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第一章绪论
研究背景
自进入新世纪以来，节能环保成了当前当前能源环保问题的一大焦点，各个国家对节能和环保问题都很重视，不信投入大量资金和精力用于科研开发上，其中电动汽车就是很多国家重点研究开发的对象，因为当前越来越多的家庭都有了自己的电动汽车，而且私家车的数目还在不断增加，虽然给人们很多交通上的便利，但是却消耗掉了全世界每年石油产量的一半以上，这么多是由燃烧后排放出去的气体对环境来说也是一个巨大的负担，空气污染，酸雨都与这有着直接的联系，而且加剧了能源的紧张，导致油价上涨等等一系列问题，尤其是最近几年在我国有些地方出现了柴油、汽油紧缺的现象。电动汽车是解决这一系列难题的一个好的出路，它有这么三大突出的优点，第一，电动汽车利用的电能，电能来源广泛，有火力发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电、地热发电等发电方式；第二，电动汽车对环境的污染非常小，噪音小，非常的环保；第三电动汽车的能源利用率高，正符合国家节能环保的政策，。
当前电动汽车的研究已经得到了越来越多的国家的欢迎和重视，从长远来看，电动汽车必将成为未来发展的重点，具有广阔的研究和应用前景，我国对电动汽车的研究表较早，很多大学和汽车公司已经研制出了很多类型的电动汽车，成果颇丰，我们学校为淄博市就研制出了一辆电动公交车，汽车上印着 "山东理工大学" 的名字呢，这也是我们学老师研究出来的成果，作为学校的一员同感荣幸。
目前电动汽车主要有三种类型：纯电动汽车，它是以蓄电池的电能作为汽车的动力；混合动力电动汽车，它是发动机和电力传动并存的电动汽车，两者可以互相补充，是发动机汽车到电动汽车的过度型；燃料电池汽车，它是以燃料电池作为动力来源的。
当然电动汽车的发展还存在许多问题，主要是动力电池和高效率的充电问题，电池管理系统是很重要的一个研究反方向。
国内外研究现状
目前世界各国都在大力研制电动汽车。
下面介绍几种典型的电池管理系统。
（1）德国柏林大学研制的电池管理系统
系统包括：显示模块、速度调节模块、温度调节模块、上位机诊断模块，还有为电池模块配备的平衡器。总体控制方案中，采用CAN总线模式，微处理单元采用西门子公司的Microcontroller80C167CR。
该电池管理系统是目前国际上功能比较全、技术含量比较高的电动汽车用电池管理系统，其主要功能主要包括防止电池过放充电、电池组热管理、基于模糊专家系统的剩余电量估计、用神经元网络辨识电池。
（2）韩国大宇公司DEV5-5电动汽车用电池管理系统
该电池管理系统的主要功能有：数据采集、优化充电、SOC估计与显示、安全管理、能量管理、电池管理和故障诊断功能。
电池管理系统有电池控制单元（BCU）、主充电器、辅助充电器、热管理系统、SOC计算、电池报警系统、模块传感器装置和安全模块构成，其中BCU发挥核心功能。BCU实时监测电池工作状态，向各子程序系统发送正确的指令以使动力电池正常工作。
（3）北京交通大学研制的电池管理系统
这个电池和管理系统是在国家"863"计划支持下由北京交通大学完成的用于动力镍氢蓄电池监测及管理的系统装置，在2002年12月科技部验收了这个电池管理系统项目。系统装置可以监控电池的运行状态、估量电池的剩余电量、对使用过程中出现的故障进行早期的诊断和充电。
根据汽车的使用特点，其实用的动力电池一般应具有比能量高、比功率大、自放电少、工作温度范围宽、能快速充电、使用寿命长和安全可靠等特点。前景比较好的是镍氢蓄电池，铅酸蓄电池，锂离子电池，
1.3电池管理系统（BMS）
电池能量管理系统是保持动力电源系统正常应用、保证电动车安全和提高电池寿命的一种关键技术，它能保护电池的性能，预防个别电池早期损坏，利于电动车的运行，具有保护和警告功能。电动汽车的充电、运行等功能与电池相关参数协调工作是通过对电池箱内电池模块的监控工作来实现的，它的功能有计算并发出指令，执行指令，提出警告。电池能量管理系统主要包括：电池状态估计、数据采集、热管理、安全管理、能量管理和通信功能。
（1）数据采集 电池管理系统的所有算法、电动车的能量控制策略等都是以采集的数据作为输入，影响电池能量管理系统性能的重要指标是采样速率、精度和前置滤波特性。
（2）电池状态估计 电池状态估算包括SOC和SOH，是电动汽车进行控制和功率匹配的重要依据。在行车过程中系统可以随时计算车辆能耗给出SOC值，供能源管理系统进行功率配置和确定控制策略，使驾驶员知道车辆的续驶里程，及时作出决定到充电地点充电防止半路抛锚，SOH告诉驾驶员电池的寿命。
（3）能量管理 在能量管理中，电压、温度、电流、SOC、SOH等作为输入完成这些功能，控制充电过程，用SOC，SOH和温度限制电源系统输入、输出功率。
（4）安全管理 具体功能是监视电池电压、电流、温度是不是越过正常范围；防止单体电池过充。
（5）热量管理 电池的热量管理对于大功率放电和高温条件下使用的电池非常关键。热量管理的目的是使电池单体温度平衡并保持在一定的范围内，使高温电池降温，使低温电池温度升高。
（6）通信功能 电池管理系统与车载设备设备的通信是BMS的重要功能之一，根据实际的应用需要，可以采用不同的通信接口进行数据交换，如：PWM信号、模拟信号、CAN总线或I?C串行接口CAN总线是一种可考虑高、通信速率高的现场总线。
（7）人机接口 设置显示和控制按键、旋钮等来输入指令给BMS 。
（8）保证充电功能 电池能量管理系统实时检测电池的工作状态，特别是对煤质电池的工作状态进行监测分析，将监测的数据在充电前通知充电机即车与机的对话，告诉充电机电池组的工作状态和每只电池的技术状态，"落后"电池和"先进"电池的性能差异。系统计算此时充电机应当采取何种充电方式给电池充电才能达到给点吃充足，性能好的电池不能过充，而性能差的电池又能充足，保证整车能量的供应。
