动力电池技术及BMS应用方案设计.doc

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1、江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 目 录序 言3第一章 电动汽车动力电池的概述41.1 现今研究的电池种类、工作原理及特点41.2 较为实用的电池技术及应用案例10第二章 电动汽车电池管理系统（BMS)的概述152.1 电动汽车电池管理系统（BMS)基本组成152.2 电动汽车电池管理系统（BMS)的基本功能152.3 电动汽车动力电池的性能参数16第三章 电动汽车锂离子电池BMS方案设计193.1 选择动力电池管理系统合适的结构形式193.2 电池安全的策略203.2.1 安全保护的内容概述203.2.2 安全保护功能223.2.3 动力电池高压安全253.3 动力电池模型建立与剩余电量估

2、计方法303.3.1 建立动力电池模型303.3.2 SOC的几种经典评估方法333.4 动力电池的均衡控制36第四章 动力锂离子电池的不足与完善454.1 动力锂离子电池的的主要优缺点454.2 动力电池管理系统所存在问题45参 考 文 献49致 谢50第 49 页 共 49 页序 言蓄电池及其管理系统是电动汽车的关键技术之一。在以往几年中，大部分企业在电动汽车研制中曾遭遇尴尬，主要是因为采用了铅酸、镍镉、镍氢电池（Ni-MH）等。现在，经过研制与实验比较，采用能量密度更高的锂离子电池取代铅和镍氢电池，运用于汽车领域正成为一项核心技术，它具有重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命

3、长、自放电系数小、温度适应范围宽泛。电池管理系统（BMS）是电池与用户之间的纽带，主要对象是二次电池。 二次电池存在下面的一些缺点，如存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等。电池的性能是很复杂的，不同类型的电池特性亦相差很大。 电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。本次说明书主要分为四章，第一章电动汽车动力电池的概述,包括现今研究的电池种类、工作原理及特点以及较为实用的电池技术及应用案例；第二章电动汽车电池管理系统（BMS)的概述，包括电动汽车电池管理系统（BMS)基本组成和基本功能以

4、及电动汽车动力电池的性能参数；第三章电动汽车锂离子电池BMS方案设计，选择其合适的结构形式、电池安全的策略以及安全保护的内容概述和功能等内容；第四章动力锂离子电池的不足与完善，包括动力锂离子电池的的主要优缺点以及动力电池管理系统所存在问题。第一章 电动汽车动力电池的概述 1.1 现今研究的电池种类、工作原理及特点动力电池是各种电动汽车的主要能量载体和动力源，也是电动汽车整车成本的主要组成部分。电池的历史可以追溯到一个半世纪以前。至今为止，在电动汽车上普遍适用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。一、铅蓄电池目前市场上能够大量提供的是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池已经有130年的历史了，可以说是使用最

5、多的蓄电池。它的性能可靠，生产工艺成熟，价格也较低。目前已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池，使用中不需要补充水分，免维护。工作原理：铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅（Pb（OH）2），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多

6、余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。其主要的化学反应是：充电PbO2+2H2SO4+Pb、放电 PhSO4+2H2O+PbSO4 。阳极给出电子，阴极得到电子，从而形成了回流电路。端电压越高，水的电解也越激烈，此时充入的大部分电荷参加水电解，形成活性物质很少。铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧

7、化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。 特性分析：（1）单体电压高，为2.0V。（2）价格低廉。（3）可制成小至1安时大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池。（4）高倍率放电性能良好，可用于车辆起动。（5）高低温性能良好，可在-4060条件下工作。（6）电能效率可达60%。（7）易于浮充使用，没有“记忆”效应。（8）易于确定荷电状态。（9）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积都比较大，一次充电行驶里程短。（10）

8、使用寿命短，使用成本高，充电时间长。（11）铅是重金属，存在污染。铅酸蓄电池作为电动自行车的动力电源一般只能够使用一年左右，若是性能差或使用不当的只有二、三个月。此外，铅酸蓄电池还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电（但是近来在铅酸蓄电池的快速充电的研究方面已有些进展）等缺点。铅酸蓄电池的改进型胶体铅酸蓄电池，用胶体电解液代换硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸蓄电池有改善。但是总而言之，从长远看，铅酸蓄电池在电动车上的利用前景不佳。报废的铅酸蓄电池因废弃会造成二次污染，这也是有些地方政府不肯支持电动自行车大量上路的重要原因之一。 二、镍氢电池镍氢蓄电池是

