纯电动汽车电池管理系统概述与发展

纯电动汽车电池管理系统概述与发展趋势

摘要：随着能源紧缺、石油涨价、城市环境污染的日益严重，替代石油的新能源的开发利

用越来越被各国政府所重视。在新能源体系中，电池系统是其中不可或缺的重要组成部分。近年来，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多的关注。我国对电动车的发展极为重视，早在1992年就把电动车的开发发展列入国家的“八五”重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入的研究开发，在BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近，研制产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用。但电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力蓄电池管理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上也将提出更高的要求。

关键词：bms 纯电动汽车 动力电池 锂电池 can通讯 单片机

Abstract: with the oil price, the energy shortage, the increasingly serious urban

environment pollution, an alternative to oil development of new energy use more and more attention by governments. In the new energy system, battery systems is one of the indispensable important component. In recent years, with the lithium battery powered electric bicycle, hybrid cars, electric vehicles, fuel cell < > automobile, etc http://shop.icbuy.com/product/list/189.html by the market more and more attention. The development of electric vehicle in China, a great importance in early 1992, the development of the electric car in national development of \and charging machine system for the long-term in-depth research development, in BMS gained great breakthrough, and foreign level also approaches, the research products in pure electric and hybrid electric vehicle got a lot of use. But battery management technology is still not mature, electric vehicles and the development of industrialization of motive battery management system, with the huge market demand, but technology will also put forward higher request.

Keywords: BMS pure electric vehicle power battery lithium batteries can

communication microcontroller

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目录

绪论

1.1 国外现状 ......................................... 2 1.2 国内现状 ......................................... 3 第二章 电池发展 ......................................... 6 2.1 电池性能比较 ..................................... 6 2.2 串联电池组的应用特点介绍 ......................... 7 第三章 电池管理系统的组成 ............................... 8 3.1 电池管理系统的构成 ............................... 8 3.2电池管理系统实现的功能 ............................ 9 第四章 电池管理系统的原理 .............................. 10 4.1 个管理系统的结构的原理 ...........................11 4.2单线式温度采集单元 ................................13 4.3动力电池组分布式管理系统软件设计 ..................14 第五章 小结 ............................................ 21 参考文献 ............................................... 22

绪论

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电动车是20 世纪最伟大的20 项工程技术成就中前两项技术的融合,即“电气化”和“汽车”的融合产物 . 能源危机和石油短缺,又使电动汽车获得了新的生机,到了20 世纪80 年代,随着人们对于空气质量和温室效应的关注,对电动汽车的研究热情进入了空前高涨期电动汽车除了在能源、环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外,在车辆性能方面也显示出了巨大的优势. 电动汽车的转矩响应迅速、加速快,比燃油汽车高出2 个数量级,电机可分散配置,通过线传电子控制技术直接控制车轮转速,易实现四轮独立驱动和四轮转向 . 由于网络技术、信息技术和线控技术的泛应用,使智能交通系统( ITS) 的实现也变得非常简单,还可以实现再生制动和能量回收,因此提高了电动汽车制动的安全性和可靠性但是他的续驶历程小充电时间长是限制它发展的瓶颈动力电池组是电传动车辆的辅助能量源和关键部件，其状态好坏和寿命长短在很大程度上决定了整车性能的优劣，因此有必要对电池组实施有效的管理和监测。基于此种目的，又考虑到便于在车内安装布置，设计出电池组分布式管理系统，其由两部分组成，即电池组综合管理器和电池单体检测模块。系统应用基于循环工况的电池组剩余电量神经模糊预测算法，以实现对电池组状态的准确预测；并利用总线通讯技术，完成数据传输与交换，在保证实时性的同时又建立了分布式的总体结构，使系统大小可以随电池组不同而随意调整、剪裁和扩充， 很大的灵活性、适应性。

第一章 电池管理系统发展现状

1.1 国外现状

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1991年美OWAI国能源部与三大汽车公司(戴姆勒一克莱斯勒、福特、通用)共同成立的先

进电池联合体U N I T E DSTATES ADVANCED BATTERYC0Ns0RTIUM (USABC)，致力于研究和发展先进的电动车能源系统，建立了专门从事电池及管理系统的测试、试验等研究的实验室和研究机构。之后，全世界汽车制造厂家纷纷开发并推广使用电动车。电动车的蓬勃发展及远大前景，促进了电池及其管理技术的发展，世界各大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电池。电池管理系统作为电池系统的重要组成部分，肩负着优化电池使用和延长电池寿命的重要职责。在电动汽车发展的同时，电池管理技术也取得了长足的进步。日本青森工业研究中心从1 997年开始至今，仍在持续进行电池管理系统(B M s)实际应用的研究；美国Villanova大学和US Nanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测；丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳人技术开发的重点。 1.2 国内现状

