新能源汽车电池能量管理系统设计

新能源汽车电池能量管理系统设计摘要随着改革开放以来，人民消费水平的提高和消费观念的改变汽车已经从奢侈品变成了许多家庭的必需品，汽车的需求量越来越多，导致汽车行业迅速发展，汽车行业快速发展带来了一系列问题大气污染严重，对人类身体健康的危害，对大自然生态环境的污染这已经到了不得不去寻找方法解决的地步新能源汽车成为了汽车生产商很重视的一类汽车本次的论文对新能源汽车电池能量管理系统进行了分析和设计电池剩余电量SOC估算是新能源汽车电池能量估算的难点之一，论文对电池剩余电量SOC估算进行了改进，使电池剩余电量SOC估算更加准确，论文选用了“双向反激变换器”作为电池均衡装置，并以电动汽车为对象设计了可用于箱体均衡的结构论文采用电池检测芯片DS2438来检测电池的电压、电流、温度通过得到的电池电压，电池电流，电池温度等数据，对电池状况进行分析、预警，使其能够及时处理遇到的问题其数据测量准确，电路简单关键词锂电池；电池均衡；电池电压电流；电池剩余电量计算这个方法是计算剩余电量比较普遍且普及的方法，它的思路是在不同数值下的进行放电，其放电的电量大小看成一个给定的电流的放电电量大小，如果刚开始荷电下数值为S0C1因此在时间t1时刻，电池剩余电量可以用式子下图是几种估算方法的比较表如下图所示1SOC=SOC0--£rildt2-7其中SOG为t时刻电池的荷电状态值，单位A.hQn为电池总容量，I为电池充放电电流，放电时为负值，充电时为正值这种方法操作比较容易且结果比较准确的测量剩余电量的方法，适用范围比较广但缺点是外界如果有电磁信号的干扰，会使电流大小不太准确会使计算结果不太正确每个电池都会缓慢的放电，即使锂离子电池缓慢放电没有其他材料电池严重，但是也会在计算剩余电量时造成一些干扰4开路电压法当电池没有在充电，也没有在工作的时候，也就是电池在没有电流的时候，通过测量电池在断路情况下两端的电压，电池剩余电量的电压就是通过这个电压来计算电池电动势大体上等于电池断路的电压，电池经过长时间的放置才能用这个方法，因为这样测量的电压才会更准确，电压才不变化5神经网络法电池充放电的时候，建立一个充放电的模型是非常困难的，神经网络法的学习能力，非线性的基本特征，可以对外部输出的数据，有相应的输出，因此可以用来计算电池剩余电量，但是这个必须有很多的数值做参考数据对这个方法的准确性有很大的关系6卡尔曼滤波法卡尔曼滤波Kalmanfiltering是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程其表达式Xk=AXk-l+BUk+Wk电池当做一个完整的动力系统，电池剩余电量可以看做是电池内部的一个状态，其数学表达式状态方程4+1=4*+线以+%=//，以+叫2-8观测方程+1=6々+以=双々，以+为2-9电池的电流，温度，电池内阻等变量用输入量Uk表示，电池的工作电压用输入量yk表示，电池的剩余电量用状态量xk表示，Fxkuk和gxku0是两个非线性方程，在计算时还要进行线性化，电池的内部状态用公式如下soCji=soqC2-10一般的电池都能用这种方法计算，不但的剩余电量可以计算出大概值，而且还可以计算出误差的多少但要求掌握很强的计算能力，作为电池的模型，有很大的准确性电池剩余电量估算的几种方法优缺点对比如表2-2所示表2-2电池剩余电量估算的几种方法优缺点对比以上几种方法各有各自的优点，但也有各自的缺点，使用的范围要求也都不太一样，本设计通过安时积分法和开路电压法取各自的优点组合来测量电池剩余电量，还增加了电池额定容量百分比这个定义⑴这样会比单独的使用一种方法来测量电池容量百分比要误差小很多该设计思路如下，电池在放电时，需要时时刻刻更新记录电池剩余电量的数值，但这样电荷会累积，会产生误差，安时积分法没有办法测量刚开始电池没有工作也就是没有放电时的电池剩余电量，这样就用到了开路电压法，来测量电池没有工作时的SOC锂离子电池充电和放电的不断进行，它的额定容量百分比会不断地比以前变少，因此我加入了一个额定容量百分比，电池充足电的初始值会得到一个更精确地数值，列方程式Y=10-10*x4_10-7*8x3+