9、九十年代涌现出的电池家族中的新秀，从20世纪90年代发展起来，发展迅猛。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由储氢合金制成。工作原理：镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。镍氢电池正极的活性物质为NiOOH（放电时）和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性物质为H2（放电时）和H2O（充电时），电解液采用30%的氢氧化钾溶液，充放电时的电化学反应如下：Ni-MH电池的电极反应为： 正极：Ni(OH)2+OH-= NiOOH+H20 +e- 负极：M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab 特性分析：镍氢电池的

10、优点：能量密度、功率密度均高于铅蓄电池和镍镉（Ni-Cd）电池，循环使用寿命较高；快速充电和深度放电性能好，充电效率较高；无重金属污染，全密封免维护。镍氢电池的缺点：成本高，价格为相同容量铅蓄电池的58倍；单体电池电压低（1.2V）；自放电损耗大；对环境温度敏感，电池组热管理任务重。它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，只是以吸藏氢气的合金材料（mh）取代镍镉蓄电池中的负极材料镉cd、电动势仍为1.32v。它具备镍镉蓄电池的所有优异特性，而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是：比能量高（一次充电可行使的距离长）；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力好）；低温放电性能好；循环寿命长；安全

11、可靠，免维护；无记忆效应；对环境不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是，Ni-MH蓄电池成本太高，价格昂贵。 三、锂离子电池锂是世界最轻的金属，构成电池时，输出电压近4v。锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高，是当前比能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。1995年，索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分两种类型：一种是用于纯电动车（EV）容量为100Ah的圆柱形单体电池，称为高能型锂离子蓄电池；另一种是用于混合动力车（HEV），容量为22Ah，8只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2.7倍，称为高功率

12、型锂离子电池。高能型电池已于1996年装在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上（日产Al-traEV），在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车一次充电可行驶200km，最高时速120Km/h。 工作原理：锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物LixC6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石

13、墨)、正极氧化钴锂(LixCoO2）和有机电解液三部分组成。锂离子电池的电化学表达式：锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。特性分析：（1）工作电压高。锂离子电池的

14、工作电压为3.6V，是镍氢和镍镉电池的工作电压的3倍。（2）比能量高。锂离子电池的比能量是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。（3）循环寿命长。目前锂离子电池的循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可以达到几万次，超过了其它几种二次电池。（4）自放电率低。锂离子电池月自放电率仅为6%8%，远低于镍镉电池（25%30%）和镍氢电池（15%20%）。（5）无记忆性。可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。（6）对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。（7）能够制造成任意形状。（8）成本高。主要是正极材料的价格高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉

15、电池持平，但高于铅酸电池。（9）必须有特殊的保护电路，以防止过充电。预计在20062012 年期间，当锂离子电池进一步发展时，MH/Ni蓄电池的市场份额将缩小。锂离子市场份额将会扩大。目前也已经有采用锂离子蓄电池的电动自行车产品出售。 总结：由于镍氢蓄电池和锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成二次污染，容易被政府环保部门接受，并且有较好的出口前景，目前虽然价格比较贵，仍有较大降价空间，应该大力提倡。 四、质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所

16、，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。图1-1 质子交换膜燃料电池图解简介：两电极的反应分别为： 阳极(负极)：2H2 - 4H+ + 4e- 阴极(正极)： O2+4e-+4H+ - 2H2O注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.51V 之间。

17、将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为7090，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克

18、服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。1.2 较为实用的电池技术及应用案例一、卷绕蓄电池优点：1、卓越的高低温性能，可在-5575下工作。2、充电非常迅速：40分钟内可充入95%以上的电量。3超长寿命，设计浮充寿命可达8年以上，太阳能领域设计寿命10年以上。4起动功率非常大。5、自放电极小。6、100%深放电后再充电能力强。7、能抗剧烈振动和晃动。8、良好的PSOC状态工作能力。9、平稳的高输出电压，更高的能量密度。10、结构坚固，具有优异的抗震性能。11、无游离电解液，可任意方向放置工作。12、超强的高倍率放电能力