国内自1999年起，北京交通大学一直致力于电池管理系统及电池充电机／充电站研究。经过多年的努力，形成了涵盖铅酸、镍氢和锂离子电池的结构多样的适应不同车型的系列产品。

● 系统功能方面，在完善电池基本参数检测、估算、通讯接口、控制和数据记录的同时还增加了绝缘检测、充放电次数记录、电池故障分析与在线报警、电池离散性评价体系、与充电机通讯实现安全充电等功能；

●s0C估算方面，先后采用了OCV—S0C对应关系、安时计量加自放电、充电效率等修正，以及采用双卡尔曼滤波的预测方法(成功的运用到二汽混合动力电动汽车)；

● 系统结构方面，分别设计了集中式、集散式和分散式结构，满足不同车型的需要； ● 辅助设备方面，自主开发了地面监控软件、手持系统、便携式检测设备及车载液晶显屏。

北京交通大学电池管理系统以其性能稳定、可靠性好、检测精度高、功能齐备、方便耐用等优点得到广大用户的一致好评。至今为止，部分产品已经实现批量生产和使用，用户包括国家电动汽车运行试验示范区(纯电动中巴、铅酸)、东风汽车集团(混合动力大巴、镍氢)、北京公共交通控股(集团)有限公司(双源无轨电车、铅酸)、北京121示范线(纯电动大巴、铅酸 锂电) 银川铁通(通讯基站，铅酸)、北京奥运用电动大巴(纯电动大巴，锂电)。经过多年的研究、经验的总结以及实际运行数据的分析，北京交通大学的电池管理系统取得重要的发展。特别是承接了北京奥运电动汽车电池管理系统的设计研发工作以

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来，北京交通大学投入了更大的人力物力，以奥运锂电池为试验对象，着手搭建电池及其管理系统的试验平台，对电池进行更加深入的试验，采用将电池的内在化学机理和外特性相结合的研究方法，对电池进行建模，对电池的优化充电算法进行研究，并将模型和算法嵌入电池管理系统，推出新一代产品，相信届时的电池管理系统会再在现有的基础上体现出更加优异的管理性能。我国对电动车的发展极为重视，早在1992年就把电动车的开发发展列入国家的“八五”重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入的研究开发，在BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近，研制产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用。但电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力蓄电池管理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上也将提出更高的要求。早期的电池管理系统一般只具有监测电池电压、温度、电流的简单功能。随着先进电池在电动车中应用的推广，对电池管理系统的要求越来越高，电池管理系统的功能也越来越强。电动车事业的蓬勃发展，给电池管理技术的发展带来强大动力。经过长时间广泛的研究和装车应用，人们对电池的认识增强，对电池的管理也日趋有效，电池管理系统得雏形已经建立，人们对其的功能已有明确的定义，其重要性也得到充分的肯定。电池管理系统已经从监控系统逐渐向管理系统转变。为了满足电动汽车的实际运行需求，电池管理系统在功能、可靠性、实用性、安全性等方面都做出了重要努力。检测方面，提高了电压、温度及电流的测量精度，基本满足车辆运行和电池使用的要求。过充电和过放电控制方面，增加了齐备的通讯功能，在车辆运行的过程中，与整车控制器通讯，能实现优化驾驶，提高车辆性能，防止过放电；充电过程中，与充电机通讯能实现协调控制和优化充电，保障充电的快速性和安全性，避免电池在使用过程中因过充电或过放电而影响电池寿命，降低运行成本。数据处理方面，增加了电池故障的实时分析能力，对电池的滥用进行预警和报警，对故障进行定位，为电池的维护提供便利。可靠性方面，结合现代大规模集成电路技术，提高系统运行的抗干扰能力。均衡方面，增加了电池的均衡控制能力，提出了充电均衡、放电均衡、电阻均衡、开关电容均衡以及利用现代电力电子变流技术等均衡措施。数据库管理方面，由于电池和电动车都处于试验和日益完善的阶段，电池管理系统多配备了电池运行和充电数据的数据库管理系统，便于对电池性能进行评价，对车用电池的优化设计提供数据支持。但是，电池的SOC估算和SOH评估还不能满足车辆和电池实际需求是电池管理系统最大的缺陷，这极大的限制了电池容量有效发挥，降低了电池均衡效果，使得电池过充电和过放电控制缺乏充足的依据，电池使用的安全性和可靠性随之降低。这直接影响到