0.00002X2-

0.0163X+

99.856电池额定容量百分比用Y表示，x为电池循环充放电次数，因此估测电池剩余电量的方法可以由下面的式子得出式中T时刻电池的荷电状态值为SOG；电池初始状态的荷电状态值为SOC；电池没有进行循环初始总容量为Q为电池额定容量百分比为y；电池充放电电流为I；工作时间为to这样测量计算出的电池剩余电量SOC比单独的用安时积分法又由或者用开路电压法误差要小很多，和电池剩余电量值更接近3电池均衡方案研究电池进行均衡在电池管理系统中也是一个重要的环节，通过电力电子技术来让每个电池的容量争取一样这就是我们所说的电池均衡，每一个电池在放电时，也就是电池在工作时，电池的工作范围是固定的，电池状态是比较正常的，在工作范围进行工作时，但是，每个电池工作没有在工作范围，而是超出了，电池的寿命，工作质量，安全性会急剧下降

3.1电池均衡的目的现如今，人们已经开始大量普及的使用锂电池，新能源电动汽车不能仅仅靠一个电池提供能量，一个电池提供的能量无法满足新能源汽车进行正常运行所需要的正常电压，能量大小和功率因此现实中，许多个电池用串联的方法来增大电压，以此来满足新能源汽车正常运行所需要的电压，能量，和功率等要求一个新能源汽车一般用大量的电池组串联来保证进行正常运行电池不均衡出现的原因出现电池不均衡的状况有好多，大体上来说，主要是两个方面第一个方面，电池的外部因素，一些离电池比较近的电子零件，器材，例如，检测电路在用电时，电池进行放电时，电流大小的不同会使电池放出的电量多少也不一样，这样可能会导致电池容量出现不均衡，第二种情况是由于电池自身的种种因素造成的，在进行每一个电池的生产时，生产电池的技术水平，所用的不同材料厂家的不同都会使电池不均衡出现，比如电池放电率的不同（由电池杂质的所占比例影响），每个电池自己本身内阻的不一样等表3-1总结了一些电池均衡出现的原因表3-1电池均衡出现的原因电池内部的参数会随着使用时间的增长而发生变化电池的容量的大小，电阻，也会随着发生一系列的变化有时候会变大或者变小，这就是时变因素口空进行电池均衡的目的在上面分析了一下电池容量为什么出现不均衡但是如果现实中，如果电池不均衡现象出现了，会有很大的后果在电池组整体效率和能量传递方面，电池组的寿命会缩短很多这样会造成很大的经济损失，废电池也会造成污染，用从左到右的4个电池，分别命名为ElE2E3E4O认为这四个电池的初始容量是大小是相同的，没有区别，经过很长时间的充放电后，也就是电池工作一段时间后，由于外界的一些因素，环境影响，以及电池本身的因素，每个电池的容量会变得不一样，我们用阴影部分表示每个电池的剩余电量四个电池串联电路图如图3-1所示可以设想一下，电池容量最少的是E3电池容量最多的是E2当这四个电池开始进行充电时，串联的几个电池剩余电量肯定是一致的增加的，由于假设初始容量是大小一定的刚刚开始充电时电池剩余电量最多的肯定会先充满电，也就是电池E2容量肯定先达到最大值，也就是容量最大，如果没有电池均衡措施来进行保护，由于电池E3还没有充满电会继续充电，这样的话，没有一些保护措施，可能会出现安全隐患，甚至会出现灾难，这样的话，应该有安全保护措施，这样电池E2充满电了，就不给整个电池组充电了，这样做虽然安全了，但是由于电池E3还没有充满电，这四个电池的实际容量会比四个电池初始容量的总和会少许多，这样电池工作时间会变少，汽车运行距离会变短这样的话，如果均衡装置不存在，就是均衡装置没有这个说话，这四个电池总的放电量多少直接由电量最低的那个电池来决定，这样电池均衡装置没有的话，电池的实际总容量会比理论的电池总容量会低些，电池会得不到充分的利用，也就是电池充放电不完全

3.4电池均衡方法总结如果要归纳电池均衡的方法，主动均衡和被动均衡是主要的两种电池均衡方法图3-3可以更准确方便的看出主动均衡是利用可以储存能量的组件，从能量多的单个电池，移除到能量少的电池这是主动发生的然而被动均衡是将电池中容量比较多点的单体，通过电阻消耗能量的方法将这些多余的能量消耗掉，一直到我们认定的那个数值大小被动均衡方法研究

（1）电阻分流式均衡这个方法就是讲多余的能量通过电阻进行消耗的一种均流方法，通过下面的图可以知道，并联一个小电阻在每个电池上，这样的话小电阻也可以分到一些电流，并联的话，小电阻和电池两端的电压是相同的，电压大的话，流过小电阻的电流就会大，电压小的话，流过的电流就比较小，小电阻会消耗多余的能量，这样的方法就可以使电池均衡但是电阻分流式均衡这种方法缺点我们可以看的出来，我们无法让电流的大小在我们的掌握之中，总是会有电流在并联的小电阻上通过，这样的方法会使整个电路充电效率低很多，但它的优点我们可以看得出来，操作起来比较方面，这样的花费也比较低，铅酸银电池主要是用这个方法，这样的电池的优点适合这种方法，给这种电池过度充电的话，这样的电池也不会变坏而不能用

