第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
能源危机以及环境的污染已经成为现在世界的一个重大的问题，传统的内燃机汽车加剧了这种现象的恶化。在这种背景下，发展电动汽车能够减轻对于环境的污染，同时也会降低能源的消耗，电动汽车作为新能源汽车的一个最重要的部分，越来越受到人们的关注。目前，在电池技术以及电池管理系统发展中主要存在的技术问题有以下几点：
(1)如何延长动力电池循环次数,也就是延长电池的使用寿命问题。因为在使用电池的过程中，由于错误的使用方法，会发生对电池过充电和过放电一系列的行为，这种情况发生后在某一种程度上会损坏电池,从而减短电池循环使用次数，严重时甚至会使电池报废。
(2)车用动力电池在使用的过程中，总是以大量的电池单体串联或者并联的形式成电池组、电池包出现，那么由于出场制造的工艺以及微观环境、人为因素的问题，各个单体动力电池之间必然存在差异，那么在多次的循环的使用过中，这些电池逐渐表现出的运行状态会不一样，也就是说单体电池的性能不一致，即会出现单体电池电压不一致、能量不一致的情况的现象。这种情况下，会导致某些电池在充电过程中已经满能量，但是其他的电池能量不足，如果继续充电，则会使某些电池过充，放电亦如此，从而影响电池的性能，缩短电池的使用寿命。
(3)电动汽车的剩余电量的估计是一个重要的环节，只有通过显示剩余电量才能提示驾驶人，电动汽车可以行驶的里程。剩余电量是动力电池工作状态的一个重要参数，是用来判断电池是否过充过放以及表征电池性能的重要依据。但是剩余电量不能够直接测出，而且影响剩余电量的因素很多，所以对电池剩余电量的准确估算是一个难点。
找到一款具有高能量密度，循环次数多，无污染的动力电池，同时开发出能够高效使用动力电池，防止动力电池发生过充、过放等对电池的损坏行为，可以对动力电池的荷电状态做出准确估算，同时可以将动力电池相关信息及时地传递给整车控制系统，并且合理的协调多个模块之间的关系的电池管理系统成为一个重要的研究方向。
1.2 电池管理系统的国内外发展现状
1.2.1 电池管理系统的国外发展状况
德国奔驰公司就设计了 BADICHEQ 系统和 BADICOACH 系统，该系统能够完成电流监测、温度监测、充放电控制、均充以及数据通信功能；美国通用汽车公司设计的 EV1 车用电池管理系统，并且考虑了可靠性的问题；美国Awrovironment 公司研发的 SmartGuard 系统；美国通用公司研发出的电池管理系统可以使用两个子系统来监测单体电池的工作状况,并且可以把实时检测得到的信息发送至 CPU，CPU 通过处理这一系列的数据来实时分析电池工作状态，以及性能的好坏。还有日本丰田公司也研发了混合动力汽车普锐斯的电池管理系统等。法国对于电动汽车的电池管理系统研究也有重大的进展，其电池管理系统的主要功能为：记录电池的循环使用的次数、充放电监测管理、电动汽车行驶过程中电池的管理、SOC 显示。这些功能大大提高了电池使用的效率，收集电池信息并建立历史档案，在线实时的检测对比、提示驾驶者电池状况，以及是否应该更换电池。韩国研发的 BMS 由数据采集模块、SOC 显示模块、控制模块、热管理控制模块和上位机组成，已经安装电动汽车上使用，通过测试该 BMS 能够控制电池的充放电和实时监测电池的状态。德国Jossen A 等研究人员认为电池管理系统所应有的电气控制主要包括：根据SOC、SOH 和温度来限制充放电电流。Dale B. Garrett 等科学家采用电阻、二极管、运放等实现了对串联电池组电压进行采集，采集结果表明，采集电压的精度明显提高，温度波动小并且准确率提高。Phoenix 公司为研制的电池管理系统采用分布式的管理方式对电池进行监控。Yuang Shung Lee 等提出了模糊控制算法在单体电池均衡方面的应用，并通过实验验证了此种方法在电池均衡方面是可行的。
北京交通大学通通过不断的研究取得了大量的成果，其研制的电池管系统可以实现对于电池的状态检测，电池信息的测量，通讯，并用开路电压法与安时积分的法的结合准确的估算电池的SOC。
