第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
电动自行车的诞生给人们的生产生活带来了方方面面的便利。出行效率得到极大提升的同时，出行成本变得更低，出行变得更加便捷。电动自行车在平原地区的城市或者农村地区有着很高的普及率和使用频率。以电动自行车产销大省江苏为例，电动自行车早已走进了寻常百姓家，平均每个家庭至少拥有一辆电动自行车。随着汽车保有量的不断提升，城市交通变得日益拥堵，绿色、灵活、便捷的电动自行车逐步成为了普通百姓上班通勤的首选。
动力电池作为电动自行车能量来源，不仅影响着电动自行车电机的动力表现，还对电动自行车的续航能力起着至关重要的作用。较高的能量密度能够给电池带来较好的储能能力。锂电池广泛地作为动力电池之前，以铅酸电池为代表的蓄电池是普通电动自行车最常用的动力电池；随着锂电池技术的发展及社会经济发展水平的提升，锂电池凭借其较高的能量密度和较强的储能能力越来越受到广大消费者的认可，成为许多电动自行车或者电助力车辆的首选电池类型。以当下深受年轻人认可的高端电动自行车品牌小牛电动自行车和雅迪电动自行车为例，其产品早已将汽车级锂电电芯 18650 电池作为电池包的电芯，极大地提升了电动自行车的续航里程和动力表现。
伴随着动力锂电池的广泛使用，电池管理技术也在飞速地发展。传统电动自行车电池包保护板的主要功能是在各种工况下实时准确地监测电池电压、测量充放电回路电流，并在特定情况下接通或关断电流回路，对电池包起到安全管控作用。而随着租赁共享经济的兴起，电动自行车租赁企业和动力电池包租赁企业对远程实时监控电池信息有了更现实、更迫切的需求。这些租赁企业需要实时掌握处于运营状态下的电池充放电状态、电池荷电状态(State of Charge,SOC)、电池温度、电池健康状态(State of Health,SOH)等信息。除此之外，电池包的运动轨迹以及其所处的实时位置信息也是这些租赁企业所需要的。
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1.2 电动自行车动力锂电池管理技术研究现状
电池管理技术是面向电池、服务用户，旨在提升电池可用性与安全性的一种电池管控技术，主要应用于二次电池[2]。电池管理的工作主要有采集监视电池的工作状态，准确识别出威胁电池使用安全的情况，如过温、过流、过充以及过放等，并作出实时有效的应对措施；同时，对于电池包内的电芯单体，电池管理系统能够进行电量调整来确保电量一致性，进而使电池使用寿命得到延长、电池的使用效率得到提升。
1.2.1 电池信息采集技术研究现状
电池基本信息是进行电量管理的重要依据，是电池电量情况计算的数据来源。
电压采集电路通过特定的外围电路和专用芯片将电池电压转换成能够匹配处理器芯片的数字信号。采集串联动力电池组电压有多种途径，从抗干扰性、高低压隔离性能、测量精度以及综合成本等几个方面考虑，可以选择合适的电压测量方法。目前串联电池组的单体电压测量方法主要有如下几种：
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第 2 章 电动自行车锂电池管理单元系统设计与关键技术研究
2.1 BMU 需求分析与系统设计
2.1.1 远程电池监控管理方案
对远程电池监控管理方案进行介绍，可以说明锂电池管理单元的使用场景和用途，更直观地看出锂电池管理单元在电池租赁过程中扮演的角色，分析基于物联网技术的锂电池管理单元对动力锂电池租赁商业模式起到的承载式作用与意义。
面向电池租赁行业的电池管理与传统电池管理之间的明显区别是前者具备远程监控功能。传统的电池管理技术主要应用于依靠电能的产品单体，没有远程监控需求，因而无需移动网络实现多点之间数据交互。而本课题动力电池租赁企业需要对客户租赁使用的电池进行实时有效的监控。监控的内容有电池包端电压、电池充放电电流、电池电量状态、电池工作温度、电池所处的地理位置和电池运动方向等电池使用情况；当电池包出现过充、过放或者过温等影响电池使用安全的情况时，电池组能迅速停止充电或者向负载供电。
根据锂电池技术开发合作项目中企业提出的设计需求，本文将介绍锂电池租赁企业的远程电池监管方案框架，说明电池管理单元的实际应用场景。如图 2.1 所示，在远程电池监控管理方案中，运用管理平台监控、用户租赁、租赁电池包工作、交通工具使用等四个环节共同构成租赁电池的运营过程。因此，面向动力锂电池租赁的远程电池监控管理方案框架设计主要涉及三个部分：运营管理平台、移动客户端应用程序（Application，APP）以及电池管理单元。
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2.2 电池管理单元关键技术研究
2.2.1 均衡拓扑研究与设计
无论是主动均衡还是被动均衡都有相对应均衡拓扑。电池组电芯数目越多，均衡时间越长，均衡算法也将越复杂。追求均衡效率的同时，考虑到电动自行车用电池管理单元物理尺寸的限制，因此选择合适的均衡拓扑将尤为关键。