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电池的性能和电池寿命以及电动汽车的驾驶性能和电动车事业的推广。所以从电池的内部机理和外特性出发，从电池的电化学、热学以及电学对电池进行综合建模及其模型参数的自适应识别技术、利用电池模型对电池的SOC估算及SOH评估技术、电池优化充放电控制算法及均衡充电技术是电池管理系统亟待解决的问电子变流技术等均衡措施。数据库管理方面，由于电池和电动车都处于试验和日益完善的阶段，电池管理系统多配备了电池运行和充电数据的数据库管理系统，便于对电池性能进行评价，对车用电池的优化设计提供数据支持。但是，电池的SOC估算和SOH评估还不能满足车辆和电池实际需求是电池管理系统最大的缺陷，这极大的限制了电池容量有效发挥，降低了电池均衡效果，使得电池过充电和过放电控制缺乏充足的依据，电池使用的安全性和可靠性随之降低。这直接影响到电池的性能和电池寿命以及电动汽车的驾驶性能和电动车事业的推广。所以从电池的内部机理和外特性出发，从电池的电化学、热学以及电学对电池进行综合建模及其模型参数的自适应识别技术、利用电池模型对电池的SOC估算及SOH评估技术、电池优化充放电控制算法及均衡充电技术是电池管理系统亟待解决的问题，也是今后的主要发展方向。

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第二章 电池发展

2.1 电池性能比较

电动车应当具备优良的驾驶性能和高的可靠性，电动车用电池需要具备能量密度高、输出功率高、寿命长、充放电效率高、适用温度范围宽、白放电低、负载特性好、温度存储性能好、低内阻、无记忆效应、可实现快速充电、安全性高、可靠性高、成本低以及可重复使用等特性。

当今，电动车辆可选择的电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。铅酸电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的电池，但是电池的比能量和比体积都较小，这导致其一次充电的行短，运行效率低，这严重的影响到铅酸电池在车辆上的使用。镍镉电池具有比铅酸电池更高的充放电倍率，推出后得到一定的发展，但是由于其具有记忆效应、含重金属对环境有污染，所以其发展受到限制。为此人们一直探索着如何改进电池的性能，开发能量效率更高、稳定性更好，电荷容量更大的新电池。终于，上世纪90年代，镍氢电池和锂电池出现让人们看到了曙光。

镍氢电池是人们看好的第二代电池之一，是取代铅酸电池和镍镉电池的产品。镍氢电池以其充放电倍率大、无环境污染隐患、无记忆效应等优点很快占领了极大的市场。但是镍氢电池内阻小，这在给人们带来充放电倍率大的同时却又引入了电池不容易实现并联的问题，这限制了镍氢电池通过并联增加容量，加之其工作电压低(1．2V)，需要大量的电池串联，随之而来的一致性问题使得镍氢电池的在大容量场合(如纯电动大巴等)的应用受到限制。特别是锂离子电池推出以后，人们又开始认同锂电池，一些镍氢电池企业纷纷转产生产锂电池。一时间人们所热崇的镍氢电池似有被冷落的意思。锂电池具有工作电压等级高、比能量和比体积大、白放电率低、无记忆效应、环保性好和无污染性等优点。锂电池的能量密度(体积能和质量能)几乎是镍镉电池的1．5～3倍；单元电池的平均电压为3．6V，相当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能减少电池组合体的数量，从而因单元电池电压差所造成的电池故障的概率可减少许多，也就是说大大延长了电池组合体的寿命。所以锂电池很快得到人们的肯定和广泛使用。这也极大地促进了锂电池技术的发展。在电动车上它大有取代铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之势，它将随着电动车的普及发展而成长壮大。环保意识日渐人心，在为子孙后代节省化石能源的责任感下，电动车定会得到重大发展，锂电池也将呈亮丽的发展之势，它将成为21世纪电动车的主要电池。 大量

