【正文】 電池報(bào)警系統(tǒng)、模塊傳感器裝置和安全模塊構(gòu)成，其中BCU發(fā)揮核心功能。（3）北京交通大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng)這個(gè)電池和管理系統(tǒng)是在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下由北京交通大學(xué)完成的用于動(dòng)力鎳氫蓄電池監(jiān)測(cè)及管理的系統(tǒng)裝置，在2002年12月科技部驗(yàn)收了這個(gè)電池管理系統(tǒng)項(xiàng)目。本課題是電動(dòng)公交車(chē)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。主演內(nèi)容是針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用鎳氫蓄電池組，完成系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)，底層電壓、溫度的采集方案完成了硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。 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)。BMS的作用主要可分為兩個(gè)方面：保證電池安全；合理高效的使用電池儲(chǔ)存的能量。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。（2）額定電壓：標(biāo)準(zhǔn)條件下電池在工作時(shí)達(dá)到的電壓值。（4）負(fù)載電壓：電池兩端接上負(fù)載R放電過(guò)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。（2）標(biāo)稱(chēng)能量：電池在規(guī)定放電條件下放出的能量，其數(shù)值等于額定電壓與額定容量的乘積。（4）比能量：電池組單位質(zhì)量輸出的能量，單位是/。（2）理論容量：按照法拉第定理根據(jù)蓄電池活性物質(zhì)的物理特性計(jì)算出的最高理論值，單位用體積容量Ah/L或質(zhì)量容量Ah/kg表示。（4）標(biāo)稱(chēng)容量：鑒別電池適當(dāng)?shù)慕浦?。電池放電時(shí)放電電流與額定電流的比例。（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。自放電率=℅，式中表示電池儲(chǔ)存的容量，表示一定時(shí)間后電池儲(chǔ)存的容量，t表示電池儲(chǔ)存的時(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(kāi)路電壓和電動(dòng)勢(shì)，充電的時(shí)候充電的端電壓高于開(kāi)路電壓和電動(dòng)勢(shì)。蓄電池工作是不斷充電、放電的循環(huán)過(guò)程，電池在每次循環(huán)中化學(xué)活性物質(zhì)發(fā)生一次可逆的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)活性物質(zhì)會(huì)隨充放電次數(shù)增多老化變質(zhì)，電池充放電效率會(huì)降低電池的循環(huán)次數(shù)與電池的溫度、電池充放電形式、放電深度、電池安裝等有關(guān)。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(wèn)題，被稱(chēng)作“綠色電池”。進(jìn)入90年代后伴隨著電動(dòng)汽車(chē)尤其是混合動(dòng)力汽車(chē)研究的需要高能量動(dòng)力電池成為鎳氫電池迅速發(fā)展的方向。能量密度為55～70Wh/kg。鎳氫電池優(yōu)點(diǎn)有：功率密度和能量密度均高于鉛酸電池和鎳鎘電池，在電動(dòng)車(chē)用電池中循環(huán)使用壽命是最高的，深度放電性能和快速充電性能好，沒(méi)有重金屬污染，充放電效率很高。隨著燃料電池汽車(chē)的研制開(kāi)發(fā)和混合動(dòng)力汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化，近幾年來(lái)鎳氫電池得到了很普遍的關(guān)注，伴隨著鎳氫電池技術(shù)的發(fā)展，它的功率密度、能量密度、快速充電能力和循環(huán)壽命都會(huì)得到很大幅度的提高，進(jìn)而價(jià)格也會(huì)降低。 電池充電特性充電是使放電電池恢復(fù)到初始容量的步驟。（1） 影響鎳氫電池充電接受能力的因素 鎳氫電池的充電接受能力就是指電池的充電效率，是指電池充電電量中用于電池反應(yīng)的電量的比例，影響鎳氫電池充電接受能力的主要條件是電池充電倍率和環(huán)境的溫度。 ②環(huán)境溫度 鎳氫電池的充電接受能力在1030℃附近達(dá)到最高值，隨著溫度的降低在10℃以下電池的充電接受能力逐漸降低；在30℃以上電池的充電接受能力隨著溫度的上升逐漸降低，40℃以后電池的充電接受能力迅速降低。同時(shí)必須保證所選用的充電方式是經(jīng)濟(jì)可靠的。以下是幾種比較安全有效的充電方式。在剛開(kāi)始給電池充電的時(shí)候電動(dòng)勢(shì)是很低的，而電池的電流會(huì)很大，電動(dòng)勢(shì)隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行會(huì)升高，于是充電電流會(huì)減小，最后充電就停止了。