（2）开关电阻分流式均衡方法由这个方法的名字的名字可以知道与上面方法

（1）肯定有联系，那就是加上了一个开关在第一种被动均衡方法的基础上，如下面的图可以看出都有一个监控电路在每个电池上，这样的监控电路可以用来记录每个电池的电压的大小，如果我们设想电池E4的电量最多，这样的话，其他的电池电量还没有满，可以关闭和电池E4并联的电阻的控制开关，这样的话这个电阻就有了电压，也就有了电流，可以分流，进行能耗，这样虽然提高了效率，比其他的非消耗能量的均衡方法在其可利用的成本方面会低一些也比第一种方法还要可靠许多，但与第一种方法相同之处还是通过消耗能量的方式都需要选择用来进行均衡方法的小电阻等是其中需要注意的重点主动均衡方法研究通过电感或者电容和开关变换器等器件来转移多余的能量是主动均衡经常用到的方法，通过电容来进行电池均衡，这主要是用电荷的转移，也就是利用电容的特性，电容可以进行能量储存和转移，并且可以自动从高能量转移到低能量这样的话，我们可以通过电容的这个特性把能量从高能量的电池转移到或者间接的转移到低能量的电池上面去，这样做是没有能量消耗的，和被动方案通过耗能的方法相比，但这种方法的电路会比被动均衡的方法的电路会难的多本设计中只介绍基本型开关电容结构和单开关电容结构两类

（1）基本型开关电容假如我们需要对N节电池进行电池均衡，我们就要用到2N个开关和N-1个电容，是非常容易的拓扑结构这样的电路只能在两种情况下进行运行，没有控制器，这个电路也可以在电池进行充电和放电的情况下，上下切换开门，按照一定的规律就可以使电路进行工作，能量就会在单体间进行转移通过电容特性但通过这种方法进行均衡短时间内不行，这种缺陷很明显

（2）单电容均衡方法这种方法与上面的方法进行比较，一个电容以及N+5个开关就能够均衡N个电池通过单电容均衡方法，来控制整个电路是很容易的，仅仅需要第二层开关接触回路的改变电传递能量就能够很容易的实现电池均衡用电感做储能软件的方法这种方法进行均衡，与电容进行均衡是一样的的原理，这种方法有集中式均衡，分布式均衡两种结构进行均衡

（1）集中式结构均衡这种均衡是通过一个多输出的隔离变换器实现对一个容量最低的单个电池进行单独充电，在整个电池组中电池容量比较中从下图可以看出图3-7集中式结构均衡这种方法的优点是可以迅速均衡，不仅整个电池组可以通过变换器输入，而且从外部电源吸收的电能也能变换器输入对能量比较低的电池进行均衡需要通过变压器主绕组来进行漏感问题是这种结构的变压器存在的，而且如果需要很多的电池时，通过变压器的绕组的相对应的数目，这样是与实际很不相符的，只能在理论中可行所以这样的均衡方法对很多的电池进行均衡是很难实现的【山

（2）分布式均衡方法顾名思义，分布式肯定是一个独立的均衡单元给一个电池用，来让能量从高能量电池转移到低能量电池下面的图上可以看出这种均衡方法与集中式均衡方法对比可以看出，容易进行模块化设计，对电池包的扩展很容易，省去了由于电池数目的变更需要重新设计变压器的麻烦，但是缺点也很明显，能量的单向流动是无法改变得

（3）基于能量转换器的均衡方法DCuk电路均衡结构是指两个挨着打的电池的能量互相流动，其能量在两个电池之间流动的方向由电池剩余电量或者电压值来进行确定，通过开关的关闭来进行管理从下面的图可以看出，其存在的问题，需要比较长的时间来进行均衡，可以看出当电池的数量比较多的串联在一起时，这个均衡会需要大量的时间才可以完成这个均衡2）BUCK-boost能量变换器被广泛的应用在了各种升降压的电路中，将电路单元应用到图3-10的结构中，当检测到某节电池单体电压较高时，驱动相应开关管，使电路工作在升压模式下，将电池单体多余的能量从电池中抽出反馈给电池组同样当检测到某节电池的单体的能量较低时，电路也可以工作在buck模式下对电池单体进行充电这种均衡方案比较复杂，成本较高，但是这种设计比较利于模块化如下图3-10所示除此之外还有其他类型的均衡结构，例如DC-AC均衡结构，这种均衡结构特点是控制方式比较简单，易于模块化，缺点是这种均衡结构均衡能力不够强，均衡电流较小因此这种均衡结构在电动汽车领域应用不多，常应用于航天器