清华大学在此方面也有很多的进展，他们研制出了 EV-6580 电动客车的电池管理系统；拜特测控技术公司也研发了荣威 750HEV 电池管理系统；哈尔滨冠拓电源设备有限公司研制出的锂离子电池管理系统以及亿能电子有限公司研制出的锂离子电池管理系统。深圳派司地科技有限公司研制出了 DSB-102-3 型电池管理系统。
第2章 电动汽车锂离子电池的SOC 估算
2.1 磷酸铁锂电池工作原理和特性分析
本文采用的电池是磷酸铁锂电池，单体磷酸铁锂电池的额定电压为 3.2V，单体电压上限为 3.9V，单体下限为 2.0V。如图 2-1 所示，为磷酸铁锂电池的内部结构，正极的流体材料是 LiFePO4，负极的流体材料为石墨晶体.正负极被中间的聚合物—隔膜分开，隔膜只能通透锂离子，但是电子不能够通过。电解质充满在上下两端，外面由金属制成的外壳包裹。磷酸铁锂电池在充电的过程中，正锂离子脱离正极，称为脱嵌；负极从电解质中吸取锂离子，成为嵌入。此过程只会对电池的晶体的层间距离有影响，但是晶体的结构不会发生任何的变化，这样正负极的材料结构也不会发生变化，所以磷酸铁里的化学反应是比较理想的化学反应。化学反应方程式为[18]式（2-1），式（2-2）；
2.1.1 磷酸铁锂电池的优点及特性
1. 单体磷酸铁锂电池额定电压为 3.2V，是同等条件下其他电池的电压的 3倍以上。
2. 比能量高，体积小，质量轻。也就是说，在同等体积，同等质量下，锂离子电池能够释放的能量更多。
3. 循环寿命长。一般的磷酸铁锂电池在正常使用情况下，循环寿命可高达2000 次。
4. 无记忆效应，无污染，被称为电池中得绿色电池。而像铅酸电池，由于含有铅元素，其对环境会造成污染，回收的难度会更大。镍氢电池则有严重的记忆效应。
5. 自放电率低。
6. 充电效率高。磷酸铁锂电池在充满电的情况下放电量占充电量的88%~90%，而铅酸电池仅仅能到达 80%左右。
7. 快速充电特性好，能在 2C 充电倍率下快速充放电，在有锂离子电池专用充电器的情况下，1.5C 充电倍率即可完成快速充电。铅蓄电池和镍氢电池无此特效。
8. 温度特性好，磷酸铁锂电池的化学性质相对比较稳定，一般电池在高温化学反应过程中会出现膨胀，损坏等情况，但是磷酸铁锂电池耐高温的性能好，高温情况下不会产生大量氧气，能够减少电池出现损坏的几率。
2.2 电池的 SOC 定义及影响因素
2.2.1 SOC 的定义
用电池的 SOC 来表示电池剩余的电量是非常合适、合理的，但是电池化学反应是一个复杂的过程，这就导致了电池 SOC 不能通过直接测量的方法得到，而必须通过间接的测量其他的外部参数来估计电池的 SOC，所以准确的估算SOC是一个棘手的难题。
2.2.2 影响 SOC 的因素
1. 温度 外界的温度对于电池 SOC 的影响是十分的明显的，电池的化学反应的剧烈程度是随着温度的变化而改变的，电池能释放出的能量是随着温度的升高而变多的，但是温度如果过高，会产生出大量的高温气体，会损害电池，致使其老化，影响电池的寿命，所以有合适的温度才能使电池高效的工作，尽可能多的释放出它的电量。
2. 充放电倍率 放电倍率用“C”来表示，也就是充放电电流的大小。不同的充放电电流，会导致在同一时间内出现不同的充放电电量，一般情况下，放电倍率越大，放电的电量就越小。
3. 自放电倍率 由于电池充放电的实质是化学反应，所以即使电池不被使用，在静止时也会缓慢的发生化学变化，导致电池 SOC 的变化，并且由于温度对于电池的化学反应有明显的影响，所以在高温情况下，电池的自放电倍率会变大，加快电池的电量释放，导致 SOC 下降。磷酸铁锂电池一般有很好的荷电保持能力，自放电率极低[22]，对SOC的影响可以忽略不计。
4. 电池的老化程度 由于电池持续的充电、放电、升温、降温，这都会对电池的内部结构产生影响，导致电池的老化，随着电池的老化，电池的 SOC会逐渐下降，导致最后无法使用。一般情况下，电池的老化程度都会受到循环次数、充电方式、放电电流，以及放电深度的影响。
第3章 电池管理系统的硬件电路实现.................20
3.1 主控制板的设计.............................. 20
3.1.1 主控制版的整体设计.......................... 20
3.1.2 电源电路设计............................... 21
