电动自行车锂电池管理系统方案.docx

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电动自行车锂电池管理系统方案

文献综述

题目：

电动自行车锂电池管理系统

前言：

作为电动汽车以及混合动力汽车飞速发展的基础，电池管理系统的研究备受国内外的重视。

锂电池组由于其优良的性能，在近年来得到广泛的应用。

锂电池管理系统的出现，使安全高效地管理和使用锂电池组变得更加容易。

本文概括地介绍了国内外锂电池管理系统领域的研究现状，并对其进行简要分析。

锂电池管理系统实现的功能包括：

数据监测、荷电状态（SOC）估计、热管理、均衡管理、数据通信、数据显示与报警。

其中SOC测量方法有传统的开路电压法、内阻法和安时积分法，以及新兴的模糊逻辑算法、自适应神经模糊推断算法、卡尔曼滤波估计算法、线性模型法和阻抗光谱法等。

均衡管理可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类[。

正题：

美国Villanova大学和USNanocorp公司已合作多年，对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测。

美国约翰逊控制技术公司利用可变阻抗元件来确定单元的温度是否超过预定门限值，时刻监控电池组温度。

美国托莱多大学提出BMS基本结框图（图1）。

把BMS简化成1个电子控制单元ECU和1个电荷均衡器。

ECU功能有数据采集、处理、传送、控制，还控制均衡器、车载充电器等。

德国研究员认为电气控制需要实现控制制充电过程：

包括均衡充电；根据SOC、电池健康状态SOH和温度来限定放电电流。

电气控制中需要结合所使用的电池技术和电池类型来设定一个控制充电和放电的算法逻辑，以此作为充放电控制的标准。

CAN总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代初为解决汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种通信协议。

现已广泛用于电池管理系统。

德国KaiserseLautern大学采用主辅模块的分布式管理结构，辅模块相当于独立式均衡器，主模块完成管理系统的功能，具有较强的均衡能力。

我国的BMS研究从开始至今，虽然相比美国、日本还差距很大，成果却也比较显著。

在国家863计划2005年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的混合动力轿车（EQ7200HEV）用镍氢动力电池组及管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。

近年来BMS技术发展得十分迅速，国内外的研究也是如火如荼。

短短十几年时间，我国的BMS开发已初具规模。

许多高校、企业都投入大量时间在BMS的研究上，有很多方面已进入实用阶段。

现在借着国家推广电动汽车的契机，更是掀起了一股研发的新浪潮。

但是与发动机技术、整车开发技术相比，现阶段的BMS技术还相当不成熟。

部分结构依然不够完善，例如数据采集的准确性、SOC的估算精度、电池组的安全性等方面。

今后需要解决的问题还有：

降低电路的复杂程度、提高抗干扰性、过载撞击高温情况下的安全性、研发具有通用性的BMS（不针对某一类电池）。

BMS的研发之路任重道远，还需要进一步的研究，以求进一步的改进和提高。

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电动自行车锂电池管理系统

Abstract

TheadvantageoftheEVsisthemechanicalsimplicityofthedrivetrain.Forexample,anEVdrivetraincanconvertenergystoresintovehiclemotion,justlikeaconventionalvehicle,anditcanalsoreversedirectionandconvertvehiclemotionbackintoenergystoresthroughregenerationbarking,whichmeansthattheirsenergy/workloopisinherentbi-directional.Besides,movingpartsoftheelectricmotorintheEVsconsistprimarilyofthearmature（DCmotors）orrotor（ACmotors）andbearings,arelativelysimpleandfarmoreefficientmachine.otheradvantagesincludeelectricmotortorquemuchmoresuitedtothetorquedemandcurveofavehicle.EVdrivetrainoftenneedsonlyonegearratiootherthantwoormore.More-over,areversegearisunnecessarybecausetherotationaldirectionofthemotoritselfcanbereversedsimplybyreversingtheelectricalin-putpolarity.

Lithiumironbatterypackwiththejointdesignofhardwareandsoftwaresystemdebugandtestonelectricvehicles.Theresultsshowthattheintroductionofthebatterymanagementsystemisreliable,economianti-interferenceability.Thisbatterymanagementsystemcanachieve:

theCollectionofbatteryvoltage,current,temperature;thecalculationoftheremainingcapacityandbatterystatusjudgments;real-timedisplay,faultalarmrelatedfunctions..

Thesystemconsistsofadataacquisitionmodule,powercalculationmodule,protectionmodule.SystemusesFreescaleMC9SO8D216CPLJ,througtheimmediateacquisitionmodulecollectsthebatteryvoltage,current,andtemperature,preventthebatteryfromaver-voltage,avertemperature,over-current,makebatterymoresecure,continuingprocessineffect,extendbatterylifespan,increasetheelectricbicyclesecurityinmotion.