目前电池电量均衡拓扑主要分为：串联式、层连式以及分组模块式。
串联式均衡结构中，各电芯单体或电池子组配置一个均衡控制单元，各均衡单元之间比邻而连，呈串式结构。这种均衡结构适合单体或者子组数目较少的情况下进行电量均衡。其优点是结构简单，工程实现难度低，其对应的均衡算法复杂度较低；缺点是当均衡单元为主动均衡时，电量只能在相邻电芯之间转移，均衡效率较低。
层连式均衡拓扑可以满足主动均衡情况下跨电池间电量转移的需求，使得电量转移不再只发生在相邻电芯之间。该均衡拓扑的优点是电荷可以跨区域转移，支持主被动混合均衡方式，具备较高的均衡灵活性；缺点是均衡电路复杂，算法复杂度高，成本较高，多用于主被动混合均衡方式。
分组模块式均衡结构是将整个电池包分为若干个子组，如图 2.3 所示，通过单独的均衡模块来均衡每个电芯或电池子组，最终使得各电池子组间电量一致。子组的划分形式灵活，可以将串联电芯作为一组，也可以将并联电芯作为一组。各均衡模块的均衡方式不限，可以主动均衡，也可以被动均衡。因此，分组模块式均衡拓扑是面对电芯单体数量较多情况下的选择。
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第 3 章 锂电池管理单元硬件设计 ............................ 40
3.1 电池管理单元总体硬件框架设计 ............................... 40
3.2 电池管理单元硬件设计 ............................. 41
第 4 章 锂电池管理单元软件设计 ....................... 53
4.1 软件架构设计 .................................... 53
4.1.1 软件架构 .................................. 53
4.1.2 任务模块划分 ..................................... 54
第 5 章 锂电池管理单元测试 .................................... 62
5.1 基础硬件电路测试 ............................................... 62
5.2 电池信息采集测试 ........................................... 64
第 5 章 锂电池管理单元测试
5.1 基础硬件电路测试
根据前文硬件电路设计可知，电池管理单元根据设计需求划分了多个硬件电路模块。基础硬件电路测试将围绕设备的 DC-DC 电源转换、芯片模组之间的通信信号收发以及充放电控制电路这三种基础硬件电路展开。
1. DC-DC 电源转换测试
稳定的电源电路是设备正常启动并运行的基础，因此，将首先对电池管理单元 的电源电路进行测试，主要测试输入端电压转 5V、5V 转 4V 以及 5V 转 3.3V 三种DC-DC 降压电路的转换情况。
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
本课题来源于有关锂电池技术开发的校企合作项目，该项目主要是针对动力电池租赁企业为解决租赁电池包远程监控管理问题而进行相关技术研究，本课题成果已应用于浙江和瑞新能源科技公司的租赁电池包中。物联网技术凭借其能够通过信息传感设备采集信息、经过无线网络并支持自定义协议将设备与网络相连，进而实现信息传输，成为了解决电池租赁企业上述问题的关键。
本文首先对动力锂电池管理技术现状进行了研究，从电池信息采集、电池电量均衡以及远程数据传输等三个方向研究分析适合电动自行车锂电池的技术方案。在远程电池监控管理方案框架下，根据电池租赁企业的实际需求，分析用于电动自行车的锂电池管理单元所应具备的功能和性能要求。
考虑到成本和体积要求，设计了分组模块式均衡电路来对电池组中电量高的电池子组进行被动式均衡，通过均衡电阻来释放其较多的电量，进而提升电池组整体电量一致性。这种分组模块式均衡结构方便灵活，可根据电池租赁厂商的不同容量电池组的串并联方式或者电池子组数量，增加或减少均衡模块单元的数量来适时调整电路结构。也为项目后续开发面向多种类电池包的多版本电池管理单元减少了技术调整难度。为了平衡均衡速度和均衡电路板发热问题，将通过被动式均衡电路中的均衡电流控制在 120mA 左右。运用 Saber 软件对被动式均衡单元电路均衡仿真，仿真结果表明符合设计目标。
传统的基于端电压被动式均衡策略中，采用的均衡阈值都是固定值，这种固定阈值式端电压均衡会导致电池在荷电状态较高或者较低的“两端”阶段被“过度”均衡。通过分析 18650 锂电池的端电压特性曲线并结合电池极化电压的阶段性波动特点，对端电压均衡策略进行改进，采用了一种动态均衡阈值法，来改善电池端电压均衡法的均衡效果，避免在电池处于低电量或者高电量阶段出现过度均衡现象，使得均衡电路每次开启均衡变得合理有效。
参考文献（略）