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被使用的锂离子电池标称电压为3.2v满限制电压为4.2V，当充电电压超过4.2V时，就可能引起会发生鼓胀；放电截止电压为2.5V，当放电低于2.5V时，就会损伤电池，造成容量的下降。(磷酸铁锂电池的标称电压为3.2V)纯电动汽车一般使用比能量高的锂电池提供动力，为提高动力，一般将一百节左右的单体锂电池（300V系统）串联起来使用，有些电动大巴则用二百多节左右的单体锂电池（600V系统）串联起来使用。电池组串联的越多，出现单节落后的几率就越高，相对服务寿命就越短，虽然可以通过维护来维持寿命，但在整个寿命中需要多次维护，维护成本较高，同时也给用户带来不便。

电动汽车产业的出现为锂电池的大规模应用成为现实，但在应用初期，锂电池的制造工艺尚未完全成熟，不论电池厂家怎样精准配组，在使用一段时间后都会出现单体电池落后现象，并且随时间呈迅速扩大，导致电动汽车的行驶里程迅速缩短。 2.2 串联电池组的应用特点介绍

由于单体蓄电池的端电压较低，锂电池为2.5/3.6V。而电动汽车系统的工作电压一般都较高300-600V，因而必须将多只单体电池串联起来才能满足需要。 串联电池组的特点是流过电池组本身的电流完全相等。由于各单体电池的电气参数应材料、工艺等原因，不可能绝对完全相同，出厂时一般采用参数接近配组的方式，使蓄电池组中的各单体电池参数尽可能一致。串联电池组的使用特点之一就是每次充放电时都会放大上述单体电池间细微的差距，容量较少者每次充电时都存在过充电，而每次放电又存在过放电，久而久之，这种较差的电池就会加速损坏形成落后电池，从而导致整个蓄电池组性能下降或提前失效。具体表现为，单体电池质量好，参数一致性好，配组严格，使用环境好（一般浅充浅放）的电池组寿命就长些。而单体电池质量一般，参数一致性一般，配组不太严格，使用环境较差（经常深充深放）的电池组寿命就短。虽然性能下降或失效的电池组仅是一个或数个单体电池首先损坏引起的，也容易进行更换修复，但及时的检查与更换，需要大量维护人员，同时在维护一段时间后还会出现新的落后电池。如果不及时检查、发现并更换落后电池，轻则严重降低电池组服务时间，重则会造成落后电池严重的过充或过放甚至反充，危及安全（漏液或燃爆）。

大量被使用的锂离子电池标称电压为3.6V，充满限制电压为4.2V，当充电电压超过4.2V时，就可能引起会发生燃爆现象；放电截止电压为2.75V，当放电低于2.75V时，就会损伤电池，造成容量的下降。(磷酸铁锂电池的标称电压为3.2V)

纯电动汽车一般使用比能量高的锂电池提供动力，为提高动力，一般将一百节左右的单体锂电池（300V系统）串联起来使用，有些电动大巴则用二百多节左右的单体锂电池

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（600V系统）串联起来使用。电池组串联的越多，出现单节落后的几率就越高，相对服务寿命就越短，虽然可以通过维护来维持寿命，但在整个寿命中需要多次维护，维护成本较高，同时也给用户带来不便。

电动汽车产业的出现为锂电池的大规模应用成为现实，但在应用初期，锂电池的制造工艺尚未完全成熟，不论电池厂家怎样精准配组，在使用一段时间后都会出现单体电池落后现象，并且随时间呈迅速扩大，导致电动汽车的行驶里程迅速缩短。由单体电池有一定的温度耐受范围，在实际应用中如果体积过大，会产生局部的过热，从而影响电池的安全和性能。因此，单体电池的大小受到限制，动力和储能电池不可能采用超大的单体锂电池。例如图6，在苛刻的使用环境下，110*110*25mm3的20Ah锂电池，局部最高温度为135℃；而110*220*25mm3的50Ah锂电池，局部温度高达188℃，更容易发生安全问题。基于现有的正极材料和电池制造水平，单体电池之间尚不能达到性能的完全一致，在通过串并联方式组成大功率大容量动力电池组后，苛刻的使用条件也易诱发

局部偏差，从而引发安全问题。因此，为确保电池的性能良好、延长电池使用寿命(提升50%以上)，必须使用BMS对电池组进行合理有效的管理和控制。电池成组后主要的问题有以下几个方面：

1、过充/过放。串联的电池组充电/放电时，部分电池可能先于其他电池充满/ 放完。继续充电/放电就会造成过充/过放，锂电池的内部副反应将导致电池 容量下降、热失控或者内部短路等问题。