19、，最大放电倍率为18C10。13、极高的耐小电流深放电能力应用案例：宝马、丰田、克莱斯勒、大众、奔驰、福特、沃尔沃、日产、道依茨、帕金斯英格索兰等。二、氢燃料电池 世界上发达国家都将大型燃料电池作为重要的研究项目，并取得了很大进步，目前广泛应用与发电厂及汽车厂。德国、美国、日本等国都开始实施氢能产业化未来规划，重点发展氢燃料电池车和公路加氢站。在各国政府的扶持和汽车产业的推动下，氢能产业化的两大瓶颈问题加气站和燃料电池汽车，正逐渐被打破。氢燃料电池技术的产业化之所以在本世纪初进展不大，主要是受燃料电池成本较高、氢燃料电池车技术还需完善及政府鼓励政策尚不明朗的制约。不过，最近几年，各国政府和汽车

20、生产商开始看好氢能。氢燃料电池车将在2015年进入发达国家市场。按照计划，德国将在2015年建成1000个加氢站，开始实现燃料电池动力汽车的大规模商业化，到2020年将有100万辆电动车和50万辆燃料电池汽车投入使用。日本13家国内石油和气体公司宣布，将在2015年前共同大力发展氢能基础设施。其中包括在2025年前实现建设1000座加氢站和200万辆燃料电池汽车的计划。美国也不甘落后，在东部已建成加氢站高速公路，加注点全部为太阳能电解水制氢，新技术还在不断涌现。在美国通用公司的努力下，氢燃料电池发动机的体积减小了一半，与四缸内燃机相当;重量减轻100千克。性能更高的第四、第五代燃料电池车也已开

21、发成功。美国能源部和加洲空气资源委员会合作，开发将热能和氢结合在一起的新一代燃料电池系统，以甲烷和天然气为原料，供高温燃料电池来发电和发热，同时产生氢气，每天为2050辆燃料电池车加注，提高了氢能利用的有效性。工作原理：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子；(3)在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。(4)在电极与

22、电解质的界面上，当表念得电流不流动而处于平衡状态时，电极上发生氧化还原反应。(5)PEMFC的特点及研发应用现状：燃料电池种类较多，PEMFC以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。PEMFC发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。另外，还有一种实用的氢燃料电池案例，其基本原理是通过细菌发酵, 把酸或糖类转化为氢气, 再将氢PAFC导人后

23、发电。 美国1984年设计出一种供遨游太空用的细菌电池, 原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过用特制糖浆作原料的细菌电池。我国早在50年前就开展燃料电池方面的研究。中国科学院长春应用化学研究所、大连化学物理所和中国电子科技集团18所是我国开展燃料电池研究最早的一批单位。如图1三、锂离子电池 锂离子动力电池可用于任何一种驱动车辆,如电动自行车、电动摩托车、电动小汽车、电动中巴和大巴,可广泛应用于移动激光电源、移动通讯设备、军事、 航空航天等领域,具有难以估量的市场前景。锉离子动力电池作为未来电动车最主要的候选动力源, 是发达国家竞争研究热点,而高安全性是该技术的难点。自锂离子电池诞生以来,

24、其使用技术不断提高。如小容量的手机电池,使用技术已达到完美程度。大容量锂离子动力电池的使用技术已趋于大型锂离子电池的组装过程,已达到电源动力要求。锂离子动力电源组所需的单体电池数量最少,电池发生故障的几率大大减少。图4为锂离子电池的组装过程 ，其单体工作电压是铅酸电池的倍、镍氢电池的倍其体积分别是铅酸电池的一 ,镍氢的一,能量密度却是后者的一倍循环可充次数则分别为铅酸的倍、镍氢的倍。锂离子手机电池诞生初期, 以钻酸锉作为铿离子电池的电极材料,这一材料在充放电过程中很容易析出金属状态的锂原子,从而发生爆炸。电动汽车在急刹车或发生意外碰撞事故的条件下, 可能出现较大的反电动势,从而引起锂离子动力电