Thisdesignoflithiumbatterymanagementsystem'shardwarereliability,economy,anti-interferenceability.theestimatedonremainingcapacitySaCisaccuratethroughpractice,balancedcanbasicallymeettherequirements.

Keywords：

SOC；Managementsystem；Energy

摘要

电动汽车的优点是具有简单的机械传动机构。

电动汽车能够像传统的汽车一样将本身的能量转变成汽车的动能，但它却还可以沿相反方向进行转换，利用能量再生制动系统将动能转换成汽车的电能储备，这说明它的能源和工作回路是双向的。

此外，电动汽车的运动部件电动马达主要由电枢（直流电机）或转子（交流电机）和轴承组成，电机不仅仅具有结构简单效率高的优点，而且它的输出扭矩适合车辆的扭矩曲线。

电动汽车的动力传动系统往往只需要一个传动比，不需要倒档，因为旋转运动方向的变换可以通过改变电力输入的极性来实现。

在电动汽车上搭建实验平台，将磷酸铁铿电池组与设计的软硬牛系统进行联合调试、试验，测得了相关数据。

试验结果表明，本文介绍的赶池管理系统可靠、抗干扰能力强。

可以实现:

电池电压、电流、温度等模似量的采集;剩余电量的计算和电池状态的判断;实时显示，故障时报警等相关功能。

本系统分为数据采集模块、电量计算模块、保护模块。

系统采用了飞思卡尔MC9S08DZ16为中央处理器，通过采集模块采集电池的即时电压、电流、以及温度，防止电池过压、过温、过流，让电池更能安全、有效的持续性工作，延长电池的使用寿命，增加电动自行车在行驶中的安全性。

本文设计的理电池管理系统硬件电路可靠、经济、抗干扰能力强，经实践检验SOC剩余容量的估计比较准确，均衡基本能达到要求。

关键词：

SOC；管理系统；能量

1绪论

随着中国经济的快速发展，人们的生活水平不断提高的同时，汽车的拥有量也在不断的增加，但是如果达到美国的经济发展水平，那么中国每年的汽油消耗量将相当于前中东地区产油量的2倍，这显然是不现实的，应当依靠其它方法来解决这个问题。

因此，电动自行车是目前较为理想的选择之一，因为电动自行车在行使时不会产生环境污染。

并且我国的自行车拥有量相当大，号称自行车王国，这种情况比较符合我国的国情。

从电动车的发展和产业化来看，电动自行车更符合中国国情，从居民平均收入水平和大众需求来看，电动自行车更容易普及和推广。

从交通管理方面而言，我国有关部门规定，电动自行车可以不作为机动车使用。

1.1电动自行车概述

电动自行车（电动助力车）作为新型个人代步交通工具,已经引起国内外的广泛重视。

近年来,美国、日本、英国、法国、德国和意大利等国家已研制出多种电动自行车。

比较典型的有日本的“松下”,英国的“帕森特尔”和美国的“里曼”。

由于技术和商业的原因,这些电动自行车目前未见大量上市。

我国也有许多单位研制了电动自行车。

如北京、上海、杭州、无锡、重庆等地的厂家,其中上海自行车厂的永久DX一130型已批盆问市。

电动自行车有很多优点。

它比自行车的机动性能好得多。

与摩托车相比,电动自行车不仅告价低廉,而且行驶费用少,它不会造成空气污染,几乎没有噪声。

它所用的蓄电池多数可在夜间用电低峰期充电。

不与其他部门争夺能源。

此外,这种车操作简便,速度适中,无论男女老少均可安全稳当地骑行,脚踏骑行也十分轻巧灵活,不会给城市交通增加麻烦。

目前电动自行车技术也有了一定进步，在短途低速、旅游区交通特定用途己经得到应用，但是，主要由于电池性能和成本的限制，距离质量稳定、符合标准地大批量生产，但与传统自行车相比价格昂贵。