2、过大电流。并联、老化、低温等情况，均会导致部分电池的电流超过其承 受能力，降低电池的寿命。

3、温度过高。局部温度过高，会使电池的各项性能下降，最终导致内部短路 和热失控，产生安全问题。

4、短路或者漏电。因为震动、湿热、灰尘等因素造成电池短路或漏电，威胁 驾乘人员的人身安全。

第三章 电池管理系统的组成

3.1 电池管理系统的构成

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图 3.1 电池管理系统结构

图3.1所示为电动汽车电池组管理系统的组成框图．不难看出系统内部采用了成本较低的RS一485网络，而与车辆上其它控制器间的数据通讯则统一采用了CAN通讯网络。电池管理系统由单体检测模块和综合管理器构成．且多个电池单体检测模块在电池组综合管理器的协调调度下实现电池组数据交换：而综合管理器以及车辆的其它控制器又是在整车综合控制器的协调调度下实现整车数据交换、管理和控制。 3.2电池管理系统实现的功能

池管理就是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余容量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最往状态。一般褥言电动汽车电池管理系统簧实现以下几个功能：

2.2.1准确估测动力电池放电状态(State of Charge），随时预测电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的荷电状态，使电池的SOC值工作范围控制在30％--70％。动态监测动力电池组的工作状态：实时采集电动汽车蓄电池组中每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池包总电压。防止电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池使的用寿愈。当电池组的温度过高，及时报警，保证蓄电池正常工作。建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

2.2.2 电动汽车动力电池组的热平衡管理：电池热管理系统是电池管理系统的有冷却部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装使电池处于正常工作温度范围内。电池热管理的重点是通过分析传感器显示的温度和热源的关系，确定电池组外壳及电池模块的

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合理摆放位置，使电池箱具有有效地热平衡与迅速教热功能，通过温度传感器测量温度帮箱体电池温度，确定电池箱体的阻尼通风孔开闭大小，以尽可能的降低功耗。

目前，在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于：(1)如何根据采集韵每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量较精确豹数学模型，即准确估测电动汽车蓄电港的SOC状态。

2.2.3 FE动汽车储能电池的快速充电技术及均衡充电技术。这项技术是目前世界正在致力研究与开发的另一顼电池麓董管理系统的关键技术。除了计算电池SOC，电池管理系统的另一个重要作用就是实时监控电池组的各项参数，将电池报警信息实时反映给驾驶员。 主要在以下几种情况进行报警并进行相应管理：／单体电压：蓄电池单体电压判断分为两部分：(1)单体电池的正常工作电压范围是[2.5V，3.8V]超出这一范围就要作出相应的提示。(2)电池单体之间的电压差。如果电压差超过0．5V就要提示，并指出是哪个单体的电压值出错。／电流判断：放电电流过大，对于电池组与电动汽车都是非常危险的。放电电流的大小由负载决定，安全放电范围则由电池组安全放电电流而定。过流时，电池管理系统会直接触发继电器，切断电池组与汽车的连接。以确保安全。／剩余电量判断：动力锂电池SOC小于30％，及时提醒驾驶员电池电量低。／温度判断：这里主要是指单体电池的体表温度。不同蓄电池的工作温度范围是不一样的。锂电池的工作温度是-40\。温度过低要提醒驾驶员，电池此时不能工作。电池温度过高超出正常范围通常说明电池坏了。状态检测是实时进行的。准确及时的状态检测直接影响到电池组与电动汽车的安全问题，非常重要。

第四章 电池管理系统的原理

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图4.1系统的工作原理图

4.1 个管理系统的结构的原理

图4.1.1示为系统的工作原理图．其中电池单体检测模块完成对电池单体的电压和现场温度采集，然后通过RS--485总线传输到电池组综合管理器中；综合管理器能够采集电池组的电压、电流和环境温度，并针对电池组剩余电量SOC预测算法完成软硬件实现。此外。电池组综合管理器还带有RS一485通讯接口和CAN通讯接口．前者完成对电池单体检测模块的数据交换。后者完成对整车综合控制器的数据交换，并且其自带液晶显示单元和键盘单元，可以实时显示电池单体电压和电池组的状态信息。利用放大电路中的正反馈和负反馈，这里的电池组单体电压采集是通过一种压控恒流源电路加以实现的，其原理图如图3所示。