該充電法把電流與電動(dòng)勢(shì)相關(guān)到了起來(lái)，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(lái)充電是非常好的，于電池恒流充電來(lái)說(shuō)會(huì)有更多的優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)過(guò)程與電池的電流之間由電動(dòng)勢(shì)變動(dòng)所反映的絕非僅有線性關(guān)系，所以只根據(jù)線性關(guān)系來(lái)研究并不太合適。恒流充電法控制起來(lái)很簡(jiǎn)單，因?yàn)殡姵氐慕邮苣芰?huì)因?yàn)槌潆娺^(guò)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。橫流階段是把限流值為恒值的充電方式，因此也稱(chēng)作恒壓限流充電，如圖所示。為給蓄電池組在放電過(guò)程結(jié)束后給它內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)一個(gè)恢復(fù)過(guò)程，這個(gè)時(shí)候需要以某種中程度上相對(duì)來(lái)說(shuō)較小的電流來(lái)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(lái)給電池充電，即為涓流充電。一般比較多用的充電方法有是二階跟三階段充電的方法。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(guò)了此階段后換成以恒定電壓值充完電池內(nèi)剩下的空間。三階段充電法是充電過(guò)程中有三個(gè)階段充電，第一階段和第三階段充電電流恒定，第二段采用的是用恒定電壓值充電，如圖3．4所示。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。(1)脈沖充電法脈沖充電方式利用的是電池隔一段時(shí)間脈沖電流充電隔一段時(shí)間停止的充電方法，就這樣不停地循環(huán)，如圖3．5所示。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。(2) 間歇變電流充電法該充電方法利用的是將脈沖階段與恒流充電階段相結(jié)合的一種方法，它的充電方法是將一段間隔恒值電流段變換成限制電壓段變化電流值。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(guò)度充滿后，把它的狀態(tài)最大限度的回到狀態(tài)經(jīng)過(guò)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(guò)度積攢而導(dǎo)致壓強(qiáng)增大的問(wèn)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。變電流間歇充電法電流電壓曲線如圖。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。恒值電壓充電的時(shí)候因?yàn)槭请妷翰蛔兊那闆r所以就會(huì)有電池依據(jù)一定的曲線減小，這種充電模式符合我們正常充電方法，而且還有利于電池的健康狀態(tài)，利于延長(zhǎng)電池的壽命，同時(shí)也順應(yīng)了自然規(guī)律，在健康狀態(tài)下一定的時(shí)間內(nèi)給電池補(bǔ)充最多的電量。3快速充電控制技術(shù)通常情況下鎳氫電池要經(jīng)過(guò)這么幾個(gè)充電階段，首先在電流值比較小的情況下給電池然后再跳到比較大的電流在最短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充能量．最后再在恒值電壓條件下將電池內(nèi)剩余容量補(bǔ)充滿。如果電池的充好進(jìn)去的電量接近85％左右時(shí)，這個(gè)時(shí)候就要切換一下充電方法，把電池從迅速的充電狀態(tài)切換到恒值電壓補(bǔ)充能量的階段，需要提醒的是再給電池充電的時(shí)候，要控制好充電流程，設(shè)計(jì)好充電過(guò)程中需要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，特別是在這個(gè)分階段充電電流一定的時(shí)候，如果說(shuō)在這一階段相關(guān)充電數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)后，就要設(shè)計(jì)好程序去做出相應(yīng)的控制處理好發(fā)生的變動(dòng)，關(guān)閉充電儀器的電源，間隔一段時(shí)間讓電池恢復(fù)到正常狀態(tài)后再繼續(xù)進(jìn)行充電的后續(xù)階段。所以在控制充電的時(shí)候要準(zhǔn)確利用電壓、時(shí)間、電流和溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出合適的充電策略，將各個(gè)充電階段有效合理的組合起來(lái)，下面是幾種常用的控制方法。3．3．2溫度控制在可接受的恒值電流充電階段電池的內(nèi)部溫度會(huì)升高，在升高到程序里預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)時(shí)，程序就會(huì)控制外部設(shè)備的開(kāi)關(guān)，將其關(guān)閉以作保護(hù)處理，在起始充電階段采用溫度的數(shù)據(jù)控制能夠是可以和所有階段停止的時(shí)候的相關(guān)控制聯(lián)系的，但是它的準(zhǔn)確度和延遲的性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)度的充電，所以不能僅僅把溫度作為控制的量。3．3．