（9）故障诊断功能 能够与车辆检测仪器进行通信等，诊断系统故障，方便车辆的维修。
在电动车动力系统中，电池监控主要指的是被动的监测和评估电池的状态，但是电池管理包括处理数据并且预测电池将来的表现，甚至是主动干预和控制电池的充放电电流和电压，控制充电条件和电池工作温度等。
整车的能量管理是指动力系统中为满足驾驶员期望工况而进行的功率和能量的平衡，要完成这个任务电池管理系统要进行系统设计，算法设计，硬件、软件设计，应用与实验验证等。
管理系统（BMS）主要有以下几部分组成：数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块）、显示单元、均衡单元检测部件（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成，大部分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、键盘及上位机组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。
BMS的主要工作原理可简单归纳为：首先数据采集电路采集电池状态数据，再由电子控制单元进行数据处理和分析，再根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，向外界传递信息。
1.4本论文的主要内容
本课题是电动公交车充电管理系统的一部分，主要负责对充电进行管理和控制。系统监测所有电池的电压，温度等工作状态，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，系统通过CAN总线与充电桩通信，具有过压、过温保护功能，要求设计相应的充电管理硬件及软件完成相应的功能。主演内容是针对电动汽车用镍氢蓄电池组，完成系统整体方案的设计，底层电压、温度的采集方案完成了硬件的设计和调试。
电动汽车动力电池一般有多个单体电池串联组成一个电池模块，加上微控制器为核心的电池管理系统组成一个车用电池组。本课题串联384节1.2V DC容量为300Ah镍氢电池，本课题实现了BMS控制器对电池电压、电流、温度参数进行采集，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，为进一步实现完整的电池管理系统提供原始数据和软硬件平台。
2电池管理系统设计
与动力电池相关的管理控制设备称为--电池管理系统（BMS），作为一个整体在电动汽车中发挥作用。BMS的作用主要可分为两个方面：保证电池安全；合理高效的使用电池储存的能量。
电池管理系统是一个监控系统，所以在研制它之前首先要对监控的对象非常熟悉。所有的电池管理系统都是针对一种电池甚至是一个品牌一个型号的电池而言的。
2.1蓄电池的主要性能指标
1.电压
（1）电动势：指电池正负极之间的电位差E。
（2）额定电压：标准条件下电池在工作时达到的电压值。
（3）开路电压：开路时电池两端的电压，跟电池两端的电动势近似相等。
（4）负载电压：电池两端接上负载R放电过程中的电压，其数值就是电动势减去电池内阻两端的电压，即U=E-I*R。
2.能量
（1）实际能量：是指电池在一定的条件下放出来的能量，等于电池的平均电压与实际容量的乘积。
（2）标称能量：电池在规定放电条件下放出的能量，其数值等于额定电压与额定容量的乘积。
（3）能量密度：电池组的每单位体积输出的能量，单位是 / 。
（4）比能量：电池组单位质量输出的能量，单位是 / 。
3.电池容量
（1）实际容量：一定条件下电池输出的能量，放电时间与放电电流的乘积。
（2）理论容量：按照法拉第定理根据蓄电池活性物质的物理特性计算出的最高理论值，单位用体积容量Ah/L或质量容量Ah/kg表示。
（3）额定容量：电池按照一定标准在放电条件下放出的最低限度容量。
（4）标称容量：鉴别电池适当的近似值。
（5）荷电状态：反映电池容量指一定放电倍率下电池剩余电量与额定容量在相同条件下的比值。
4.放电速率
电池放电时放电电流与额定电流的比例。
（1）电流率：指电池以某种电流强度放电量是额定容量的倍数。
（2）时间率：指电池以某种电流强度放电放完额定容量序言的放电时间。
5.自放电率
自放电率是指电池在在没有负荷条件下存放时间内电池容量损失的速度，用单位时间内下降的电池容量百分数表示。自放电率= ℅，式中 表示电池储存的容量， 表示一定时间后电池储存的容量，t表示电池储存的时间。
6.电池的内阻
流过电池内部的电流受到阻力电压会降低，这个阻力就是电池内阻。电池放电时因为电池内阻的作用端电压会低于开路电压和电动势，充电的时候充电的端电压高于开路电压和电动势。
7.寿命
电池寿命为电池充放电的循环次数或者是使用年限。蓄电池工作是不断充电、放电的循环过程，电池在每次循环中化学活性物质发生一次可逆的化学反应，化学活性物质会随充放电次数增多老化变质，电池充放电效率会降低电池的循环次数与电池的温度、电池充放电形式、放电深度、电池安装等有关。SOH反映电池的预期寿命是一个相对量，SOH= ， 指蓄电池标称容量， 指蓄电池预测容量。
2.2镍氢电池
镍氢电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉电池相似，但它不存在重金属污染问题，被称作"绿色电池"。荷兰Philips公司于20世纪70年代左右成功运用LaNi5储氢合金开发了镍氢电池，可是因为衰减太快所以进展缓慢。80年代该公司制成了LaNi2.5Co2.5储氢合金材料研制成功镍氢电池。进入90年代后伴随着电动汽车尤其是混合动力汽车研究的需要高能量动力电池成为镍氢电池迅速发展的方向。
