国内外纯电动汽车技术现状分析

国内外纯电动汽车技术现状分析一、纯电动汽车的技术动态电动汽车的关键技术为动力蓄电池、驱动电机和电子控制技术。在锂离子电池技术、超级电容技术相结合的基础上，许多企业进行技术改造与集成，研发了双电源电动汽车、多能源电动汽车等，或者进行换电站系统建设试验，开发超快充电技术，其目的都是为了克服纯电动车补充电能困难与续行里程短的缺陷。1、锂离子电池技术在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率大、无污染（也无二次污染）、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛等优点的锂离子电池技术逐渐取代铅和镍氢电池，成为纯电动汽车中的核心技术之一。截至2006年10月为止，全球主要国家已有20余家车厂进行锂离子电池研发，如富士重工、NEC、东芝、JohnsonControls、DegussaAG/Enax、Sanyo电机、PanasonicEVEnergy等。我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标。目前，专家认为锂离子电池技术还需进一步发展。一方面，各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，我国锂离子电池所需隔膜材料依赖进口，成本尚待降低。此外，有专家认为，蓄电池使用寿命还不长，造成高额使用成本，成为其商业化的一大瓶颈。2、超快充电技术采用传统的慢速充电法，纯电动汽车充满一次电要好几个小时。这虽然能够保证相对较长的续驶里程，但由于要安装许多电池，增加了车辆的重量和成本，对电池一致性的要求也较高。现在，快速充电电池技术出现，具有寿命长（可充电2000次以上）、没有记忆性、可以大容量充电及放电等特点，在几分钟内就可充70%～80%的电。前面所述的东芝可急速充电锂离子技术，即是快速充电技术的其中之一，这为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。但是也有学者对于蓄电池的快速充电提出疑问，认为快速充电时的过充电和过放电有可能会恶化各电池在电池组内协同工作的环境，造成电池组整体的瓦解崩溃。现在许多企业在这方面积极进行研发，也有所进展。2005年《参考消息》报导内华达州有企业研制出纳米电池，只需6分钟就能充满电，每次充电后的使用时间能达到目前充电电池的10倍，使电池充电次数量高达到2万次，所提供的电流强度最大能到现在的3倍。这也成为目前纯电动汽车电池技术的发展动向之一。3、电池与电容相结合技术超级电容具有充电快、无记忆充放电、充放电循环次数高、无二次污染等优异特性，但有放电快的缺点；锂离子电池具有储电量大、储存时间长的优点，但充电时间比较长。取两者之长，结合起来使用在电动汽车上，除了可以具有传统纯电动汽车的“电代油”和“零排放”主要优点外，还具有一次充电行驶距离长（可达300公里）、速度快（可达100公里/小时）、行使过程中能量回收效率高等优点，代表了纯电动汽车的最新发展方向之一。目前已有富士重工和NEC联合开发“锂离子电容器”，能量密度达30瓦时/千克，为先前电容器的4倍，达到了用于电动汽车的实用水平。中国有上海瑞华集团研制环保型混合电能超级电容电动汽车，还有国家电网公司在这方面已经完成了3种电池-电容混合型电力工程车辆的改装和性能测试，并将开展示范应用。4、CTC电车蓄电池和360°聚光太阳能电池车载充电技术CTC电车蓄电池和360°聚光太阳能充电技术通过在换电站快速更换大容量蓄电池的技术手段获取足够的电能，并通过360°聚光太阳能电池车载充电技术进行能源补充。这种技术手段简单实用，克服了纯电动车补充电能困难与续行里程短的缺陷，可使续行里程提高至400KM，并能延长蓄电池的使用寿命。不过这种技术尚在试验过程之中。5、电动轮技术电动轮亦称轮内电动机（In-WheelMotor）。目前大部分重型矿用自卸汽车所采用的电动轮是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。其工作原理如下：交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏于车轮内，电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联，而轮毂支撑于转向节上，轮胎随同电动机的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向节连接于车身上。