（4）双向反激式均衡方法利用双向反激式平衡方法，可以对个别电池进行充电和放电，并且能够使个别电池与一个较大的相邻电池组之间实现双向的电荷均衡其拓扑结构如图3—11所示该电路的工作原理当电池监控芯片检测到某节电池单体电压过高时，控制器发出驱动脉冲信号，开通与该该电池单体直接相连（变压器初级）开关管，此时变压器的初级侧电流逐渐加大，储存能量在较短时间内，电流近似线性上升其中当变压器初级线圈电感一定的情况下，电流的峰值与开关管的开通时间成正比，当开通时间也一定时，电流的峰值与采样电阻值有关，对一阶电路的进行计算分析发现，当采样电阻值低于80m时，电流峰值与采样电导呈线性关系这时可以改变取样电阻值来改变峰值电流大小其中利用A、B端电压采样值输入微控制器，微控制器根据该值的大小来调节开关周期和占空比，达到改变均衡电流的目的对单节电池进行充放电时，结合图3-11变压器原边以及副边的电流波形应为图3-12所示当开关断开之后，副边电流通过与开关管相并联的体二极管续流，能量从变压器的次级绕组转移出去图3-12均衡变压器原副边电流波形

3.5改进的均衡拓扑结构新能源汽车的电池组模块一般由多箱电池串联，可以对电池组中的一个或多个电池进行均衡，但是目前的均衡方案中，由简单均衡器主动、被动所组成的均衡结构，大多是对箱体内的电池进行均衡，保证箱体内电池容量一致，但是不能解决箱体之间的不均衡改进均衡器的连接结构，利用汽车本身的启动电池组作为中间的能量缓冲源，对该缓冲源进行充放电，可以针对某箱电池进行均衡以达到箱与箱之间的均衡效果采用这种结构之后，由于采用了外部的启动电池组作为直流源，因此该结构可以容易的把均衡电流做到一个较大数值，使均衡更加快速反激式均衡模块在整个电池组中的连接结构如图3-14所示当某电池单体电压达到均衡上限条件时，能量将通过反激变压器传递至24V电源，一般该电源为一箱独立的电池组，用来做启动电池当某电池单体电压过低时，启动电池组可以通过反激变换器给该电池充电实际电路原理图如3-13上所示

3.6本章小结本章主要从磷酸铁锂电池的原理出发，分析了锂电池“电压-容量”关系等基本特征，并详细介绍了电池在使用过程中出现不均衡现象的原因在分析了几种电池均衡方案之后，为本BMS系统采用了双向反激式均衡结构，分析了其工作原理，给出了具体的电路设计，并对该电路在实际中的应用进行了改进，克服了目前电池均衡方案中所忽略的箱体之间均衡问题4新能源汽车电池能量管理系统设计

4.1新能源汽车电池能量管理系统功能要求一个好的新能源汽车管理系统设计对整个汽车的行驶过程的安全，汽车的控制，怎样进行充电，充电快慢的选择，以及新能源汽车整体成本等因素都有很大的决定作用一个好的新能源汽车管理系统都要对电池的情况进行随时随地的监控和诊断以及反馈不管汽车是在行驶过程中还是正在进行充电的时候［⑵都要让汽车控制器或者充电机可以接受到，为了可以随时实地进行控制和解决出现的问题，我们设计的电池管理系统需要包括的功能有如下的几个1电池电压的检测2电池温度的检测3电池均衡方面实施4电池剩余电量的测量5电池故障提醒6显示设备7各种控制开关8数据存储和分析9与整车相关控制的通讯10电池电流的检测BMS控制原理如图4-1所示

4.2新能源汽车电池能量管理系统设计本设计主要是针对电池温度，电池电压电流数据的采集，以及进行分析和处理采用电池检测芯片DS2438可以实现对电池温度，电池电流电压的检测这个芯片可以提供这方面的功能1芯片内有温度传感器可以测量温度的大小，温度在-55摄氏度至+125摄氏度，分辨率很高，可以达到

0.03125摄氏度2这个里边有10位A/D转换器，电池任何时候的电压在0到10V之间都可以测量的出来，分辨率比较高为10mv3这个芯片可以通过测量电阻外边的电压，通过计算来测量这个电池电流的大小通过把电阻Rsens电阻数据的大小保存在电流寄存器中，通过补偿寄存器消除转换误差4这个芯片通过集成电流累加器ICA可以对电池剩余电量跟踪，流过电流的总电流在ICA中保留着这个可以看出电池的电量的具体情况这个芯片DS2438工作方式是单线的，所有数据是通过一根输送数据的线来进行的这个芯片有64位序列号进行交流的方式可以用查序列号的方法这样可以用多个这种芯片在一根线上口文我们这个设计通过对一节电池进行测量，进而可以对电池组进行测量我们可以用电池本身对这个芯片进行供电本设计检测模块是用这个芯片作为核心用隔离措施，让数据线单线改为接受线和发送线两线制RECTRA两根线上接有所用到的数据线口文如图4-2所小设计时有一下方面1这个芯片通讯协议信号取非“0”，“1”进行互换当主机在接受信号时发信号线TRA必须保持的为低，然而当主机发出信号的时候，这个主机的接收线应该为高的，必须注意的是这个收发不能够一块来进行这个信号的发放和接受2当在进行通讯的时候，在主线上链接的一切模块进行信号接受的时候，也就是这个信号时是主机发出的时候需要注意的是任何一个单独的模块都是需要电流来进行运行的所以，这个主机放出的信号要进行放大才可以3模块中DS2438的信号地GND1肯定会比起被进行测量的电池的地GND要高一些这是由于这个DQ有效低点平的最大数值也只能到