镍氢电池正极活性物质是NiOOh（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极的活性物质是H2（放电时）和H2O(充电时)，电解质一般采用KOH碱性水溶液，镍氢电池的充放电时的正极、负极化学反应和总反应方程如下：
正极反应 Ni（OH）2+OH→NiOOH+H2O+e-
负极反应 M+H2O+e-→MHx+OH-
总反应 M+Ni（OH）2→MHx+NiOOH
目前镍氢电池所能达到的指标性能是：单体电池的电压为1.2V；功率密度是160～500W/kg;能量密度为55～70Wh/kg;工作温度是-30～50℃；快速充电从满容量的40℅～80℅需要15分钟；它的循环使用寿命超过1000次。
镍氢电池优点有：功率密度和能量密度均高于铅酸电池和镍镉电池，在电动车用电池中循环使用寿命是最高的，深度放电性能和快速充电性能好，没有重金属污染，充放电效率很高。
镍氢电池的缺点有：成本很高是相同容量电池价格的5至8倍，自放电损害比较大，而且它的单体电池的电压低对环境温度敏感，此外电池组热管理任务重。
随着燃料电池汽车的研制开发和混合动力汽车的产业化，近几年来镍氢电池得到了很普遍的关注，伴随着镍氢电池技术的发展，它的功率密度、能量密度、快速充电能力和循环寿命都会得到很大幅度的提高，进而价格也会降低。今后会有越来越多的公司把镍氢电池作为燃料电池汽车和混合动力电池汽车使用的动力电池。
2.3电池管理系统的功能
2.3.1充电管理
充电管理就要利用合适的方法充电，适时监测电池的状态以确保电池安全充电和良好的效率。以下是几种比较安全有效的充电方式。
1.恒压充电
加恒定电压于电池两端，充电的电流是I=（V-E）/R，V是指外部电源供给电池的充电电压，E是指电池的电动势，R是指它的内部电阻。
在刚开始给电池充电的时候电动势是很低的，而电池的电流会很大，电动势随着充电的继续进行会升高，于是充电电流会减小，最后充电就停止了。因为在充电的后期充电的电流变小，控制电池的过充电会变得很简单。该充电法把电流与电动势相关到了起来，但是电池的电动势是电池里面的物理和化学变化的反映，所以该方法用来充电是非常好的，于电池恒流充电来说会有更多的优点。由于恒压充电也存在一些缺点，首先在最开始充电的时候电流会很大，但是到了充电的末期会随着电池电动势升高电池的电流变得很小，不容易完全将充电设备利用起来，充电电压的很小一个变化会导致电流非常大的变动。电化学过程与电池的电流之间由电动势变动所反映的绝非仅有线性关系，所以只根据线性关系来研究并不太合适。
2.恒流充电
该充电法调整外部充电机的电压，调节串联电池的电压，为的是使充电过程中的电流不在出现变化。恒流充电法控制起来很简单，因为电池的接受能力会因为充电过程的继续会慢慢减小的，等到了充电快要结束的时候，充电电流的主要用处变成了电解水，会出现很多气泡，影响电池使用状态和寿命，所以一般选阶段充电的方法。
3.恒压恒流充电
为防止恒压充电开始时的电流太大，导致温度增加的太大会给电池带来严重的伤害，充电过程中一般将电流控制在在一范围内，这就是恒电压恒电流流的充电方式。横流阶段是把限流值为恒值的充电方式，因此也称作恒压限流充电，如图所示。
越来越多的厂家推荐该充电方式，它是一种非常有效的充电方式，因为对电池来说低压限流充电更有利于保护电池，因为蓄电池的充电电压低末期电池的电流变得特别小，所以电解液基本上不产生气泡，即使产生也会很少，既节省了电能又降减小了电池的温度上，保护电池的极板。
4.涓流充电
为给蓄电池组在放电过程结束后给它内部的化学物质一个恢复过程，这个时候需要以某种中程度上相对来说较小的电流来给电池充电，在它的端电压增达到某一数值后，然后用恒压恒流充电方法采用大电流来给电池充电，即为涓流充电。涓流充电的时候能使电流恒定而且数值比较小，随着电池状态恢复，整流器的电压会随着电池状态而升高，因此涓流充电实际上是跟恒流充电非常相似的充电方法。 5.分阶段充电方法
一般比较多用的充电方法有是二阶跟三阶段充电的方法。
二阶段充电法是一种很快的充电方法，它把恒定的电压值跟恒定的电流值结合起来一起充电，如图3．3所示。起始阶段，电流值保持不变对电池进行充电一直充电到设定好的电压值，过了此阶段后换成以恒定电压值充完电池内剩下的空间。下一阶段的恒值电压就是通常情况下转换电压，这就是二阶段充电法。
三阶段充电法是充电过程中有三个阶段充电，第一阶段和第三阶段充电电流恒定，第二段采用的是用恒定电压值充电，如图3．4所示。在电流减小至默认值的时候，充电过程从第二阶段很快转换至下一阶段即第三阶段。分阶段充电方法能够把排气量将之至低状态，由于它是快速充电，所以该法的使用会有一些限制。
2.3.2快速充电方法
有的时候因为情况比较急需要在最短的时间内为电池充满电量同时呢也是为了最大限度利用蓄电池充电时候的化学反应速度，减少电池充满电的时间，而且还要避免充电时电池两极出现的极化现象，延长蓄电池的使用寿命。
1.脉冲充电法
脉冲充电方式利用的是电池隔一段时间脉冲电流充电隔一段时间停止的充电方法，就这样不停地循环，如图3．5所示。在充电脉冲时间内蓄电池可以充电直到充满为止，蓄电池在非充电阶段化学反应阶段出现的的氧气和氢气在这段时间内重新反应，这样就会顺其自然解决浓差和欧姆极化问题，这样也就缓解了蓄电池里面的压强，这样就会使下一个周期的恒值电流充电可以更加容易，这样电池就能储存更多的电量。这种充电方法使电池的充电更加合理电池有足够的时间发生内部的化学反应，内部气体产生量大大减少，同时也增大了电池对电流的认可度。这种间歇式充电方法是电池在充电方面的一项新技术，改变电池充电的时候以往的充电曲线的约束。
2. 间歇变电流充电法