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图4.1.2

根据输入信号可分解为差模信号和共模信号的原理。如果利用差动放大电路来采集单体电池电压．尽管不同节点上电池的参考点不同，但由于差动放大电路对共模信号的抑制作用。处于低电位节点处的电压就被抑制。而差动放大电路仅对单体电池电压进行放大．使得相邻电池节点处的电池都具有一个共同的参考点，所以可以实现对长串电池组单体电压的测量。在该电路中。就是利用上述原理把被检测的电压差(即单体电池端电压)转换成电流的形式长距离传输而不受外界干扰．且传输精度高，适合不同电压级别的微机接口电路．以便数据采集和转换，为实际使用带来了方便和灵活性。在图3中可以看到采用运算放大器组成的压控恒流源．被检测电压差取自每节电池的正负极输出端钮，即单体电池的电压值玑。4.1.1式所列：

Ubat?U1?U2 4.1

由于电路中引入了负反馈，故可以认为运算放大器两个输 入端电压相等．即有：

U??U? 4.2

而且在结点2、3的电流方程分别为：

U2?U1U??U3?R2R4U1?U?U??U4?R1R3

4.3

4.4

若在选取电阻时满足R3??R0，那么输出电流，则由下式 可得：

4.5

当各电阻满流I满足：

I?Ubat.R3 4.6 R.R1R1R3?时，时，联立上述五式，即可得输出电 R2R4也就是说流过负载电阻R，的电流与单体电池电压值Ubat成正比，而与负载电池Rt的值

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无关。这样只要改变Rl的阻值，就可把电流转换成不同的电压级别，从而满足不同单片机接口的需要。图4即为电池单体检测模块结构原理示意图，其中a1～aL5为单体电压采集电路的输出端，A1，A5为单片机上对应的A／D接口，R、T分别为单片机串行接口的接收端和发送端，R0、D为对应的发送端和接收端。不难看出模块就是将五组单体电压采集电路置于同一块电路板中设计而成的，再经过A／D转换和RS一485串行总线通信完成数据采集和传输，这样根据串联电池组中的电池数量采用一个或多个模块就实现了对其中每块电池单体电压的测量。

图4.3电池管理系统采集方式

4.2单线式温度采集单元

电池单体检测模块中的温度采集单元采用了“1-wire”单线式串行数据通讯总线，实现简单而且具有12位的采集精度，采集温度范围宽，如DSl8b20，其稳定性和精度都优于传统的动力电池组综合管理器硬件设计图5所示为电池组综合管理器硬件结构示意图，j。、y。代表了霍尔形式的电流、电压传感器，其中电压传感器输入0V～600V，输出0mA～20mA，电流传感器输入一200A～200A，输出一100mA～100mA；微处理器选用了带CAN通讯接口的单片机P87C591；在总线通讯方面。CAN总线采用了内置CAN控制器的单片机P87C591和总线

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驱动器82C250，并加以光电耦合器6N137与外部总线隔离。RS485总线使用了差动信号驱动器65LBCl84，并用光耦ⅡL117实现隔离，RS232总线选用了控制器MAX232以实现综合管理器与PC机的数据交换。从而方便系统调试；ANFIS是电池组剩余电量的核心计算单元．通过单片机软件编程得以算法实现，硬件上则借助电压、电流传感器模拟温度传感器。和一个V佰压频转换电路完成信息采集：显示单元选用了集成的液晶模块T6963C，使用和开发都非常方便。

图4.4线路通讯流程图

4.3动力电池组分布式管理系统软件设计 4.3.1 电池单体检测模块软件设计

电池单体检测模块软件设计采用了中断的程序结构，即利用定时器中断完成数据采集和看门狗保护，利用串行口中断完成电池单体检测模块RS--485总线通讯，这样既保证了数据采集的实时性。又可以使模块在总线通讯时能够快速响应电池组综合管理器对单体数据的收集要求，其中RS一485总线通讯流程图如图4.2.1所示

。

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图4.5通讯流程

4.3．2动力电池组综合管理器软件设计

动力电池组综合管理器软件系统从功能上可分为系统初始化、人机接口、数据处理、故障诊断、通信与网络五个程序模块。系统初始化程序模块主要完成中央处理电路模块的诊断与启动以及系统变量的初始定义和设置：人机接口程序模块负责输入命令的处理和输出信息的显示：数据处理程序模块完成采集，处理A／D数据，电池剩余电量预测算法等功能；故障检测与诊断程序模块实现单体电压报警、温度、总电压和剩余电量报警；通信与网络程序模块保障系统与其它控制单元之间完成实时高速而可靠安全的信息交互。整个系统的软件设计思路是保证系统初始化、人机接口、故障诊断和通信四个模块的通用性。其软件运行流程以及RS一485总线通讯流程分别图4.5、图4.6所示。