0.5伏特要将DS2438的地进行抬高，这样的话，可以使在一些要求下尤其是需要进行长距离传输的时候，数据进行传送会变得比较准确一些系统组成框图4-3所示图4-3系统组成框图这样的话，芯片DS2438会对采集到的电流电压温度数据进行分析，然后可以判断出是否超出了给定的数值，会把数据传送给主机，主机会进行预警，然后可以采取相关措施这样可以避免了危险情况的发生DesignofEnergyManagementSystemforNewEnergyVehicleBatteryABSTRACTWiththereformandopeningupthepeoplesconsumptionlevelandtheconsumptionoftheconceptofchange.Thecarhasbecomealuxuryfrommanyfamiliesintothenecessitiesofthecarleadingtotherapiddevelopmentoftheautomotiveindustrytherapiddevelopmentoftheautomotiveindustryhasbroughtaseriesofproblems.Airpollutionisserioustheharmtohumanhealththeecologicalenvironmentofpollutionwhichhasbeenseriousenoughtohavetofindthewaytosolvetheproblem.NewenergyvehicleshavebecomeacarmanufacturerattachesgreatimportancetoaclassofcarsThispaperanalyzesanddesignsthenewenergyvehiclebatteryenergymanagementsystem.SOCestimationisanewenergyvehiclebatteryenergyestimationofoneofthedifficultiesthepaperonthebatteryresidualpowerSOCestimateswereimprovedsothatthebatteryremainingcapacitySOCestimatesmoreaccuratethepaperselectedtwo-wayflybackConverterasabatteryequalizationdeviceandtothedesignofelectricvehiclesfortheboxcanbeusedtobalancethestructure.ThepaperusesthebatterydetectionchipDS2438todetectthebatteryvoltagecurrenttemperature.Throughthebatteryvoltagebatterycurrentbatterytemperatureandotherdatathebatterystatusanalysisearlywarningsothatitcanhandletheproblemsencountered.Thedataisaccurateandthecircuitissimple.Keywords:Lithiumbattery;Batterybalance;Batteryvoltageandcurrent;Batteryremainingpowercalculation5结论与建议结论这次的新能源汽车电池能量管理系统设计主要是对小型电动汽车主要是以锂电池作为汽车动力的设计和分析，通过系统模块化，已知的知识来进行设计，通过参考国内外文献的方法，来加快设计方案，是设计的更合理化，新能源汽车电池能量管理系统设计的模块主要有电压测量模块，电流检测模块，温度检测的模块，相关电池均衡模块，电池剩余电量计算模块，电池故障检测预警模块，各种开关模块，显示设备模块，数据储存和分析模块等模块所设计的新能源汽车电池能量管理系统设计可以达到要求，可以得到一些结果1本次设计在进行试验时，电池充放电很稳定，没有故障产生整个系统中的单个模块设计能按照这次所设计的正常的运行，能够对数据准确的储存和分析，各个模块一切正常的按照设计的思路进行运行和操作2设计的系统对温度的检测，电压电流的检测，采集到的数据比较准确，与理论值比较接近，采用改进的方法来进行电池剩余电量的测量结果也是无误的，也比单纯的用一种方法来进行测量更准确用电感做储备能量的软件，采用集中式均衡的方法对电池能量的均衡很有作用建议这次的设计在试验结束后，新能源汽车电池管理系统能够比较可靠的运行，设计的各模块的功能，也能够在试验中实现的其得到的数据也能通过软件来进行一些分析和处理但是这一切都是在试验中进行的没有实际中运用过，毕竟试验和现实是有区别的，因此这次的设计还存在一定的缺陷，还需要进一步的进行完善1这次的新能源汽车电池能量管理系统设计虽然考虑到了电池均衡方面的问题，但是采用的电池进行均衡的方法，会有泄露电感的情况发生，如果要进一步的改进电池均衡，可能需要更复杂的电路，更发杂的计算，其电池均衡会更加完美2这次的设计虽然对电池剩余电量的计算进行了一些改进，准确度也高点，但电池的剩余电量估算在电池这方面一直都在进行研究，是一个难点重点，想要电池剩余电量的估算在准确一步的话，觉得可能需要大量的数据分析，对电池进行建模处理3由于本次设计是在试验条件有限的情况下进行的，各模块的功能，对数据的分析也是在试验下完成的，即使其结果在误差允许的范围内，也不能准确的说电池在进行工作时，在实际中正常的工作，还需要在实际的工作中进行试验和分析，这样才能对设计的新能源汽车电池能量管理系统进行进一步的改进