该充电方法利用的是将脉冲阶段与恒流充电阶段相结合的一种方法，它的充电方法是将一段间隔恒值电流段变换成限制电压段变化电流值。刚开始阶段的每段实行电流不恒定的阶段性充电策略，在这种情况下力求把给电池充电的电流值高一些，目的就是在有限的时间之内给电池冲进去更多的电量。在最后的充电阶段选择恒压的方法给电池供给能量，在电池的电量过度充满后，把它的状态最大限度的回到状态经过间断式充电，在休息时间内它内部的产生的气体反应而消耗掉，从而解决了气体在其内部过度积攒而导致压强增大的问题，这样也同时保护了电池健康状态，延长了电池的使用寿命。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池里面的的气体压强，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。变电流间歇充电法电流电压曲线如图。
3.间歇变电压充电法
在继上一种方法出现后科学家和工程师们又想出另一种类似的方法了这就是电压出现变化的间隔充电法 (如图3．7)。这种充电模式与上一种模式区别在于起始充电的时候恒值电流变成了恒值电压。此充电模式大大提高了充电的效率越来越逼近了质量最好效率最高的模式。恒值电压充电的时候因为是电压不变的情况所以就会有电池依据一定的曲线减小，这种充电模式符合我们正常充电方法，而且还有利于电池的健康状态，利于延长电池的寿命，同时也顺应了自然规律，在健康状态下一定的时间内给电池补充最多的电量。
4.智能系统充电方法
智能系统充电的特点是它的充电速度非常快，它的研究重点是怎么样才能使电池在最少的时间内快速稳定地恢复。
再给电池充电过程中的要求是确保以大电流迅速地给电池补充电量，在短时间内充满多少电量就要提供至少多大的电流，这就是要重点研究的问题，要充分考虑到电池的承受电流，不能超过这一数值，否则电池就会出现危险，不利于安全充电，按照镍氢电池的相关数据做好充电的相关策略，在安全充电的情况下大电流给电池迅速充电。
电池极化是困扰着电池地快速充电的一大难题，镍氢电池充电如果时间过长，会产生充电的监测很慢，而且会损耗很多电，电池内部如果发生极化的问题，，就会把电池的寿命严重折损，既不安全又浪费了电池，给环境带来大的污染，同时这样也违背了智能充电相关标准。
根据蓄电池可接受充电电流定律以及马斯三定律，可知在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有充电曲线时，适时地对蓄电池进行反向电流放电，可以提高蓄电池的充电接受能力，也就是说通过反向大电流放电，可以提高蓄电池的充电速度，缩短充电时间。因此，我们制定了多段段恒流充电与脉冲放电相结合的充电策略，如图3．8所示。多段段恒流充电的每段恒流充电电流波形由一组脉冲波形组成，整个波形逼近蓄电池可接受充电电流曲线。
所以，智能充电系统在初期根据电池组状态确定是否需要涓流充电；在快速充电上采用多阶段恒流充电与脉冲充电相结合的充电方法，通过负脉冲反向放电，并在快速充电过程中短时间的停止充电，从而防止电池组出现过充，并能够消除或减少极化现象，这与马斯三定律是符合的；在充电后期采用定电压对电池组迸行补足充电直至电池组电量达到额定电量。这种策略能够保证电池组充电的快速性，提高充电效率，同时很好地解决普通快速充电所导致的硫化问题，保证了电池组的循环使用寿命，因此这种方案是合理的
2.3.3容量预测（SOC）
计算电池的荷电状态是电池管理系统一大重点和难点，由于电池的工作环境比较难预测，电动车的工作过程又是一个变化很多的过程，电池的自身状态同时还要受到它的寿命影响，现在有很多关于SOC的估算方法，下文介绍几种方法。
1.Ah计量法
估计SOC的最常用方法是Ah计量法，假如充电的最初状态是SOC0,则SOC的现在的状态是：
其中I是电池电流， 是额定容量； 是充电效率，它是一个变量；I是镍氢电池的充电电流。
在Ah计量法中会遇到的问题：量取的电流值误差大不精确，会导致SOC的计算值出现偏差，而且误差会随着不停地积累使误差变得越来越大，电流波动较大和温度特高的状态下都会使误差变得很大很大，可以利用高性能电流传感器实现电流测量，不过这种方法花钱要多一些，通过大量的实验数据测量电池的充电的效率，这样就可以找出电池有关它的充电效率的实用公式。各种各样的电动汽车都可以采用这个方法，如果电流测量值数据精确，并且有相当多数据来的估计其起始的状态，这是估计SOC的一种既简单又可靠实用的好方法。
2.内阻法
电池的电阻有两种即交流与直流内阻，这两个电阻跟SOC数量关系很近，所谓的交流阻抗是一个复数的变量，指电池的单体电压同他的电流之比值 ，表示的是电池反抗交流电的一种能力，可以通过交流阻抗仪器去测量它的电阻值，温度对交流阻抗的影响很大。
所谓电池内阻是指电池反抗直流电的能力，它是指在同一时刻电压的变化量同电流的变化量之比，实际中把电池在开路状态以恒定的数量值放电或者充电，在同一时间里负载的电压减去开路的电压然后用这个差值与电流作比值就得到了直流内阻，在放电的后期镍氢电池，很显然直流内阻会变大，这样就可以用来估量电池的SOC值了。时间段会影响直流电阻的数值，如果时间段不到10毫秒，那么这个时候仅能使用欧姆电阻才可以检测到；如果时间段很长内阻的测量计算就会特变复杂，很难测得单体电池电阻的精确值，直流法测量电池内阻的弊端就在这里，这个方法比较适合于在电池的放电的后期估测SOC的数值。
3.神经网络法
电池是一个非线性程度特别高的系统，将它的充电过程建立比较精确的数学模型是比较困难的，神经网络具有非线性的基本特性和并行结构和学习能力，对于外部激励可以改出对应的输出，所以它可用来模拟电池的动态特性然后就可以估计SOC的值，根据实际问题的需求来确定输入和输出层的神经元的数目，通常情况下是线性函数；问题的分析精度和复杂程度决定了中间层的神经元的个数。可以用电压、温度、电流、内阻等变量来估测电池的SOC，选择合适数目的神经网络的输入变量对模型的准确度影响很大。这种方法可以应用于所有类型的电池，弊端是要对大量的数据测量计算处理。估计出现的偏差相当一部分来源于处理的数据和方法。
4.负载电压法
5.卡尔曼滤波法