3.1.3 电流采样电路设计.......................... 22
第4章 电池管理系统软件设计........................30
4.1 软件总体设计方案.......................... 30
4.2 软件的开发以及设计环境...................... 30
4.3 系统软件主程序设计........................... 31
4.4 系统软件子程序设计.......................... 31
第5章 电池管理系统实验...........................38
5.1 实验设备................................... 38
5.2 充放电实验................................ 38
5.3 电池管理系统数据采集调试........................ 41
第5章 电池管理系统实验
在硬件与软件理论部分已经设计完成之后，就需要用实验来验证已经设计好的硬件、软件是否准确，可靠，只有通过实验，才能确定系统是否能够按照预期的方式运行。采集的电压、电流、温度数据是否准确，电池均衡点的切入是否准确。如果在实验过程中，硬件或者软件在某些方面出现问题，就可以及时的调试，或者做出相应的修改。
5.1 实验设备
（1）电池组
本系统选择8节磷酸铁锂电池串联作为一个电池包进行实验。
电池包各项参数为：
标称电压 25.6V，标称容量 50Ah，尺寸 355*312*135mm，质量比能量70Wh/Kg，质量比功率 650W/Kg（100%，10S），工作温度-20℃~50℃，标准放电 50A，最大放电 250A，截止电压 20 V，充电电压上限 29V，最大充电200A。
（2） 实验设备
ITECH 公司生产的可编程大功率直流电子负载 IT8811 一台，具有过功率，过电压，过电流，极性反接保护功能。电压工作范围 0~120V，电流工作范围0~30A。利用此设备可以对电池进行恒流放电，获取相应的电压数据。
本系统的均衡实验实际就是充电的均衡，充电的控制策略为：，求在充电结束后，检测各个单体电池的电压，按照电压的安全标准，单体电池的最高电压与单体电池的最低的电压之差不能超过 50mV。当这个差值在 50mV 之内的时候，均衡操作停止。本实验设定的均衡电流为80mA。具体操作为：在实验之前先把编号为 8 的电池放电，并检测电压，使其电压与其他的电池电压差大于 80mV，然后启动均衡功能，将单体电池电压最高的电池进行放电，当所有电池的电压之差小 50mV 时，停止均衡，这个过程要保证电池的一致性。通过 AD7280A 的均衡端口进行实验，实际均衡过程中，电量都消耗在旁路电阻上面。
结论
本文针对电池管理系统进行研究和设计。通过查阅资料，掌握了大量关于电池管理系统的知识。介绍磷酸铁锂电池的工作特性，并研究一种新型的 SOC估算方法，进行了硬件系统的设计，软件系统的调试，在这些基础上，最后进行了电池管理系统的整体台架的调试。研究内容和取得成果有：
1. 通过大量的翻阅各种资料、文献，总结了国内外电池管理系统研究与发展的状况。介绍了磷酸铁锂电池的工作原理与电池特性。并进行了对电池 SOC估算的仿真，得出结果。
2. 设计中采用 STM32F103RBT6 作为系统的 ECU，以 AD7280A 为电池监控系统，同时设计了电流采样电路，以及控制电路，通信电路，再次基础上完成了各个基本数据的采集。
3. 进行了系统的软件设计，并编写了软件程序，主要包括电流、电压数据采集模块、故障诊断及处理模块、SOC估算模块以及CAN通信模块。
4. 针对磷酸铁锂的工作特性和工作要求，设计了简易测试试验台，并在此基础上对磷酸铁锂电池做一系列的实验，通过分析实验结果，证明了本系统的可以完成电池管理的功能。
通过上述工作，本文完成了预期达到的目标，但是由于本人能力有限，实验器材的缺乏，该系统的开发还需要进一步完善，电池剩余电量和荷电状态(SOC)估算所需的内阻为经验值，都是通过查表获得，必然存在一定的误差，在今后的工作中应开发实时检测方法，进一步完善验证分析方法，改善估算策略，以提高估算精度。
参考文献（略）