25、池着火或爆炸。锂离子动力电池作为动力电源,单体电压高,比能量大,有利于电池组故障率的降低和轻量化。目前一般用锰酸锂作电极材料,安全,而且锰价格低廉,蕴藏丰富,生产材料供应充足。现在发展到用磷酸铁锂做锂离子动力电池的电极材料,安全性能比锰酸锂更优越。总之,运用锂离子动力电池技术生产的电动车, 是取代燃油车辆的首选高科技成果。图5为应用于电动汽车上的动力型锂离子电池组。目前,国内有几十家生产锂离子电池的企业,主要产品是手机电池,年生产量达数百万只,产量甚是可观, 我国实际上已是产生电池的大国。但只有几家大企业生产锂离子动力电池,所以,还不是电池强国。要做电池强国, 最重要的是要有原始创新技术, 如

26、没有原始创新技术,产业做得再大,也没有国际竞争力。 锂离子动力电池作为一种新型的动力技术, 使用时必须串联才能达到使用电压要求, 单体性能上参差不齐并不全是电池的生产技术问题即使每一道工序都经过严格的检测程序, 每只电池的电压、内阻、容量一致, 使用一段时间后也会产生差异。所以锂离子动力电池的使用技术，关系到锂离子动力电池整体技术水平的高低。动力电池组使用寿命受多种因素的影响，首先原因是过充和过放；其次是内阻的变化引起电池裂化；此外，温升、内压、功率、容量、效率等都会影响到电池的寿命。 目前，均衡器应用于锂离子动力电池组即可解决均衡控制和管理问题。均衡器系统由一个主控单元和若干个均衡模块组成，

27、两者通过信号总线和功率总线连接，单片机通过信号总线从均衡器采集数据和控制均衡器输出；均衡器系统可同时连接200个均衡模块，在液晶显示器上显示实时数据，通过接口与中央控制单元进行实时通信；每个均衡器对应一只单体电池u，可测量其各种数据，以保证电池的正常工作。 第二章 电动汽车电池管理系统（BMS)的概述2.1 电动汽车电池管理系统（BMS)基本组成 由中央处理单元（主控模块，ECU)、数据采集单元（采集模块BMU）、均衡单元、显示单元、控制部件（继电器，熔断装置）及检测部件（漏电检测、电流传感器、温度传感器）等组成。中央处理单元由主控板、高压控制回路组成；数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块

28、等组成，大部分应用将均衡模块与检测模块设计在一起；显示单元由显示板、液晶屏、键盘及上位机等组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通信以及与整车多能源的信息通信。2.2 电动汽车电池管理系统（BMS)的基本功能电动汽车电池管理系统一般功能示意图如下：（1） 数据采集。 电池系统的所有算法都以采集的数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池管理系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于200Hz（50ms）。（2） 电池状态估计。电池状态估计包括SOC(state of charge）和SOH（state of health)两个方面。SOC告诉驾驶员电池发

29、荷电量。以此可以估计汽车还能行驶的里程；SOH告诉驾驶员电池的寿命还有多久。SOC和SOH是进行能量管理的重要参数。最常用的SOC估计方法是Ah计量结合效率补偿的方法，优化滤波、模糊逻辑、神经网络为新近发展的方法。（3） 能量管理。 在能量管理中，电流、电压、温度、SOC、SOH等参数作为输入用来完成下列功能：控制充电过程，包括均衡充电；用SOC，SOH和温度限制电池放电电流。在放电过程的检测和限制与电池种类、电池工艺有很大关系。（4） 安全管理。 安全管理的具体功能为：监测电池的电压、电流是否超过限制；防止电池过热而发生热失控。（5） 热管理。 对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热

30、管理尤为重要。热管理的功能是使电池单体温度均衡，并保持在合理的范围内，对高温电池实施冷却，在低温条件下对电池进行加热等。在热管理中从电池内部到外界环境的传热速率是一个关键问题，因为电池电解液和电池壳的热导率很小。（6） 通信功能。 电池管理系统与车载设备或非车载设备的通信时其重要功能之一。根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口。2.3 电动汽车动力电池的性能参数一、 动力电池的性能参数1、 电池的放电制度电池的放电制度是指放电率、放电形式（恒流、变流或脉冲）终止电压和温度。终止电压指充放电结束时电池电压，分为充电终止电压和放电终止电压。