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研究背景
自进入新世纪以来，节能环保成了当前当前能源环保问题的一大焦点，各个国家对节能和环保问题都很重视，不信投入大量资金和精力用于科研开发上，其中电动汽车就是很多国家重点研究开发的对象，因为当前越来越多的家庭都有了自己的电动汽车，而且私家车的数目还在不断增加，虽然给人们很多交通上的便利，但是却消耗掉了全世界每年石油产量的一半以上，这么多是由燃烧后排放出去的气体对环境来说也是一个巨大的负担，空气污染，酸雨都与这有着直接的联系，而且加剧了能源的紧张，导致油价上涨等等一系列问题，尤其是最近几年在我国有些地方出现了柴油、汽油紧缺的现象。电动汽车是解决这一系列难题的一个好的出路，它有这么三大突出的优点，第一，电动汽车利用的电能，电能来源广泛，有火力发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电、地热发电等发电方式；第二，电动汽车对环境的污染非常小，噪音小，非常的环保；第三电动汽车的能源利用率高，正符合国家节能环保的政策，。
当前电动汽车的研究已经得到了越来越多的国家的欢迎和重视，从长远来看，电动汽车必将成为未来发展的重点，具有广阔的研究和应用前景，我国对电动汽车的研究表较早，很多大学和汽车公司已经研制出了很多类型的电动汽车，成果颇丰，我们学校为淄博市就研制出了一辆电动公交车，汽车上印着 "山东理工大学" 的名字呢，这也是我们学老师研究出来的成果，作为学校的一员同感荣幸。
目前电动汽车主要有三种类型：纯电动汽车，它是以蓄电池的电能作为汽车的动力；混合动力电动汽车，它是发动机和电力传动并存的电动汽车，两者可以互相补充，是发动机汽车到电动汽车的过度型；燃料电池汽车，它是以燃料电池作为动力来源的。
当然电动汽车的发展还存在许多问题，主要是动力电池和高效率的充电问题，电池管理系统是很重要的一个研究反方向。
国内外研究现状
目前世界各国都在大力研制电动汽车。
下面介绍几种典型的电池管理系统。
（1）德国柏林大学研制的电池管理系统
系统包括：显示模块、速度调节模块、温度调节模块、上位机诊断模块，还有为电池模块配备的平衡器。总体控制方案中，采用CAN总线模式，微处理单元采用西门子公司的Microcontroller80C167CR。
该电池管理系统是目前国际上功能比较全、技术含量比较高的电动汽车用电池管理系统，其主要功能主要包括防止电池过放充电、电池组热管理、基于模糊专家系统的剩余电量估计、用神经元网络辨识电池。
（2）韩国大宇公司DEV5-5电动汽车用电池管理系统
该电池管理系统的主要功能有：数据采集、优化充电、SOC估计与显示、安全管理、能量管理、电池管理和故障诊断功能。
电池管理系统有电池控制单元（BCU）、主充电器、辅助充电器、热管理系统、SOC计算、电池报警系统、模块传感器装置和安全模块构成，其中BCU发挥核心功能。BCU实时监测电池工作状态，向各子程序系统发送正确的指令以使动力电池正常工作。
（3）北京交通大学研制的电池管理系统
这个电池和管理系统是在国家"863"计划支持下由北京交通大学完成的用于动力镍氢蓄电池监测及管理的系统装置，在2002年12月科技部验收了这个电池管理系统项目。系统装置可以监控电池的运行状态、估量电池的剩余电量、对使用过程中出现的故障进行早期的诊断和充电。
根据汽车的使用特点，其实用的动力电池一般应具有比能量高、比功率大、自放电少、工作温度范围宽、能快速充电、使用寿命长和安全可靠等特点。前景比较好的是镍氢蓄电池，铅酸蓄电池，锂离子电池，
1.3电池管理系统（BMS）
电池能量管理系统是保持动力电源系统正常应用、保证电动车安全和提高电池寿命的一种关键技术，它能保护电池的性能，预防个别电池早期损坏，利于电动车的运行，具有保护和警告功能。电动汽车的充电、运行等功能与电池相关参数协调工作是通过对电池箱内电池模块的监控工作来实现的，它的功能有计算并发出指令，执行指令，提出警告。电池能量管理系统主要包括：电池状态估计、数据采集、热管理、安全管理、能量管理和通信功能。
（1）数据采集 电池管理系统的所有算法、电动车的能量控制策略等都是以采集的数据作为输入，影响电池能量管理系统性能的重要指标是采样速率、精度和前置滤波特性。
（2）电池状态估计 电池状态估算包括SOC和SOH，是电动汽车进行控制和功率匹配的重要依据。在行车过程中系统可以随时计算车辆能耗给出SOC值，供能源管理系统进行功率配置和确定控制策略，使驾驶员知道车辆的续驶里程，及时作出决定到充电地点充电防止半路抛锚，SOH告诉驾驶员电池的寿命。
（3）能量管理 在能量管理中，电压、温度、电流、SOC、SOH等作为输入完成这些功能，控制充电过程，用SOC，SOH和温度限制电源系统输入、输出功率。
（4）安全管理 具体功能是监视电池电压、电流、温度是不是越过正常范围；防止单体电池过充。
（5）热量管理 电池的热量管理对于大功率放电和高温条件下使用的电池非常关键。热量管理的目的是使电池单体温度平衡并保持在一定的范围内，使高温电池降温，使低温电池温度升高。
（6）通信功能 电池管理系统与车载设备设备的通信是BMS的重要功能之一，根据实际的应用需要，可以采用不同的通信接口进行数据交换，如：PWM信号、模拟信号、CAN总线或I?C串行接口CAN总线是一种可考虑高、通信速率高的现场总线。
（7）人机接口 设置显示和控制按键、旋钮等来输入指令给BMS 。
（8）保证充电功能 电池能量管理系统实时检测电池的工作状态，特别是对煤质电池的工作状态进行监测分析，将监测的数据在充电前通知充电机即车与机的对话，告诉充电机电池组的工作状态和每只电池的技术状态，"落后"电池和"先进"电池的性能差异。系统计算此时充电机应当采取何种充电方式给电池充电才能达到给点吃充足，性能好的电池不能过充，而性能差的电池又能充足，保证整车能量的供应。
