【正文】 池管理系統(tǒng)的所有算法、電動(dòng)車的能量控制策略等都是以采集的數(shù)據(jù)作為輸入，影響電池能量管理系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)是采樣速率、精度和前置濾波特性。在行車過程中系統(tǒng)可以隨時(shí)計(jì)算車輛能耗給出ＳＯＣ值，供能源管理系統(tǒng)進(jìn)行功率配置和確定控制策略，使駕駛員知 道車輛的續(xù)駛里程，及時(shí)作出決定到充電地點(diǎn)充電防止半路拋錨，ＳＯＨ告訴駕駛員電池的壽命。 （ 4）安全管理 具體功能是監(jiān)視電池電壓、電流、溫度是不是越過正常范圍；防止單體電池過充。熱量管理的目的是使電池單體溫度平衡并保持在一定的范圍內(nèi)，使高溫電池降溫，使低溫電池溫度升高。C串行接口 CAN 總線是一種可考慮高、通信速率高的現(xiàn)場(chǎng)總線。 （ 8）保證充電功能 電池能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池 的工作狀態(tài)，特別是對(duì)煤質(zhì)電池的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在充電前通知充電機(jī)即車與機(jī)的對(duì)話，告訴充電機(jī)電池組的工作狀態(tài)和每只電池的技術(shù)狀態(tài)，“落后”電池和“先進(jìn)”電池的性能差異。 （ 9）故障診斷功能 能夠與車輛檢測(cè)儀器進(jìn)行通信等，診斷系統(tǒng)故障，方便車輛的維修。 整車的能量管理是指動(dòng)力系統(tǒng)中為滿足駕駛員期望工況而進(jìn)行的功率和能量的平衡，要完成這個(gè)任務(wù)電池管理系統(tǒng)要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)，硬件、軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度 采集模塊、電壓采集模塊等組成，大部分將均衡模塊與檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)在一起，顯示單元由顯示板、液晶屏、鍵盤及上位機(jī)組成。 BMS 的主要工作原理可簡(jiǎn)單歸納為：首先數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，再由電子控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，向外界傳遞信息。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所有電池的電壓，溫度等工作狀態(tài)，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，系統(tǒng)通過 CAN 總線與充電樁通信，具有過壓、過溫保護(hù)功能，要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的充電管理硬件及軟件完成相應(yīng)的功能。 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池一般有多個(gè)單體電池串聯(lián)組成一個(gè)電池模塊，加上微控制器為核心的電池管理系統(tǒng)組成一個(gè)車用電池組。 2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與動(dòng)力電池相關(guān)的管理控制設(shè)備稱為 —— 電池管理系統(tǒng)（ BMS），作為一個(gè)整體在電動(dòng)汽車中發(fā)揮作用。 電池管理系統(tǒng)是一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，所以在研制它之前首先要對(duì)監(jiān)控的對(duì)象非常熟悉。 蓄電池的主要性能指標(biāo) （ 1）電動(dòng)勢(shì)：指電池正負(fù)極之間的電位差 E。 （ 3）開路電壓：開路時(shí)電池兩端的電壓，跟電池兩端的電動(dòng)勢(shì)近似相等。 （ 1）實(shí)際能量：是指電池在一定的條件下放出來的能量，等于電池的平均電壓與實(shí)際容量的乘積。 （ 3）能量密度：電池組的每單位體積輸出的能量，單位是 Wh? /L 。 （ 1）實(shí)際容量：一定條件下電池輸出的能量，放電時(shí)間與放電電流的乘積。 （ 3）額定容量：電池按照一定標(biāo)準(zhǔn)在放電條件下放出的最低限度容量。 （ 5）荷電狀態(tài)：反映電池容量指一定放電倍率下電池剩余電量與額定容量在相同條件下的比值。 （ 1） 電流率：指電池以某種電流強(qiáng)度放電量是額定容量的倍數(shù)。 自放電率是指電池在在沒有負(fù)荷條件下存放時(shí)間內(nèi)電池容量損失的速度，用單位時(shí)間內(nèi)下降的電池容量百分?jǐn)?shù)表示。 流過電池內(nèi)部的電流受到阻力電壓會(huì)降低，這個(gè)阻力就是電池內(nèi)阻。 電池壽命為電池充放電的循環(huán)次數(shù)或者是使用年限。 