31、在研究电池容量时要规定统一的放电电流，常用3小时率表示。如果以电流I放电，电池在3小时内放出的电量为额定容量的话，则这个放电率称为3小时放电率。2、 电池的容量电池的容量是指充满电的电池在指定的条件下放电到终止电压时输出的电量，单位为A.H。关于电池的容量有理论容量、I小时率放电容量、额定容量、实际容量和剩余容量灯概念，下面分别予以说明。1） 理论容量是指假定电池中的活性物质全部参加成流反应，根据法拉第定律计算所能给出的电量。理论容量是电池容量的最大极限值。电池实际放出的容量知识理论容量的一部分。2） I小时率放电容量在恒流放电条件下，正好用I小时把充满电的电池放电到终止电压时所能够放出的电量

32、，通常用CI表示。通常起动电池用C20表示，牵引电池用C5表示，电动汽车用电池用C3表示。3） 额定容量是指规定条件下电池应该放出的电量。额定容量是指制造厂标明的安时容量，是验收电池质量的重要技术指标。我国的国家标准使用3H率放电容量来定义电动汽车动力蓄电池的额定容量。4） 实际容量是指充满电的电池在一定条件下所能输出的电量，它等价于放电电流和放电时间的乘积。5） 剩余容量电池是指经过使用后，在指定的放电率和温度状态下可以从电池中放出的电量。3.电池的能量电池的能量是指在规定的放电制度下，电池输出的电能，单位为瓦时（W,h）或千瓦时（KW.h）。4能量密度电池的能量密度有质量能量和体积能量密度

33、之分。质量能量密度是指单位质量所输出的电能，单位为瓦时每千克（W.h/kg）。体积能量密度是指电池单位体积所输出的电能，单位瓦时每升（W.h/L）。5.电池的功率与功率密度 电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为瓦（w）或千瓦（KW）.单位质量的电池输出的功率称为质量功率密度，单位为W/kg。单位体积的电池输出的功率称为体积功率密度，单位为w/L。6.电池的荷电状态 电池的荷电状态（SOC）描述电池剩余容量的百分比。7.放电深度放电升读是指电池已经放出的电量与电池额定容量的比值。、8.电池的循环使用寿命 电池的循环使用寿命是指以电池充电一次和放电一次为一个循环，按一

34、定的测试标准，当电池容量降到某一规定值以前，电池经历的充放电循环的总次数。9.抗滥用能力 抗滥用能力是指电池对短路、过充电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度。第三章 电动汽车锂离子电池BMS方案设计BMS的设计基本应达到以下要求：实用性强，满足车用动力电源系统的监测和保护功能要求；适用性好，产品适应于对不同类型的电池的管理和保护（仅在某些参数上进行改变）；使用经济，产品扩展性强，可以适应不同的车辆（EV、HE、PHEV等），可以管理不同数量的电池包；自身功耗低；成本低廉，性价比较高；安全可靠；安装便捷，防潮、防尘、防静电。动力电池管理系统的基本设计方案，包括：A

35、 选择一种合适的拓扑结构形式B 确定电池的安全保护策略C 建立动力电池模型，设计剩余电量评估算法D 确定均衡管理策略、能量控制策略 3.1 选择动力电池管理系统合适的结构形式电池管理系统有三种不同的结构，即集中式系统、分散式系统和集成式系统。集中式结构中，中央控制单元、数据采集单元等形成整个电源系统的管理单元，对电源系统的基本信息如电压、电流、温度，进行采样，然后在BMS中心处理器内进行数据的处理、计算、判断及相应的控制。其优点是材料成本低，可在电池管理系统间无限制的通信，安全管理便利，简化了对不同电池参数的调整与改写，对参数的测量速度较快，可靠性高，可以灵活计算，根据不同情况在中心处理器内修

36、改软件，满足不同要求。缺点是需要解决串联蓄电池的电压测量中共地、隔离、测量精度等问题，技术难度大。对电池组进行信号采集，而不能检测到每个电池单体，精度差，对信号处理要求高。当电池故障时只能替换整个电池组。适宜于仅由一个电池包组成的车用动力电源系统。在分散式系统中，数据采集是分散的，即每个电池包对应一个采集单元，这些单元与中心的BMS通过一根母线进行数据通信，充电控制放电控制等单元也可能和中央处理单元分开，有的没有总的BMS控制板，直接通过总线传输到电动汽车中心控制器。优点是减少了布线，便于电源系统的扩展，可以分散安装，通过总线进行连接与信息通信，采集的数据可以就近处理，精度高，使得有可能更好地