（9）故障诊断功能 能够与车辆检测仪器进行通信等，诊断系统故障，方便车辆的维修。
在电动车动力系统中，电池监控主要指的是被动的监测和评估电池的状态，但是电池管理包括处理数据并且预测电池将来的表现，甚至是主动干预和控制电池的充放电电流和电压，控制充电条件和电池工作温度等。
整车的能量管理是指动力系统中为满足驾驶员期望工况而进行的功率和能量的平衡，要完成这个任务电池管理系统要进行系统设计，算法设计，硬件、软件设计，应用与实验验证等。
管理系统（BMS）主要有以下几部分组成：数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块）、显示单元、均衡单元检测部件（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成，大部分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、键盘及上位机组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。
BMS的主要工作原理可简单归纳为：首先数据采集电路采集电池状态数据，再由电子控制单元进行数据处理和分析，再根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，向外界传递信息。
1.4本论文的主要内容
本课题是电动公交车充电管理系统的一部分，主要负责对充电进行管理和控制。系统监测所有电池的电压，温度等工作状态，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，系统通过CAN总线与充电桩通信，具有过压、过温保护功能，要求设计相应的充电管理硬件及软件完成相应的功能。主演内容是针对电动汽车用镍氢蓄电池组，完成系统整体方案的设计，底层电压、温度的采集方案完成了硬件的设计和调试。
电动汽车动力电池一般有多个单体电池串联组成一个电池模块，加上微控制器为核心的电池管理系统组成一个车用电池组。本课题串联384节1.2V DC容量为300Ah镍氢电池，本课题实现了BMS控制器对电池电压、电流、温度参数进行采集，根据用户选定的充电模式发出充电电流和电压的指令给充电桩，为进一步实现完整的电池管理系统提供原始数据和软硬件平台。
2电池管理系统设计
与动力电池相关的管理控制设备称为--电池管理系统（BMS），作为一个整体在电动汽车中发挥作用。BMS的作用主要可分为两个方面：保证电池安全；合理高效的使用电池储存的能量。
电池管理系统是一个监控系统，所以在研制它之前首先要对监控的对象非常熟悉。所有的电池管理系统都是针对一种电池甚至是一个品牌一个型号的电池而言的。
2.1蓄电池的主要性能指标
1.电压
（1）电动势：指电池正负极之间的电位差E。
（2）额定电压：标准条件下电池在工作时达到的电压值。
（3）开路电压：开路时电池两端的电压，跟电池两端的电动势近似相等。
（4）负载电压：电池两端接上负载R放电过程中的电压，其数值就是电动势减去电池内阻两端的电压，即U=E-I*R。
2.能量
（1）实际能量：是指电池在一定的条件下放出来的能量，等于电池的平均电压与实际容量的乘积。
（2）标称能量：电池在规定放电条件下放出的能量，其数值等于额定电压与额定容量的乘积。
（3）能量密度：电池组的每单位体积输出的能量，单位是 / 。
（4）比能量：电池组单位质量输出的能量，单位是 / 。
3.电池容量
（1）实际容量：一定条件下电池输出的能量，放电时间与放电电流的乘积。
（2）理论容量：按照法拉第定理根据蓄电池活性物质的物理特性计算出的最高理论值，单位用体积容量Ah/L或质量容量Ah/kg表示。
（3）额定容量：电池按照一定标准在放电条件下放出的最低限度容量。
（4）标称容量：鉴别电池适当的近似值。
（5）荷电状态：反映电池容量指一定放电倍率下电池剩余电量与额定容量在相同条件下的比值。
4.放电速率
电池放电时放电电流与额定电流的比例。
（1）电流率：指电池以某种电流强度放电量是额定容量的倍数。
（2）时间率：指电池以某种电流强度放电放完额定容量序言的放电时间。
5.自放电率
自放电率是指电池在在没有负荷条件下存放时间内电池容量损失的速度，用单位时间内下降的电池容量百分数表示。自放电率= ℅，式中 表示电池储存的容量， 表示一定时间后电池储存的容量，t表示电池储存的时间。
6.电池的内阻
流过电池内部的电流受到阻力电压会降低，这个阻力就是电池内阻。电池放电时因为电池内阻的作用端电压会低于开路电压和电动势，充电的时候充电的端电压高于开路电压和电动势。
7.寿命
电池寿命为电池充放电的循环次数或者是使用年限。蓄电池工作是不断充电、放电的循环过程，电池在每次循环中化学活性物质发生一次可逆的化学反应，化学活性物质会随充放电次数增多老化变质，电池充放电效率会降低电池的循环次数与电池的温度、电池充放电形式、放电深度、电池安装等有关。SOH反映电池的预期寿命是一个相对量，SOH= ， 指蓄电池标称容量， 指蓄电池预测容量。
2.2镍氢电池
镍氢电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉电池相似，但它不存在重金属污染问题，被称作"绿色电池"。荷兰Philips公司于20世纪70年代左右成功运用LaNi5储氢合金开发了镍氢电池，可是因为衰减太快所以进展缓慢。80年代该公司制成了LaNi2.5Co2.5储氢合金材料研制成功镍氢电池。进入90年代后伴随着电动汽车尤其是混合动力汽车研究的需要高能量动力电池成为镍氢电池迅速发展的方向。
镍氢电池正极活性物质是NiOOh（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极的活性物质是H2（放电时）和H2O(充电时)，电解质一般采用KOH碱性水溶液，镍氢电池的充放电时的正极、负极化学反应和总反应方程如下：