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图4.6通讯流程图

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图4.7通讯流程

图4.8池单体检测模块采集值与电压表测量值误差曲线图

温度检测电池组在充、放电过程中，一部分能量以热量形式被释放出来，这部分热量不及时排除会引起电池组过热。如果单个镍氢电池温度超过55℃，电池特性就会变质，电池组充、放电平衡就会被打破，继而导致电池组永久性损坏或爆炸。为防止以上情况发生，需要对电池组温度进行实时监测并进行散热处理。采用热敏电阻作为温度传感器进行温度采样。热敏电阻是一种热敏性半导体电阻器，其电阻值随着温度的升高而下降。电阻温度特性可以近似地用下式来表示：

图4.9电阻温度特性

4.3.3均衡模块电池组常用的均衡方法

均衡模块电池组常用的均衡方法有分流法、飞速电容均衡充电法、电感能量传递方法等。压差值不会超过50 mV。在本系统中，需要较多的I/O口驱动开关管，而单片机的I/O口有限，所以采取整充转单充的充电均衡方法。原理图如图3所示。Q4是控制电池组整充的开关，Q2、Q3、Q5是控制单节电池充电的开关。以10节锰酸锂电池组为例，变压器主线圈两端电压为42 V，副线圈电压为电池的额定电压4.2 V。刚开始Q4导通，Q2、Q3、Q5截

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止，单节电池的电压不断升高，当检测到某一节电池的电压达到额定电压4.2 V以后，电压检测芯片发出驱动信号，关闭Q4，打开Q2、Q3、Q5，整个系统进入单充阶段，未充满的电池继续充电，以达到额定电压的电池保持额定电压不变。经测试，电压差值不会超过50 mV。

图4.10整充转单充均衡转换过程

4.3.4 SOC电量检测

在锂离子电池管理系统中，常用的SOC计算方法有开路电压法、库伦计算法、阻抗测量法、综合查表法[3]。

(1)开路电压法是最简单的测量方法，主要根据电池开路电压的大小判断SOC的大小。由电池的工作特性可知，电池的开路电压与电池的剩余容量存在着一定的对应关系。

(2)库仑计算法是通过测量电池的充电和放电电流，将电流值与时间值的乘积进行积分后计算得到电池充进的电量和放出的电量，并以此来估计SOC的值。

(3)阻抗测量法是利用电池的内阻和荷电状态SOC之间一定的线性关系，通过测出电池的电压、电流参数计算出电池的内阻，从而得到SOC的估计值。

(4)综合查表法中电池的剩余容量SOC与电池的电压、电流、温度等参数是密切相关的。通过设置一个相关表，输入电压、电流、温度等参数就可以查询得到电池的剩余容

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量值。

在本设计中，从电路的集成度、成本、所选MCU的性能方面考虑，采用了软件编程的方法。综合几种方法，采用库伦计算法比较合适。

(1)用C表示锂电池组从42 V降到32 V时放出的总的电量。 (2)用η表示电流i经过时间t后，放出的电量与C的比值。

其中CRM为剩余电量。令ΔCi=i×Δt，表示t时间内电池组以i放电的放电量；或者是以i充电的充电量，剩余电量实际上是对ΔCi的计算以及累加。设定合适的采样时间Δt，测定当前的电流值，然后计算乘积，得到Δt时间内剩余容量CRM的变化量，从而不断更新CRM的值，即可实现SOC电量的检测。

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第五章 小结

目前， 能源消耗在汽车中的比例占主要512业国家能源消耗的24％ Ⅲ，人们在不断寻求可再生的绿色能源代替传统的一次性能源。蓄电池在充电和使用过程中无污染， 必将成为汽车能源发展的一大趋势电池管理系统是新能源汽车必备的重要零部件!与动力蓄电池组共同构成电池系统!为新能源汽车提供动力'单体动力电池要保持一致性很难!需要用电池管理系统来补充' 可以说电池管理系统使动力电池在电动汽车上的使用成为了可能!因此电池管理系统是动力电池和电动汽车产业快速发展的关键' 电动汽车电池管理系统的发展必将带来电动汽车产业的发展。

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参考文献

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