锂电池以其工作电压高、比能量和比体积大、自放电率低、无记忆效应、充放电效率高、循环寿命长和无污染性等优点，越来越多的被应用在电动自行车上。

锂离子电池的模型和剩余容量的估计和铅酸电池和镍氢电池有着很大的区别。

本课题正是以锂离子电池为控制对象的，通过大量的试验，设计出一套适合应用在电动自行车上的锂离子电池的管理系统是本课题的主要目的。

1.1.1国外电动自行车发展概况

在日本电动自行车属于奢靡品，价格较贵，用的人未几。

澳大利亚的交通治理部分近期会有提案，将200瓦的输出功率上限进步到300瓦，相信如获通过，将会大大促进电动自行车在澳大利亚的普及和推广。

记者了解到，电动自行车均匀每部售价1000到4000美元，相称于一部二手小轿车的价格。

北海道也有类似服务，而且是免费的。

连电都保证不了，天天都要充电的电动自行车如何能普及？

有自备发电机的家庭也不会青睐电动自行车——与其用汽油发电，再给电动自行车充电，还不如买辆烧汽油的“轻骑”省心。

　　澳大利亚法律划定，输出功率在200瓦以上的电动自行车被列入小型摩托车治理，车辆要进行注册，驾驶者必需持有驾照，治理规则与摩托车相同，驾驶者要戴安全头盔。

电动自行车在普通民众中不普及的主要原因是美国人日常出行非常依靠汽车，城市规划和交通举措措施也多是为开车族设计的，大多数美国城市的公路上没有自行车道。

高收入家庭能靠自家的汽油发电机发电照明，中下收入的上班族就只能靠马灯什么的照明了。

1.1.2国内电动自行车发展概况

电动车的车载电池管理系统在国内的研究，依然处于初级阶段。

现在，有很多知名高校，如清华大学、北京航空航天大学、北京交通大学、北京理工大学和北方工业大学等等，利用自己在这方面的优势，和一些汽车生产商和电池生产商联合研究开发，都取得了丰硕的成果。

此外，我国在十五期间成立了电动汽车的专门研究项目，通过最近几年的努力，已经取得很大的成就。

在2005年，国家863计划立项的第一批研究课题中，就有很多公司、研究院参与其中，而且也取得了一定的成果。

但是，因为种种原因，对电池性能的了解不深入以及实验环境的不足等等，在开发电池管理系统的道路上，需要我们解决的核心问题太多了，所以现阶段的管理系统都不够完善，其还有很大的上升空间。

近年来，电动自行车行业发展迅速，年增长速度达到30%-40%。

随着2011年对电动自行车市场的整治，电动自行车产业正面临深度的大调整。

“据完全统计，1-9月，全国50家骨干电动自行车企业的增长只有5%，中小企业产销量更是大幅下降。

”江苏省自行车行业协会理事长陆金龙告诉本报记者，这为大企业转变增长方式，提升技术水平带来契机。

电动自行车发展最快是从2005年开始的，企业之间的激烈竞争大大刺激了技术进步和新技术的扩散。

蓄电池寿命和容量提高了35%，电机从单一的有刷有齿电机发展成为无刷高效电机，寿命提高了5倍，效率提高了近30%，爬坡和载重能力提高了3.5倍。

2009年美国总统奥巴马首次访华时，就收到了科技部部长万钢赠送的电动自行车作为国礼，电动自行车是我国为数不多的具有自主知识产权的代表。

1.2电动自行车电池管理系统概述

而作为电动自行车的一部分，电池管理系统具有很重要的作用。

我们知道，蓄电池是电动自行车的动力源，其性能和工作状态对整车来说是非常重要的，电池管理系统的主要功能就是在即时检测电池工作状态的基础上，对其剩余容量做出较为准确的估计，对故障电池做出早期预判，防止发生过冲过放等损害电池的行为，防止因为单体电池的损坏而未能及时发现而导致的整个电池组的寿命降低，从而降低了成本，提高使用效率。

可见，电池管理系统对电动自行车而言也是不可或缺的部分。

目前所涉及的电动自行车电池管理系统（BMS）通常包含以下功能组成部分:

数据采集、剩余容量（SOC）的估算、电气控制（充放电控制）、热量管理、安全管理和数据通信等。

电池自身的性能参数虽然影响电池的寿命，但电池本身的问题不在电池管理的范围之内。

借助电池管理系统（BMS）判断单体电池与电池组的状态;可以优化电池的外部参数，最终增加电池的寿命，起到保护电池的作用。

1.2.1国外电池管理系统研究现状

从1997年升始，日本青森工业研究中心仍在继续进行（BMS）实际应用的研究:

美国Villanova大学和SNanocorp公司己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纳入技术开发的重点。

例如，法国所设计研发的电池管理系统功能相当的完善，它可以保证电池处在正常状态下，防止其进入损害状态，最大程度的提高使用效率和延长使用寿命。

德国西门子公司自主研发的电池管理系统，能够最大程度的提高充电效率，节省了充电时间而且最大限度地节约了电能。

随着近年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种类型的电池作了大量的试验及研究，总结出电池的数学模型，并成功开发出许多电池管理系统，并装车试用。

比较有代表性的有:

德国MeltzerElectronicGmbH和WernerRetzlaff为首设计的BADICHEQ系统及BADICOaCH系统;德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统;美国通用汽车公司生产的电动汽车EVI上的电池管理系统;美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统（L.ong-LifeBatteryUsingIntelligentModularControlSystem）;美国ACPropulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统;日本丰田的混合车用系统等等。