SOH 反映電池的預(yù)期壽命是一個(gè)相對(duì)量， SOH= MNCC ， NC 指蓄電池標(biāo)稱容量， MC 指蓄電池預(yù)測(cè)容量。荷蘭 Philips 公司于 20 世紀(jì) 70 年代左右成功運(yùn)用 LaNi5 儲(chǔ)氫合金開發(fā)了鎳氫電池， 可是因?yàn)樗p太快所以進(jìn)展緩慢。進(jìn)入 90年代后伴隨著電動(dòng)汽車尤其是混合動(dòng)力汽車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，沒有重金屬污染，充放電效率很高。 隨著燃料電池汽車的研制開發(fā)和混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)業(yè)化，近幾年來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。 電池管理系統(tǒng)的功能 充電管理 充電管理 就要利用 合 適 的方法充電 ，適時(shí)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)以確保 電池安全 充電 和 良好的 效率。 加恒定電壓于電池兩端，充電 的 電流 是 I=（ VE） /R， V 是指 外部電源供給電池的 充電電壓， E 是指電池 的電動(dòng)勢(shì) ， R是指 它的內(nèi)部 電阻。因?yàn)?在充電 的 后期 充電的 電流 變 小，控制 電池的 過充電 會(huì)變得很簡(jiǎn)單。 由于 恒壓充電也 存在一些缺點(diǎn)， 首先 在最開始充電的時(shí)候 電流會(huì)很大， 但是到了 充電 的 末期 會(huì)隨著 電池電動(dòng)勢(shì) 升高電池的 電流 變得 很小， 不容易完全將充電設(shè)備利用起來 ，充電電壓的 很 小 一個(gè) 變化會(huì)導(dǎo)致電流非常大的變 動(dòng) 。 該充電法調(diào)整 外部 充電 機(jī)的 電壓， 調(diào)節(jié) 串聯(lián) 電池 的電壓，為的是使 充電 過程中的 電流不 在出現(xiàn) 變 化 。 t0 充 電 電 壓 充 電 電 流 U , it0 充 電 電 流 充 電 電 壓恒 流恒 壓 為防止恒壓充電開始時(shí)的電流太大，導(dǎo)致溫度 增加的太大會(huì)給 電池 帶來嚴(yán)重的 傷害，充電過程中一般 將 電流 控制在 在一 范圍內(nèi) ，這就是恒 電 壓恒 電流 流 的充電方式。 越來越多的 廠家推薦該充電方式，它是一種非常有效的充電方式，因?yàn)閷?duì)電池來說低壓限流充電更有利 于 保護(hù)電池，因?yàn)樾铍姵氐某潆婋妷旱?末 期 電池的 電流 變得特別 小，所以電解液 基本上不產(chǎn)生氣泡，即使產(chǎn)生也會(huì)很少 ，既節(jié)省了電能又降 減小了 電池的溫 度上 ，保護(hù)電池的極板。涓流充電 的時(shí)候能使 電流 恒定而 且 數(shù)值 比較小，隨著電池狀態(tài)恢復(fù)，整流器 的 電壓 會(huì)隨著電池狀態(tài)而 升高， 因此涓流充電實(shí)際上 是 跟 恒流充電 非常相似的充電 方 法 。 二階段 充電 法 是一種很快的充電方法，它把恒定的電壓值跟恒定的電流值 結(jié)合 起來一起充電 ，如圖 3． 3所示。 下一 階段的恒 值 電壓 就是通常情況下 轉(zhuǎn)換電壓 ，這就是二階段充電法 。在 電流 減小至默認(rèn) 值的 時(shí) 候 ， 充電過程從 第二階段 很快轉(zhuǎn)換至下一階段即 第三階段。 U , It恒 流恒 壓充 電 電 流充 電 電 壓0U , IT 1T 2U 2I 1I 2I 3 有的時(shí)候因?yàn)榍闆r比較急需要在最短的時(shí)間內(nèi)為電池充滿電量同時(shí)呢也是為了最大限度 利用 蓄電池 充電時(shí)候 的化學(xué)反應(yīng)速度 ， 減少 電池 充滿電的時(shí)間，而且還要避免充電時(shí)電池兩極出現(xiàn)的 極化現(xiàn)象， 延長 蓄電池 的 使用 壽命 。 在 充電脈沖 時(shí)間內(nèi) 蓄電池 可以 充電直到充滿為止 ， 蓄電池在非充電階段 化學(xué)反應(yīng) 階段出現(xiàn)的 的氧氣和氫氣 在這段時(shí) 間內(nèi) 重新 反應(yīng) ， 這樣就會(huì)順其自然解決 濃差和歐姆極化 問題 ， 這樣也就緩解了 蓄電池 里面的壓強(qiáng) ， 這樣就會(huì)使下一個(gè)周期的恒值電流 充電 可以更加容易 ， 這樣電池就能儲(chǔ)存更多的電量 。 這種間歇式充電方法是電池在充電方面的一項(xiàng)新技術(shù) ， 改變電池充電的時(shí)候以往的充電曲線的約束 。 剛開始階段 的 每段 實(shí)行 電流 不恒定的階段性 充電 策略 ， 在這種情況下力求把給電池 充電 的 電流 值高一些 ， 目的就是在有限的時(shí)間之內(nèi)給電池沖進(jìn)去更 多的電量 。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池 里面的 的 氣體 壓 強(qiáng) ，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。 