3電壓控制在可接受的恒值電流充電階段電池的電壓，在超過(guò)這個(gè)預(yù)先設(shè)定好的電壓值之后，在電池管理系統(tǒng)程序的控制管理下電壓超過(guò)之后，在DSP主控制芯片作用下關(guān)閉外部充電設(shè)備結(jié)束這一階段的充電。3．4智能系統(tǒng)充電方法智能系統(tǒng)充電的特點(diǎn)是它的充電速度非?？欤难芯恐攸c(diǎn)是怎么樣才能使電池在最少的時(shí)間內(nèi)快速穩(wěn)定地恢復(fù)。電池極化是困擾著電池地快速充電的一大難題，鎳氫電池充電如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生充電的監(jiān)測(cè)很慢，而且會(huì)損耗很多電，電池內(nèi)部如果發(fā)生極化的問(wèn)題，就會(huì)把電池的壽命嚴(yán)重折損，既不安全又浪費(fèi)了電池，給環(huán)境帶來(lái)大的污染，同時(shí)這樣也違背了智能充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，我們制定了多段段恒流充電與脈沖放電相結(jié)合的充電策略，如圖3．8所示。所以，智能充電系統(tǒng)在初期根據(jù)電池組狀態(tài)確定是否需要涓流充電；在快速充電上采用多階段恒流充電與脈沖充電相結(jié)合的充電方法，通過(guò)負(fù)脈沖反向放電，并在快速充電過(guò)程中短時(shí)間的停止充電，從而防止電池組出現(xiàn)過(guò)充，并能夠消除或減少極化現(xiàn)象，這與馬斯三定律是符合的；在充電后期采用定電壓對(duì)電池組迸行補(bǔ)足充電直至電池組電量達(dá)到額定電量。因?yàn)楸倦姵毓芾硐到y(tǒng)中要串聯(lián)很多電池（３８４節(jié)），所以這么多的電池之間出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象很容易出現(xiàn)，因此在給這么多的電池串聯(lián)充電的時(shí)候要考慮到均衡，這對(duì)電池的充電特別重要，關(guān)系到電池的壽命和安全狀態(tài)。(1)啟動(dòng)在電池的不一致顯現(xiàn)出來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)檢驗(yàn)我們可以從兩個(gè)方面來(lái)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(lái)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。(3)終止在用均衡充充電時(shí)的時(shí)間要把握好，不能太長(zhǎng)（浪費(fèi)電能）也不能太短（達(dá)不到這樣做的目的），而且這樣對(duì)電池的損害也是很大的。（SOC）計(jì)算電池的荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)一大重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于電池的工作環(huán)境比較難預(yù)測(cè)，電動(dòng)車(chē)的工作過(guò)程又是一個(gè)變化很多的過(guò)程，電池的自身狀態(tài)同時(shí)還要受到它的壽命影響，現(xiàn)在有很多關(guān)于SOC的估算方法，下文介紹幾種方法。在Ah計(jì)量法中會(huì)遇到的問(wèn)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(lái)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(guò)這種方法花錢(qián)要多一些，通過(guò)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。 電池的電阻有兩種即交流與直流內(nèi)阻，這兩個(gè)電阻跟SOC數(shù)量關(guān)系很近，所謂的交流阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)的變量，指電池的單體電壓同他的電流之比值 ，表示的是電池反抗交流電的一種能力，可以通過(guò)交流阻抗儀器去測(cè)量它的電阻值，溫度對(duì)交流阻抗的影響很大。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?？梢杂秒妷骸囟?、電流、內(nèi)阻等變量來(lái)估測(cè)電池的SOC，選擇合適數(shù)目的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量對(duì)模型的準(zhǔn)確度影響很大。估計(jì)出現(xiàn)的偏差相當(dāng)一部分來(lái)源于處理的數(shù)據(jù)和方法。CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)采用的是多主方式，它在網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都可主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，按系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以分成不同的優(yōu)先級(jí)，采用短幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈路層，每一幀是8b而且容易就錯(cuò)，采用光纖和雙絞線的傳輸介質(zhì)，節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到110個(gè)，傳輸速率傳達(dá)到1Mb/s，廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼是它的最大特點(diǎn)，傳輸安全性很高，抗干擾能力和容錯(cuò)能力都很強(qiáng)。 