[1]⑵

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]参考文献陈宏宇.纯电动汽车产业发展对策思考[J].科学论坛，201234115冯勇.电动汽车电池管理系统研究[D].长沙:湖南大学，20105李相哲.电动汽车动力电源系统[M].北京:化学工业出版社，20111黄可龙，王兆翔，刘素琴，锂离子电池原理与关键技术[M].北京:化学工业出版社，20082谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].广州中山大学出版社201110杨太安.纯电动汽车电源管理系统研究[D].武汉:武汉理工大学，20146郑英杰，电动汽车关键技术研究综述[J].科学之友，20136152-153崔胜民，韩家军，新能源汽车概论[M].北京市北京大学出版社，201120-22王佳元，基于一致性估计的车用动力蓄电池组SOC修正法[J].新材料产业，2007840-43陈全世，先进电动汽车技术[M].北京化学工业出版社，20078廖晓军，何莉萍等.电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J].汽车工程200628963-964李学海.PIC单片机使用教程一基础篇第二版[M].北京北京航空航天大学出版社2007王文伟，毕荣华.电动汽车技术基础[M]北京机械工业出版社，201011陈宏宇.纯电动汽车产业发展对策思考[J].科学论坛，20123418Y.HuS.Yurkovich.Batterycellstate-of-chargeestimationusinglinearparametervaryingsystemtechniques[J].JournalofPowerSources2012198338-3501绪论1新能源汽车研究背景及意义1新能源汽车电池管理系统概述1电池剩余电量SOC预算4锂离子电池的结构和工作原理4估算电池剩余电量的方法选用6电池均衡方案研究10电池均衡的目的10电池不均衡出现的原因10进行电池均衡的方法10电池均衡方法改进114新能源汽车电池能量管理系统设计

204.1新能源汽车电池能量管理系统功能要求

14204.2新能源汽车电池能量管理系统设计15205结论与建议173结论173建议173参考文献184致谢25绪论新能源汽车研究背景及意义在汽车还没有普及的时代，汽车尾气的污染还没有严重到不得不治理的地步，20世纪末期汽车开始成为大众化的产品，人人消费的起，家家户户可以买的起，汽车多了起来，排放的有害气体已经远远超出了我们地球的自我净化和改善的能力水平汽车尾气不仅污染环境还对人体健康产生很大的威胁，尤其是尾气中的NOSO等气体对人的生命有很大的危害，我们都知道空气是很轻的，一个