i / Au / Vtui0 變電壓 充電法 在繼上一種方法出現(xiàn)后科學(xué)家和工程師們 又 想出另一種類似的方法了這就是電壓出現(xiàn)變化的間隔充電法 (如圖 3． 7)。 此充電模式大大提高了充電的效率越來越逼近了質(zhì)量最好效率最高的模式 。 i / Au / Vuit 系統(tǒng) 充電方法 智能系統(tǒng) 充電 的特點(diǎn)是它的充電速度非常快 ， 它的研究重點(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) 。 ti / A0理 想 充 電 曲 線充電電流充 電 時(shí) 間 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)間過長，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，通過負(fù)脈沖反向放電，并在快速充電過程中短時(shí)間的停止充電，從而防止電池組出現(xiàn)過充，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。 計(jì)量法 估計(jì) SOC 的最常用方法是 Ah 計(jì)量法，假如充電的 最初 狀態(tài)是 SOC0,則 SOC的 現(xiàn)在的 狀 態(tài)是： ??? tC IdtSO CSO C N 010 ? 其中 I 是電池電流， NC 是額定容量； ? 是充電效率， 它是一個(gè)變量 ； I 是 鎳氫 電池 的充電 電流 。 各種各樣的 電動(dòng)汽車都可 以 采用這個(gè)方法，如果電流測(cè)量值 數(shù)據(jù)精 確 ， 并且有 相當(dāng)多數(shù)據(jù)來的估計(jì)其起始的 狀態(tài)，這是估計(jì) SOC 的一種 既簡(jiǎn)單又 可靠 實(shí)用 的 好 方法。 所謂電池內(nèi)阻是指電池反抗直流電的 能力，它是指在同一時(shí)刻電壓的變化量同電流的變化量之比，實(shí)際中把電池在開路狀態(tài)以恒定的數(shù)量值放電或者充電，在同一時(shí)間里負(fù)載的電壓減去開路的電壓然后用這個(gè)差值與電流作比值就得到 了直流內(nèi)阻，在放電的后期鎳氫電池 ，很顯然直流內(nèi)阻會(huì)變大，這樣就可以用來估量電池的 SOC 值了。 電池是一個(gè)非線性程度特別高的系統(tǒng)，將它的充電過程建立比較精確的數(shù)學(xué)模型是比較困難的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性的基本特性和并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力，對(duì)于外部激勵(lì)可以改出對(duì)應(yīng)的輸出，所以它可用來模擬電池的動(dòng)態(tài)特性然后就可以估計(jì) SOC 的值，根據(jù)實(shí)際問題的需求來確定輸入和輸出層的神經(jīng)元的數(shù)目，通常情況下是線性函數(shù)；問題的分析精度和復(fù)雜程度決定了中間層的神經(jīng)元的個(gè)數(shù) 。這種方法可以應(yīng)用于所有 類型的電池，弊端是要對(duì)大量的數(shù)據(jù)測(cè)量計(jì)算處理。 因?yàn)?均衡充電 電路的 設(shè)計(jì) 很不簡(jiǎn)單 ， 涉計(jì)很多方面比較深的知識(shí)，所以本設(shè)計(jì)在這里只做一下關(guān)于理論方面的研究介紹 。在給蓄電池充電過程中對(duì)于那些容量較低的電池要用去硫化的充電模 式，使這些電池回到原先健康狀態(tài)，至于那些快要充滿的要繼續(xù)沖直到充滿為止，所以這一過程中的各項(xiàng)狀態(tài)都要達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 這種方法充電的時(shí)候那些容量很小的電池還在繼續(xù)全部充電，但是由于這些電池里面的化學(xué)反應(yīng)問題，這些電池接收的電流不會(huì)變大了一般比較小，這個(gè)時(shí)候如果加大電流， 化學(xué)反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生很多氣泡反而會(huì)阻礙電池回到原容量，的析氣反應(yīng)而影響其恢復(fù)容量 。 依照電池中最高電壓值充電到最大值所維持需要的時(shí)間來決斷是不是要終止 。 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) 。 H C U主 控 模 塊C A NC A N觸 摸 屏 輸 入 和顯 示 模 塊CANC A NCAN采 集 模 塊 i 采 集 模 塊 nCAN采 集 模 塊 1 BMS CAN 模型結(jié)構(gòu) 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，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，有的沒有總的 BMS 控制板，直接通過總線傳輸?shù)狡囍行目刂?