正极反应 Ni（OH）2+OH→NiOOH+H2O+e-
负极反应 M+H2O+e-→MHx+OH-
总反应 M+Ni（OH）2→MHx+NiOOH
目前镍氢电池所能达到的指标性能是：单体电池的电压为1.2V；功率密度是160～500W/kg;能量密度为55～70Wh/kg;工作温度是-30～50℃；快速充电从满容量的40℅～80℅需要15分钟；它的循环使用寿命超过1000次。
镍氢电池优点有：功率密度和能量密度均高于铅酸电池和镍镉电池，在电动车用电池中循环使用寿命是最高的，深度放电性能和快速充电性能好，没有重金属污染，充放电效率很高。
镍氢电池的缺点有：成本很高是相同容量电池价格的5至8倍，自放电损害比较大，而且它的单体电池的电压低对环境温度敏感，此外电池组热管理任务重。
随着燃料电池汽车的研制开发和混合动力汽车的产业化，近几年来镍氢电池得到了很普遍的关注，伴随着镍氢电池技术的发展，它的功率密度、能量密度、快速充电能力和循环寿命都会得到很大幅度的提高，进而价格也会降低。今后会有越来越多的公司把镍氢电池作为燃料电池汽车和混合动力电池汽车使用的动力电池。
2.3电池管理系统的功能
2.3.1充电管理
充电管理就要利用合适的方法充电，适时监测电池的状态以确保电池安全充电和良好的效率。以下是几种比较安全有效的充电方式。
1.恒压充电
加恒定电压于电池两端，充电的电流是I=（V-E）/R，V是指外部电源供给电池的充电电压，E是指电池的电动势，R是指它的内部电阻。
在刚开始给电池充电的时候电动势是很低的，而电池的电流会很大，电动势随着充电的继续进行会升高，于是充电电流会减小，最后充电就停止了。因为在充电的后期充电的电流变小，控制电池的过充电会变得很简单。该充电法把电流与电动势相关到了起来，但是电池的电动势是电池里面的物理和化学变化的反映，所以该方法用来充电是非常好的，于电池恒流充电来说会有更多的优点。由于恒压充电也存在一些缺点，首先在最开始充电的时候电流会很大，但是到了充电的末期会随着电池电动势升高电池的电流变得很小，不容易完全将充电设备利用起来，充电电压的很小一个变化会导致电流非常大的变动。电化学过程与电池的电流之间由电动势变动所反映的绝非仅有线性关系，所以只根据线性关系来研究并不太合适。
2.恒流充电
该充电法调整外部充电机的电压，调节串联电池的电压，为的是使充电过程中的电流不在出现变化。恒流充电法控制起来很简单，因为电池的接受能力会因为充电过程的继续会慢慢减小的，等到了充电快要结束的时候，充电电流的主要用处变成了电解水，会出现很多气泡，影响电池使用状态和寿命，所以一般选阶段充电的方法。
3.恒压恒流充电
为防止恒压充电开始时的电流太大，导致温度增加的太大会给电池带来严重的伤害，充电过程中一般将电流控制在在一范围内，这就是恒电压恒电流流的充电方式。横流阶段是把限流值为恒值的充电方式，因此也称作恒压限流充电，如图所示。
越来越多的厂家推荐该充电方式，它是一种非常有效的充电方式，因为对电池来说低压限流充电更有利于保护电池，因为蓄电池的充电电压低末期电池的电流变得特别小，所以电解液基本上不产生气泡，即使产生也会很少，既节省了电能又降减小了电池的温度上，保护电池的极板。
4.涓流充电
为给蓄电池组在放电过程结束后给它内部的化学物质一个恢复过程，这个时候需要以某种中程度上相对来说较小的电流来给电池充电，在它的端电压增达到某一数值后，然后用恒压恒流充电方法采用大电流来给电池充电，即为涓流充电。涓流充电的时候能使电流恒定而且数值比较小，随着电池状态恢复，整流器的电压会随着电池状态而升高，因此涓流充电实际上是跟恒流充电非常相似的充电方法。 5.分阶段充电方法
一般比较多用的充电方法有是二阶跟三阶段充电的方法。
二阶段充电法是一种很快的充电方法，它把恒定的电压值跟恒定的电流值结合起来一起充电，如图3．3所示。起始阶段，电流值保持不变对电池进行充电一直充电到设定好的电压值，过了此阶段后换成以恒定电压值充完电池内剩下的空间。下一阶段的恒值电压就是通常情况下转换电压，这就是二阶段充电法。
三阶段充电法是充电过程中有三个阶段充电，第一阶段和第三阶段充电电流恒定，第二段采用的是用恒定电压值充电，如图3．4所示。在电流减小至默认值的时候，充电过程从第二阶段很快转换至下一阶段即第三阶段。分阶段充电方法能够把排气量将之至低状态，由于它是快速充电，所以该法的使用会有一些限制。
2.3.2快速充电方法
有的时候因为情况比较急需要在最短的时间内为电池充满电量同时呢也是为了最大限度利用蓄电池充电时候的化学反应速度，减少电池充满电的时间，而且还要避免充电时电池两极出现的极化现象，延长蓄电池的使用寿命。
1.脉冲充电法
脉冲充电方式利用的是电池隔一段时间脉冲电流充电隔一段时间停止的充电方法，就这样不停地循环，如图3．5所示。在充电脉冲时间内蓄电池可以充电直到充满为止，蓄电池在非充电阶段化学反应阶段出现的的氧气和氢气在这段时间内重新反应，这样就会顺其自然解决浓差和欧姆极化问题，这样也就缓解了蓄电池里面的压强，这样就会使下一个周期的恒值电流充电可以更加容易，这样电池就能储存更多的电量。这种充电方法使电池的充电更加合理电池有足够的时间发生内部的化学反应，内部气体产生量大大减少，同时也增大了电池对电流的认可度。这种间歇式充电方法是电池在充电方面的一项新技术，改变电池充电的时候以往的充电曲线的约束。
2. 间歇变电流充电法