1.53吨的轿车一年产生的尾气可以达到五吨左右可何况每年那么多汽车产生的尾气了山，对空气的污染造成多大的作用，近几年雾霾更是成为汽车对环境破换的代名词，新闻更是天天报道，国家开始实行汽车限号政策都是为了改善环境更何况汽车运行需要能源驱动，导致地球资源日益枯竭，这导致了一系列恶性循环，这一切迫使汽车生产商不得不寻求新的能源来代替传统的燃料，新能源电动汽车的研究和发展就显得十分重要新能源汽车用电能等无害能源代替了传统的石油能源，新能源汽车一定会成为未来汽车发展的主要方向，新能源汽车有很多优点是传统汽车无法相比的，例如更经济实惠，结构也不太复杂，维修起来也会容易许多，运行起来噪音也比较小，但电动汽车也有不足，电动汽车没有传统汽车续航时间长，电池生产成本较高，这样就使电动汽车的推广受到了障碍不过总的来说，电动汽车发展会成为各大汽车生产商重点关注研究的项目其中新能源汽车电池能量管理系统起着举足轻重的作用⑵国内外比较典型的纯电动汽车如下图1-1所示本次得论文设计是按照设计的要求，对新能源汽车电池能量管理系统进行了分析和设计，在参考了一些文献后完成了电池整体设计，电池剩余电量计算方法，软件的设计，电池均衡方面的研究和方法电池的电压，电流，温度等数据的采集能够进行相关功能的控制，故障方面的分析和反馈本论文设计主要是针对纯电动小型汽车电池能量管理设计的新能源汽车电池管理系统概述在当前情况下，影响纯电动汽车发展的重要原因是电池技术或者是与电池方面有密切关系的技术所以说纯电动汽车在目前的情况下要想发展迅速，必须在电池技术方面进行深一步的研究，对电池技术进行进一步的探讨而对电池组进行检测和管理的是电池管理系统电池管理系统包括电池能量管理，电池组发热处理，SOC等模块这对电池的使用寿命，电池的合理利用电池更好的充放电是十分重要的当纯电动汽车运行时，每个电池组进行工作的时候，电池正常的温度，电池稳定的电压，电池稳定的电流等都是电池组进行正常的工作必要的条件这对锂电池来说更加需要这些条件，如果没有满足这些条件，电池的使用时间会大大的缩短，有时候也会发生事故会对车上的人员造成危险，有时候甚至会造成生命危险⑶每个电池管理系统的功能都会有所不同，但一般的电池管理系统都有六项基本功能如下图1-2所示电池的电压采集，电流采集，温度采集等数据的采集是电池管理系统最基本的性能SOC的估测是每个电池管理系统都有的功能，温度的采集主要是通过软件来进行测量和控制，是电池的温度不能超过电池进行工作的正常温度安全性能的管理主要是对电池的温度，电池的电流电压进行检测和预警⑷当超出某个界限后，发出危险信号，采取相应方法系统的能量管理是对电池进行均衡的作用和电池进行充电和放电作用故障诊断技术是通过对得到的数据进行分析，然后发现电池组哪里出现了问题能够及时的解决下面是两种比较典型的电池管理系统一种是韩国的DEV5-5纯电动汽车，是在纯电动汽车电池管理系统中非常具有代表性的一种系统，如下图1-3所示BMS中央处理器可以和SOC显示状态进行数据通信，可以向安全装置、加热/制冷器件发送开关信号，并将诊断信息，电池数据发送到上位计算机，可以接收电池组的电压、电流、温度信息充电器给电池组充电，电压电流控制由充电器和BMS中央处理器共同决定该电池管理系统功能包括了数据的采集和检测，优化充电，电池SOC还包括了电池系统能量管理，故障诊断分析等作用中央处理器在其中扮演着总控制和决策的作用⑶另一种是奇瑞公司的分布式管理，如下图1-4所示图1-4奇瑞公司的分布式电池管理系统几个电池模块来组成电池管理系统，几个电池来组成电池组，电池管理系统里边有数据采集模块，CAN总线，当然也会有中心控制功能电池管理系统的发展趋势与电动汽车其他控制器技术相比较，电池管理系统的研究水平和成果还不够完善电池管理系统是电动汽车的核心技术之一，虽然近些年这方面有了很大的提高和改善，有很多方面已经进入了试验甚至应用阶段，但是有些地方还是不够完善，例如电池组剩余电量SOC的估算、电池均衡方法的改进等等，以下是电池管理系统的几个未来发展方向.当今的电动汽车对BMS提出了更高的要求，数据采集量更大精度要求更高，电池管理系统的抗干扰能力需要不断提高.选择更合理的方法，更准确的估算SOC值也是未来研究的重点之一.动力电池组自身安全问题也需要大量的试验，也是未来研究的重点之一.不同的动力电池组具有不同的特性，目前同一套电池管理系统只适用于单一种类的电池组管理，开发出能适用于所有种类电池的通用型BMS也是未来研究的重点之一2电池介绍和电池剩余电量（soc）预算电池已经有了150多年的历史，1859年法国科学家普兰特发明了一个可充电的铅酸电池，然后爱迪生发明了银铭电池，但是在应用到实际中不得不进行材料，加工技艺方面的改进，电池的各个方面性能得到了加强然后随着锂电池的出现，锂电池的各方面性能远远地超过了其他材料的电池，也没有其他电池那么多的缺点，它的充放电稳定，使用寿命也很长，锂电池的污染也比较低，并且可将其设计成任意形状的特点，这样使锂电池的应用范围很广成为汽车生产商生产电池青睐的电池种类⑹锂离子电池的结构和工作原理锂离子电池的结构锂离子电池结构图2-1所示如下表2-1则是几种主要锂离子电池性能对照表，如表2-1所示表2-1几种主要锂离子电池性能对照表锂离子电池是在二次锂电池为基础，从而发展出来的电池，解决了锂电池的一些缺点其安全性比较好，有较长的充电放电使用期限，如上图2-1所示，负极材料是锂离子电池材料主要部分人们一般使用活性炭材料作为电池的负极材料，并且有很久的研究时间和使用时间电解液是电池的另一个重要方面，它影响了充放电快慢，和充电安全隔膜把正负极的材料和各种添加剂分开，防止正负极短路，一个好的隔膜对电池的安全，性能好坏等方面有很重要的影响锂离子电池的工作原理锂离子电池，在充电和放电的过程中由锂离子的运动来完成这个过程充电时，锂离子从正极出来经过电解质进入负极，放电时，锂离子从负极出来经过电解质进入正极，正负电极材料结构都没有啥变化，正常情况下，这个反应可以一直进行，是可逆的锂离子电池充电和放电过程中的反应方程式如下所示正极放电时Lii-xMvOz+xLi++xe-=LiMyOz充电时LiMyOz=Lii-xMvOz+xLi++xe-2-1负极放电时LixC+xLi++xe=C+xLi++xe充电时C+xLi++xe-=LixC+xLi++xe-2-2总和放电时Lii.xMvOz+LixC=LiMyOz+C充电时LiMyOz+C=Lii-xMvOz+LixC2-3其锂离子电池工作时候的工作原理图在图2-2中可得到体现理论上电池充放电过程中没有电解液等的损耗，其他气体也没有产生，只有锂离子从正极到负极和从负极到正极的移动，由此可见，锂离子电池也就可以做成密封的⑺其充放电的效率很高，速度很快其容量也很大锂离子电池剩余电量SOC估算研究与剖析SOC用来反映电池的剩余电量，是一个大小可知道的数字500=2/2X100%2-4式中为电池剩余容量，单位A.h；a为基准容量，单位A.h如果要定义SOC首先需要认定其基准容量，剩余容量和电池实际容量的比值，就是SOC一个电池的实际容量是一直变化的，测试的每一次结果都会有所不同，电池使用时间的边长，电池的实际容量会减少，因此都是用电池的额定容量来用作基准容量这个数值是不变的也很方便，实际应用中，进行计算也很简单，但是其他的问题也会有，例如一般刚刚买的电池实际容量都要比电池的额定容量高一些算出来的结果，也就是SOC的大小要比1大，随着使用时间的边长，又会相反，额定容量高于实际容量，这样通过计算，SOC又会比1小这样的话，必须实际情况实际对待，需要校正基准所以基准容量用一个电池的初始容量来表示，肯定比用额定容量的误差小点但由于初始容量对于每个电池都是不太一样的对每一个电池进行参数设计者对生产是很不利的，不利于电池的大量生产电池在充满电的情况下，认定S0C=1那么电池剩余电量表达式又可写成SOC=1—Q/2X100%2-5但是实际生活中，电池在刚开始的时候不可能一直是充满电的时候，所以又能用别的式子来代替SOC=9-2/QXX100%2-6式中，2为初始电量，Q为过程电量，为基准容量，单位均为A.h°由上面的式子可以知道，电池剩余电量的计算，可以确定的有两个变量，另外的两个变量如果知道，那么电池剩余电量就可以通过式子计算出来的但是在实际中，有各种各样的环境因素会影响到电池剩余电量的大体测量，冷热环境，使用时间长短，系统测量误差，相同电池之间细微的差异等测量时要把这些问题全部想到，这样的话，得到的结果才和电池的剩余电量相差不大⑻估算电池剩余电量的方法选用电池剩余电量SOC预算有几种方法内阻法，开路电压法，安时计量法神经网络法以及卡尔曼滤波法等方法1内阻法内阻法是根据新能源汽车电池内阻与电池剩余电量有着一些单调的对应联系，因此可以通过测量当时所用电池的内阻来大体估计计算出电池的剩余电量，由于汽车所用电池组较多，电池单个之间接触也有电阻，随着使用的年限增长，电池内阻也会不断增加每次测量也比较麻烦，是其测量结果变得准确性不太准确，现在电动汽车中用的一般大多数都是锂电池，锂电池在工作过程中，电池的内阻有很小的变化2放电试验法这个方法是用来计算电池剩余电量SOC很准确的方法，是用一个稳定的电流，对电池一直放电到没电，其直到没电的时间和放电时电流大小相乘就是电流所用的电量Q在实验室中一般用这个来测量电池剩余电量，所有的电池对这个方法都能用，但是如果汽车正在马路上行驶，就不能用这个方法如果汽车坏了，亦可已用来检查汽车所出的毛病