BMS CAN模型結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)的功能BMS整體設(shè)計(jì)方案電池管理系統(tǒng)有三種不同的結(jié)構(gòu)，集中式結(jié)構(gòu)、集成式結(jié)構(gòu)和分散式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是材料的成本低，電池管理系統(tǒng)之間可以無(wú)限制的通信，不僅安全管理便利而且簡(jiǎn)化了對(duì)不同電池參數(shù)的調(diào)整與改寫(xiě)，參數(shù)的測(cè)量速度較快可靠性高也可以靈活計(jì)算，按照不同情況在中心處理器內(nèi)修改軟件，滿足各種各樣的要求，它的缺點(diǎn)是要把串聯(lián)蓄電池電壓測(cè)量中隔離、共地、測(cè)量精度等問(wèn)題解決，但是技術(shù)難度很大。電池組出現(xiàn)故障時(shí)解決的唯一辦法把整個(gè)電池組替換，集中式結(jié)構(gòu)適用于只有一個(gè)電池組組成的車(chē)用動(dòng)力電源系統(tǒng)。分散式結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)采集是分散的，就是說(shuō)每個(gè)電池包對(duì)應(yīng)一個(gè)采集單元，這些單元與中心的BMS通過(guò)一根母線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中的充電控制單元可能和中央處理單元分開(kāi)，有的沒(méi)有總的BMS控制板，直接通過(guò)總線傳輸?shù)狡?chē)中心控制器，有點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)減少了布線利于擴(kuò)展電源系統(tǒng)，而且能分散安裝，利用總線進(jìn)行連接與信息通信，可就近處理采集的數(shù)據(jù)而且精度很高這樣就更有可能很好的計(jì)算電池的狀態(tài)，方便電源管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建立，它的缺點(diǎn)是成本比較高而且靈活性也差一些，修改起來(lái)也麻煩，串行總線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)巡回監(jiān)測(cè)的速度受限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性比較低。分散式系統(tǒng)比較適合于大電池。負(fù)載電壓法、Ah法、直流內(nèi)阻法，如果有大量數(shù)據(jù)還可以建立電池模型，用自適應(yīng)當(dāng)然控制方法。首先，按照前面已經(jīng)介紹的安培小時(shí)定律，電池充放電容量與充放電電流的關(guān)系式為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的充電電流，進(jìn)而在它的時(shí)域上進(jìn)行積分，這樣就能得到時(shí)間段△t上的積分即電池的容量變化，僅需知道電池的初始容量，那么它的剩余容量表示式是：這種方法不僅簡(jiǎn)單而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很容易，僅電流采樣點(diǎn)路就可以了，最重要的問(wèn)題是初始值的確定，一般情況下電池充滿電量后以滿充容量當(dāng)做初始值來(lái)計(jì)算，剩余容量會(huì)受到別的其他因素的影響，因此應(yīng)該改正這些情況。其中是標(biāo)準(zhǔn)的電流在標(biāo)準(zhǔn)的溫度下釋放出來(lái)的總電量，；實(shí)際上是把利用的電量折合成在標(biāo)溫下電流放電后的電量其中，K是指電流的修正系數(shù)，K=wi*δi，wi表示標(biāo)溫下標(biāo)準(zhǔn)電流放電放出的電量跟其他形式放電量之比，δi是指溫度的修正系數(shù)。SOH表示的是電池內(nèi)部的不可逆反應(yīng)，它是一個(gè)變化很慢的變量，所以無(wú)需對(duì)它進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)電池管理系統(tǒng)的一大主要功能是檢測(cè)各單體電池的電壓、溫度信號(hào)，DSP根據(jù)各檢測(cè)模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后做出相應(yīng)的處理，把出現(xiàn)問(wèn)題的電池即是換新，以免耽誤電池充電，嚴(yán)重者會(huì)引發(fā)事故問(wèn)題。每種電池都有自己的溫度的工作范圍，鎳氫電池的范圍是[30℃,50℃]，但溫度降到太低的時(shí)候這個(gè)時(shí)候電池就不能工作了，太高的時(shí)候表明它已經(jīng)出故障了，不能再用了，應(yīng)該及時(shí)更更換新電池。CAN通信本章小結(jié)檢測(cè)功能要求與設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)要有實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的電壓、溫度等參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果對(duì)電池進(jìn)行安全管理，及時(shí)排