该电动机的转子为永久磁铁，当向电动机的定子线圈中通以交流电流时，定子便会产生旋转磁场，使永磁式转子连同轮胎一起旋转，即整个车轮旋转起来。目前已有三菱公司与东洋公司合作开发了用于蓝瑟（Lancer）四轮驱动纯电动轿车的电动轮。每个电动轮的最大功率为50千瓦，最大扭矩为518牛·米，最高转速为1500转/分，一次充电的行驶里程可达250公里，最高车速可达到150公里/小时。二、电动汽车用锂离子电池技术的国内外进展简析1、电动汽车电池技术获得突破性发展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、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用蓄电池。缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。2、锂离子电池产业化动态随着成本的急剧降低和性能的大幅度提高，已有许多汽车生产厂家开始投入使用锂离子电池。下表是主要锂离子电池厂商研发与生产概要。截至2006年10月为止，全球主要国家已有20余家车厂进行锂离子电池研发。如富士重工与NEC合作开发廉价的单体（Cell）锰系锂离子电池（即锰酸锂电池），具有高安全性、低制造成本特点，在车载环境下的寿命高达12年、10万公里，与纯电动汽车的整车寿命相当。东芝开发的可急速充电锂离子蓄电池组，除了小型、大容量的特点之外，采用了能使纳米级微粒均一化固定技术，可使锂离子均匀地吸附在蓄电池负极上，能在一分钟之内充电至其容量的80%，再经6分钟便可充满电。美国的主要电池厂JohnsonControls针对电动车需求特性的锂离子电池于2005年9月在威斯康星州Milwaukee设立研发地点，2006年1月另出资50%与法国电池厂Saft共同成立JohnsonControls－SaftAdvancedPowerSolution（JCS）。JCS于2006年8月承接了美国能源部(DOE)所主导2年USABC(UnitedStatesAdvancedBatteryConsortium)纯电动车锂离子电池研发计划合约，另外亦与车厂签约提供高功率锂离子电池。我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标，已能自主开发出用量在50~80公斤以下，可适用于电动自行车、电动摩托车、电油混合动力车、油电混合动力电动车，行驶距离在80公里以内的小型、轻型供上下班使用的家用电动小轿车的锂离子蓄电池，并有足够好的安全行驶性能。从1997年开始产业化经验的苏州星恒作为国家锂离子动力电池产业化示范工程项目基地，其研发的动力电池组已通过美国UL和欧盟独立组织ExtraEnergy的测试认证，并在苏州建成第一条动力锂离子电池的生产线并顺利试产，目前已实现量产。3、蓄电池技术还需继续进一步发展目前，锂离子电池应用于电动车的课题，有电池寿命机理（高功率电池老化特征、老化电池诊断、老化电池电化学模型、电池寿命预测方法开发）、电池的低温性能表现（低温性能特点、低温电解质模型、低温性能模拟）、容许偏差、过热偏差、过负载偏差、检查诊断与降低电池成本（材料筛选与开发、低成本制造）等。而长期探索研究主要集中在系统与材料两方面。一方面，各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，在我国锂离子电池生产中，锂离子电池所需隔膜材料未能有实质性的突破，全部依靠进口，价格昂贵，占到动力电池成本的30%以上。如果在这一材料上实现规模化生产技术，即可大幅度降低成本。此外，有专家认为，从20世纪90年代初各国研究成功的电动汽车来看，虽然蓄电池的比能量比现在的新型电池要小，但是各种电动汽车测试达到的各项性能指标，对一般的使用者来说，也是可以满足的。当时实现不了电动汽车产业化的主要原因，在于蓄电池的使用寿命太短。纯电动汽车所使用的蓄电池组成本一般要占新车造价的二分之一，如果需要购车人在几年之内即更换蓄电池组，就意味着高额的使用成本。现在，第二代纯电动汽车蓄电池比能量已经有了很大的提高，生产蓄电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大的进步，但是其使用寿命并未获得重大的突破。即使加速性能完全能达到或超过今天燃油车的最高水平，蓄电池充一次电的行驶里程能超过燃油车目前加一箱油的行驶里程，由于蓄电池寿命限制而造成的高额使用成本也将成为其商业化的一大瓶颈。