37、计算电池的状态，利于建立标准化的电源管理系统。缺点是成本比较高，灵活性差，修改麻烦，数据由串行总线传输，系统巡回监测的速度受限制，数据的实时性不高。BMS是一车载系统，采用分布式检测系统时，由于采样的下位板数目较多，造成电池包内的走线较多，不利于对系统的维护，在较大电池中，使用分散系统较经济。多适用于由多个电池包组成的电源系统，目前多数专门进行BMS开发或生产的企业制作的多为这种分散式系统。集成式是采用大量电池管理芯片进行集成设计。现在有很多电池管理芯片，如DS2438芯片，可完成对电池当前各种状态的监测，包括当前电池的充放电状态、电压、电流、温度、剩余电量、时间等参数的监测。DS2438芯片

38、能够自动采集这些参数，并将其存放在EEPROM/RAM中，再通过一根双向数据线与控制器通信。另如DG2050可以采集电池的电压、电流、温度，并可以计算SOC。使用管理芯片的优点是电路设计简单，不必设计算法。缺点就是算法固定，灵活性差。芯片中固有的算法往往只适用于标准状态下的计算。当环境变化，误差就很大，不能修改校正。有些电池管理系统仍无必须由多个设备来完成，特别是安全管理。正常情况下，设备之间很少或根本没有通信联系，所以要进行最优化运行是不可能的。另一个缺点是与电池相关的控制功能被放在不同的设备中，因此每个设备都必须适用于所有的特殊电池。3.2 电池安全的策略3.2.1 安全保护的内容概述安全

39、保护的内容最常见分为过流保护，过充过放保护，过温保护。过流保护有时也称为过电流保护，指的是在充电和放电过程中，如果工作的电流超过了安全值，则应当采取相应的安全保护措施。动力型的磷酸锂电池一般都支持1C倍率持续充放电，例如，一个标称100Ah的磷酸铁锂电池，允许持续使用100A的电流对其充放电。大多数的磷酸铁锂动力电池都支持短时间的过载放电，能在汽车起步、提速的过程中提供较大的电流以满足动力型能力的要求。但不同的厂家，不同的型号的动力电池所支持的过载电流倍率、过载持续时间都不是一致的，例如，某型号的动力电池支持不超过一分钟的3C过载电流，这正是电池管理系统的过流保护功能所必须考虑的。另一项电池安

40、全保护的基本功能是过充过放保护。其中，过充保护指的是在电池的荷电状态为100%的情况下，为了防止继续对电池充电造成的电池损坏，而采取的切断电池的充电回路的保护措施。在另一方面，在电池的荷电状态是0的情况下，若继续对电池进行放电，也会对电池造成损坏，此时应采取措施，切断电池的放电回路，这就是过放保护。当然，在电动汽车行车过程中切断电源是非常不安全的。因此，一种较为实用的手段是在电源容量不足的时候就对驾驶员发出警告，提示电量不足，同时逐渐减小电池的放电电流，使车辆逐渐减速或者使车缓慢地停下来，当然，这样的功能严格来说应该归入“能量控制管理”的范畴，其实现通常也需要电机控制器、整车控制器等电池管理系

41、统以外的部件来共同完成。在实际操作过程中，过充过放保护有一种简单的实现方法，即设定充放电的的截止保护电压，即如果检测到的电池电压高于或低于所设定的门限电压值，则及时切断电流回路以保护电池。应该指出的，在电池汽车的实际应用中，电池往往串联在一起构成电池组，电池组中只有一个电池低于放电的门限电压，就要对整个电池组进行保护，此时电池组内的其他电池往往带有一定量的剩余电荷，从而造成一定程度的隐性浪费，因此，有必要对电池进行“均衡管理”，这属于“能量控制管理”的范畴。过温保护，顾名思义就是当温度超过一定限制值的时候对动力电池采取保护性的措施，动力电池是一种化工产品，在高温下工作可能引起难以控制的化学反应

