一個(gè)2通道(TPM2}。(7)支持范圍31. 25kHz至38. 4kHz或1 MHz至16MHz之間的晶體或陶瓷諧振器:(8) I2C通信，支持最高l00kbps的總線(xiàn)波特率，多主節(jié)點(diǎn)模式運(yùn)行，可編程的從地址，通用呼叫地址，逐字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動(dòng)的中斷。(10)支持匯編和C語(yǔ)言編程，軟件調(diào)試和仿真更方便靈活。(12) 24個(gè)中斷管腳，每個(gè)管腳帶觸發(fā)極性選擇所有輸入管腳上帶電壓滯后和可配置的上下拉器件，所有輸入管腳上可配置輸出斜率和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。主要檢測(cè)蓄電池運(yùn)行時(shí)的電壓、電流，根據(jù)端電壓和安時(shí)電量法估計(jì)電池的荷電量，并能根據(jù)設(shè)定的條件自動(dòng)切斷充放電電路。單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，控制蓄電池組的充放電過(guò)程。本文采用在充放電電路上串聯(lián)精密電阻的方法，通過(guò)對(duì)精密電阻兩端壓降的測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電流信號(hào)的測(cè)量，電路采用了一級(jí)電壓跟隨器和一級(jí)放大電路。 電流檢測(cè)電路 電壓檢測(cè) 對(duì)于單體電池的檢測(cè)，主要采用飛電容技術(shù)。 如圖1所示，為電池組4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