1.2.2国内电池管理系统研究现状

我国的BMS研究从开始至今，虽然相比美国、日本还差距很大，成果却也比较显著。

在国家863计划2005年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的混合动力轿车（EQ7200HEV）用镍氢动力电池组及管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。

像比亚迪、奇瑞、哈飞、上汽都在研发自己的电池管理系统，争相开拓电动汽车市场。

总体来讲，电池管理系统（BMS）与电机、电机控制技术、电池技术相比，还不是很成熟。

电池管理系统作为电动汽车最关键的技术之一，在近年来虽然有很大的提高，很多方面都己经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在采集数据的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。

1.3本课题研究的意义和内容

本课题的主要目的是纯电动自行车的研制，研制适用于纯电动自行车的电池管理系统。

实现对电池电压、电流、温度数据进行采集，剩余电量计算，电池状态检测，通信等功能的BMS系统。

2电池管理系统总体设计

2.1常见电池的介绍

镍镉电池:

镍镉蓄电池过充电时，将使电池内发生分解水的反应，在正、负极板上将分别有氧气和氢气析出。

气泡聚集在极板表面，将减小极板表面参与化学反应的面积并且增加电池的内阻。

镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电荷量。

比如，镍镉电池只放出80％的电荷量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出原来80％的电量，这种现象称为“记忆效应”。

镍氢电池:

镍氢电池的容量比镍镉电池大，一般为两倍左右，其正极的主要成分为氢氧化镍，负极主要为无污染物质的合金粉，电解液是30％氢氧化钾水溶液。

镍氢电池的反应与镍镉电池相似，过充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。

但由于有催化剂的氢电极面积大，氢气能够随时扩散到氢电极表面，所以氢气和氧气能够相对容易的在蓄电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力基本保持不变。

虽然如此，长时间过充后，电池内气压过高，就可能会爆炸。

镍氢电池也有记忆效应，但棚对镍镉电池较小。

锂离子电池:

锂离子电池与镍镉电池和镍氢电池相比，有很多优点。

锂离子电池不存在记忆效应；相同的电容量下，体积非常小；使用电压为3.6V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍；可使用的温度范围广（一20℃～60℃），而镍氢电池为（0℃～50℃）。

同时锂离子电池的自放电率也比较低。

自放电率，是指在一段时间内，电池在没有使用的情况下，自动损失的电量占总容量的百分比。

一般在常温下，镍镉电池的自放电率为每月13％～l5%，镍氢电池为每月25%～35％，而锂离子电池只有每月5%～8%.不同温度和电池充饱状态，对其影响不同，如数据表2.1

表2.1不同温度和电池充饱状态

2.2电动自行车对电池的要求

通过考察发现，目前的电动自行车车载电池基本没有管理系统，这种情况对于镍镉电池和镍氢电池来说还基本可以，但是对锂离子电池来说，这是绝对不行的。

因为锂离子电池在过放电、过充电、过电流或过温度的状态下会严重的损坏，甚至会出现爆炸等安全性问题。

本文所研制的新一代适用于电动自行车的锂电池管理系统，必须具备以下功能:

（1）对电池运行时的实时数据进行采集，包括单体电压、电池组总电压、温度、充放电电流;

（2）电池充放电过程管理:

即实时监控电池充放电时的温度、电压、电流等参数，在发现异常情况时及时断开充放电电路。

（3）剩余电量估算及显示;

（4）电池故障诊断:

依据所测单个电池温度、电压等参数对比其正常参数范围作出诊断处理;

（5）安全、可靠、抗干扰能力强;

2.3锂电池的概述

2.3.1锂电池基本工作原理

从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。

充电时锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解液后嵌入到负极材料的层状晶格中:

放电时锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解液后嵌入到正极材料的晶格中。

在充放电过程中，锂离子在正极和负极来回移动。

2.3.2锂电池的重要性能指标

（1）容量。

电池容量是指在一定放电条件下，可以从电池获得的电量，即电流对时间的积分，一般用mAh或Ah来表示，它直接影响到电池的最大工作电流和工作时间。

（2）放电特性和内阻。

电池的放电特性是指电池在一定的放电制度下，其工作电压的乎稳性，电压平台的高低以及大电流放电性能等，它表明电池带负载的能力。

电池内阻包括欧姆电阻和电化学电阻，大电流放电时，内阻对放电特性的影响尤为明显。

（3）工作温度范围。

用电器具的工作环境和使用条件要求电池在特定的温度范围内有良好的性能。

（4）贮存性能。

电池贮存一段时间后，会因某些因素的影响使性能