42、，轻则损伤电池，严重时将会引起交通事故，造成人员伤亡。正如“电池状态监测”功能所述的那样过温保护需要考虑环境的温度、电池组的温度以及每个单体电池本身的温度。由于温度变化需要一个过程，温度控制往往也具有滞后性，因此，温度保护往往要考虑一些提前量。例如，若监测到环境温度或者电池箱的温度过高，接近使电池损坏的门限值，则应采取相应的保护措施。或者，某个单体电池的温度突然快速上升，虽然还没有达到安全门限值，但仍应采取一定的保护措施，例如，通过仪表对驾驶员惊醒警告。3.2.2 安全保护功能 电源系统的安全保护功能是通过BMS来实现的。BMS直接对电源系统进行管理或者接收整车的多能源管理系统的保护。图3-1

43、为BMS的安全保护功能结构图。 RS232 SOC CAN 主 SPI 电池故障诊断 程数据采集、处理 高压安全 序 时钟设置 电池管理 自检模块 图3-1 BMS的安全保护功能结构图对动力电池的安全管理是电池管理系统的重要功能。安全管理功能主要包括以下几方面：在车辆维护的状态下切断电池系统电源；在车辆维护的状态下能释放掉动力电子器件的电容电压；在车辆故障或发生碰撞的时候能及时切断电池系统电源；充放电参数控制；电池电量的计算与故障诊断；在系统漏电、欠压、过压、高温等情况下通知整车或进行处理；通过高速网络能与其他控制器通信。对电池组的安全管理是管理系统在对电池组的故障诊断基础上实现的。电池管理系

44、统根据电池的单体电压、总电压、电流和温度等信息对电池运行状态进行预测，判断电池故障状态，并生成故障码，通过总线发送到整车控制器和显示仪表。一、 电气控制保护电气控制保护主要是对电池及电源系统的过压、欠压、过流等状态下进行保护控制，避免电池因这些原因造成损坏或出现安全事故以及预测电源系统的SOC为整车提供运行策略。电气安全控制另一项主要功能室漏电保护控制，防止高电压和高电流的泄露。许多系统都专门增加电池保护电路和电池保护芯片。例如某些BMS，其智能电池模块的电路设计还具有单体电池短接功能。安全管理系统最重要的是及时准确地掌握电池各项状态信息，在异常状态出现时及时发出报警信号和断开电路，防止意外事

45、故的发生。二、热管理功能热管理功能一是进行电源系统的温度调节；二是避免电池出现温度失控现象而造成安全事故。电池热管理是电池管理系统的重要组成部分。其功能是通过风扇等冷却系统热电阻加热装置使电池温度处于正常工作范围，电池管理的重点是通过分析传感器显示的温度和电池的关系，确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置，使电池箱具有有效的热平衡与迅速散热功能，通过温度传感器测量自然温度和电池箱内的温度，确定电池箱体的阻尼通风孔的大小，以及尽可能降低功耗。在电池热管理设计过程中面临的主要问题有：充放电是产生的热量如何及时散出；模块内部单体之间温度如何达到均匀；在环境温度较低的情况下，如何迅速将电池预热到正常的

46、温度范围。电动汽车的能源是很宝贵的，应尽量采用节能元件，电池箱内的冷却风扇一般采用分级工作，这样能做到在保证电池性能的条件下尽量使用小排量的风扇。当第一级风扇工作后尚不能达到要求的温度时，第二级冷却风扇才参与工作，加强冷却。此时电池箱内的温度如果还不能达到要求的工作条件，温度继续升高已达到影响电池模块的正常工作条件，为保护电池模块不受损坏，能量管理系统会发出停止电池模块供电指令，强行车辆停驶。当电池在充电状态下，能量管理系统会强令充电机停止充电而不损坏电池。当电池温度超过控制上限时，必须强令停止电源系统工作。高温是造成大部分安全事故的原因。三、管理系统管理系统开机前应首先进行自检，主要监测各项功能模块是否工作正常以及电池组是否异常。自诊断功能为分析系统的状态提供有效的支持。系统可以通过控制单元的通信接口将数据发送给计算机，采用命令响应方式实现。具有以下功能：CAN诊断信息查询；系统信息查询电压、电流、温度、SOC、报警值、系统各种标志等；系统时间查询、设置；系统SOC修改；系统高压继电器控制；HCU高压指令查询；累计充电电量、累计放电电量的查询；电池累计循环寿命的查询、设置；系统开机参数、开机时间、上次关机时间、开机电压、初始SOC等的查询；采集模块所有温度、电压值的查询；系统最高电压、最低电压的查询；系统最高