[9]O3安时积分法方法应用领域优点缺点放电试验法应用于各个电池系统用于刚开始使用测量电池容量易操作，数据准确，和SOH没有关系无法进行在线测量，耗时间，电池状态会改变，能量会损失安时计量法所有电池都能应用能在线测量，易操作作，精确度高需要有反应的模型，对干扰比较敏感，电流精确测量要求高开路电压法铅酸，锂离子电池等能在线测量，成本低动态响应慢，有酸成层时将会出现错误，电池需要长时间静置内阻法铅酸，Ni/Cd能在线测量，容易操作，能给出SOH信息只能适用于SOC状态神经网络法适用于所有电池系统能在线测量需要相近电池的训练数据卡尔曼滤波法适用于所有电池系统能在线测量需要大量的计算能力，合适的电池模型确定内部参数困难原因1:个体差异原因2时变原因3客户原因4外部环境单体容量单体内阻单体自己放电BMS寄生电流单体容量单体内阻单体自放电客户充放电不同温度，不同SOC下的自放电差异比较项目钻酸锂锦酸锂磷酸铁锂比容童mA.h/kgmA*h/kg140-160110—120160~170比能量W.h/kg105—14090—1200100—105循环使用寿命（次）500以上300以上2000以上额定电压（V）

3.

63.

63.3原料成本很高低低倍率放电较好较差较好安全性能较差较好优异。