该充电方法利用的是将脉冲阶段与恒流充电阶段相结合的一种方法，它的充电方法是将一段间隔恒值电流段变换成限制电压段变化电流值。刚开始阶段的每段实行电流不恒定的阶段性充电策略，在这种情况下力求把给电池充电的电流值高一些，目的就是在有限的时间之内给电池冲进去更多的电量。在最后的充电阶段选择恒压的方法给电池供给能量，在电池的电量过度充满后，把它的状态最大限度的回到状态经过间断式充电，在休息时间内它内部的产生的气体反应而消耗掉，从而解决了气体在其内部过度积攒而导致压强增大的问题，这样也同时保护了电池健康状态，延长了电池的使用寿命。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池里面的的气体压强，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。变电流间歇充电法电流电压曲线如图。
3.间歇变电压充电法
在继上一种方法出现后科学家和工程师们又想出另一种类似的方法了这就是电压出现变化的间隔充电法 (如图3．7)。这种充电模式与上一种模式区别在于起始充电的时候恒值电流变成了恒值电压。此充电模式大大提高了充电的效率越来越逼近了质量最好效率最高的模式。恒值电压充电的时候因为是电压不变的情况所以就会有电池依据一定的曲线减小，这种充电模式符合我们正常充电方法，而且还有利于电池的健康状态，利于延长电池的寿命，同时也顺应了自然规律，在健康状态下一定的时间内给电池补充最多的电量。
4.智能系统充电方法
智能系统充电的特点是它的充电速度非常快，它的研究重点是怎么样才能使电池在最少的时间内快速稳定地恢复。
再给电池充电过程中的要求是确保以大电流迅速地给电池补充电量，在短时间内充满多少电量就要提供至少多大的电流，这就是要重点研究的问题，要充分考虑到电池的承受电流，不能超过这一数值，否则电池就会出现危险，不利于安全充电，按照镍氢电池的相关数据做好充电的相关策略，在安全充电的情况下大电流给电池迅速充电。
电池极化是困扰着电池地快速充电的一大难题，镍氢电池充电如果时间过长，会产生充电的监测很慢，而且会损耗很多电，电池内部如果发生极化的问题，，就会把电池的寿命严重折损，既不安全又浪费了电池，给环境带来大的污染，同时这样也违背了智能充电相关标准。
根据蓄电池可接受充电电流定律以及马斯三定律，可知在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有充电曲线时，适时地对蓄电池进行反向电流放电，可以提高蓄电池的充电接受能力，也就是说通过反向大电流放电，可以提高蓄电池的充电速度，缩短充电时间。因此，我们制定了多段段恒流充电与脉冲放电相结合的充电策略，如图3．8所示。多段段恒流充电的每段恒流充电电流波形由一组脉冲波形组成，整个波形逼近蓄电池可接受充电电流曲线。
所以，智能充电系统在初期根据电池组状态确定是否需要涓流充电；在快速充电上采用多阶段恒流充电与脉冲充电相结合的充电方法，通过负脉冲反向放电，并在快速充电过程中短时间的停止充电，从而防止电池组出现过充，并能够消除或减少极化现象，这与马斯三定律是符合的；在充电后期采用定电压对电池组迸行补足充电直至电池组电量达到额定电量。这种策略能够保证电池组充电的快速性，提高充电效率，同时很好地解决普通快速充电所导致的硫化问题，保证了电池组的循环使用寿命，因此这种方案是合理的
2.3.3容量预测（SOC）
计算电池的荷电状态是电池管理系统一大重点和难点，由于电池的工作环境比较难预测，电动车的工作过程又是一个变化很多的过程，电池的自身状态同时还要受到它的寿命影响，现在有很多关于SOC的估算方法，下文介绍几种方法。
1.Ah计量法
估计SOC的最常用方法是Ah计量法，假如充电的最初状态是SOC0,则SOC的现在的状态是：
其中I是电池电流， 是额定容量； 是充电效率，它是一个变量；I是镍氢电池的充电电流。
在Ah计量法中会遇到的问题：量取的电流值误差大不精确，会导致SOC的计算值出现偏差，而且误差会随着不停地积累使误差变得越来越大，电流波动较大和温度特高的状态下都会使误差变得很大很大，可以利用高性能电流传感器实现电流测量，不过这种方法花钱要多一些，通过大量的实验数据测量电池的充电的效率，这样就可以找出电池有关它的充电效率的实用公式。各种各样的电动汽车都可以采用这个方法，如果电流测量值数据精确，并且有相当多数据来的估计其起始的状态，这是估计SOC的一种既简单又可靠实用的好方法。
2.内阻法
电池的电阻有两种即交流与直流内阻，这两个电阻跟SOC数量关系很近，所谓的交流阻抗是一个复数的变量，指电池的单体电压同他的电流之比值 ，表示的是电池反抗交流电的一种能力，可以通过交流阻抗仪器去测量它的电阻值，温度对交流阻抗的影响很大。
所谓电池内阻是指电池反抗直流电的能力，它是指在同一时刻电压的变化量同电流的变化量之比，实际中把电池在开路状态以恒定的数量值放电或者充电，在同一时间里负载的电压减去开路的电压然后用这个差值与电流作比值就得到了直流内阻，在放电的后期镍氢电池，很显然直流内阻会变大，这样就可以用来估量电池的SOC值了。时间段会影响直流电阻的数值，如果时间段不到10毫秒，那么这个时候仅能使用欧姆电阻才可以检测到；如果时间段很长内阻的测量计算就会特变复杂，很难测得单体电池电阻的精确值，直流法测量电池内阻的弊端就在这里，这个方法比较适合于在电池的放电的后期估测SOC的数值。
3.神经网络法
电池是一个非线性程度特别高的系统，将它的充电过程建立比较精确的数学模型是比较困难的，神经网络具有非线性的基本特性和并行结构和学习能力，对于外部激励可以改出对应的输出，所以它可用来模拟电池的动态特性然后就可以估计SOC的值，根据实际问题的需求来确定输入和输出层的神经元的数目，通常情况下是线性函数；问题的分析精度和复杂程度决定了中间层的神经元的个数。可以用电压、温度、电流、内阻等变量来估测电池的SOC，选择合适数目的神经网络的输入变量对模型的准确度影响很大。这种方法可以应用于所有类型的电池，弊端是要对大量的数据测量计算处理。估计出现的偏差相当一部分来源于处理的数据和方法。
4.负载电压法
5.卡尔曼滤波法
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