三、国内外锂离子动力电池的关键技术及最新动态1、锂离子动力电池待解决的使用技术问题锂离子动力电池做为一种新型的动力技术，可以使用在任何一种驱动车辆上，如电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动中巴和大巴，以及UPS、移动激光电源、移动照明电源、移动通讯设备、军事领域、航空航天领域，其使用面之广，具有不可估量的市场前景。然而，基于锂离子动力电池的特性，即充电电压不可超过4.2V，放电电压不可低于2.6V。使用锂动力电池的技术问题已是迫在眉睫，而且是必须尽快解决的问题。锂动力电池的产生，无疑对传统的驱动技术带来危机。而锂动力电池的特性，又决定了必须有高超的使用技术。才能尽快进入使用市场。从目前的锂电池生产制造技术看，已经达到了完美的程度，10Ah电池内阻达到10mΩ左右，而50Ah，100Ah的电池内阻只有1mΩ左右，这使电池专家都感到惊讶。然而，锂动力电池的突然出现，也让使用市场感到突然。当一个个用户对高新科技产生兴趣，并兴致勃勃地试用时，问题出现了：锂动力电池在使用中做为动力，必须要串联才能达到使用电压的需要，而几个几十个甚至几百个电池的串联，使用一段时间后，必然会产生电压的参差不齐，这并不是电池的生产技术问题，由于电池在生产过程中，从涂膜开始到成为成品要经过很多道工序。即使经过严格的检测程序，使每组电源的电压、电阻、容量一致，但使用一段时间，也会产生这样或那样的差异。如同一位母亲生的双胞胎，刚生下时可能长得一模一样，做为母亲都很难分辨。然而，在两个孩子不断成长时，就会产生这样或那样的差异锂动力电池也是这样。使用一段时间产生差异后，采用整体电压控制的方式是难以适用于锂动力电池的，如一个36V的电池堆，必须用10只电池串联。整体的充电控制电压是42V，而放电控制电压是26V。用整体电压控制方式，初始使用阶段由于电池一致性特别好，也许不会出现什么问题。在使用一段时间以后电池内阻和电压产生波动，形成不一致的状态，（不一致是绝对的，一致性是相对的）这种时候仍然使用整体电压控制是不能达到其目的的。例如10只电池放电时其中两只电池的电压在2.8V，四只电池的电压是3.2V，四只是3.4V，现在的整体电压是32V，我们让它继续放电一直工作到26V。这样，那两只2.8V的电池就低于2.6V处于了过放状态。锂电池几次过放就等于报废。反之，用整体电压控制充电的方式进行充电，也会出现过充的状况。比如用上述10只电池当时的电压状态进行充电。整体电压达到42V时，那两只2.8V的电池处于"饥饿"的状态，而迅速吸收电量，就会超过4.2V，而过充的超过4.2V的电池，不仅由于电压过高产生报废，甚至还会发生危险，这就是锂动力电池的特性。特性的物质只有掌握它的特性来使用，才能给你造福。如同一匹野马，你只有把它戴上缰绳。才能驯服它。自从人类发明了锂电池，其使用技术一直在不断提高，如小容量的手机电池，使用技术已达到完美程度。然而，做为大功率大容量的锂动力电池，其使用技术仍然处于开发研制阶段。人们对较小容量的10AH电池采取了单体控压恒流充电方式，在放电时使用整体电压控制，在电压较高时就使其保护，停止工作。比如在整体电压30V时就控制其停止工作了。这样，一般在一致性比较好的电池组里，单体电池的电压也不会低于2.6V。而充电时由于采取单体充电，单体控制，就能够使每只电池的工作效率达到比较理想的程度。然而这种控制仍然不会使人们满足，并没有使电池达到100%的工作量，比如广东的一家电动自行车公司，用10AH/36V的电池组充一次电续驶60k/m，而另一家电动自行车公司使用同样的电池组测试，可续驶75km，这不能不说锂动力电池的使用技术是有高低之分的。由于锂动力电池的使用技术是每个研发单位的机密，他们在研发过程中都投入大量的人力物力资源，所以，使用技术的高低，不能不说这是他们开发市场争创品牌的资本。锂动力电池理想的管理应该是均衡保护控制。这种控制的要求是几只几十只甚至是几百只的电池组，每只电池不仅能够管理和保护，而且在放电时还要使每只电池的电压保持均衡一致。如同几十杯水，在同一个水平线上平衡一致地往外流。在充电时，也如几十杯同一水平线上的水，在同一个电压线上，均衡一致地进行充电。这种要求似乎刻苛，可锂劝力电池要想百分之百的被用户认可，只有做到这种程度才行。因为许多用户，特别是消费者，他们不懂如何单独检测，如何各别处理单体出问题的电池，锂动力电池的管理只有达到智能化程度，才能彻底开辟出这个宏大的市场。所以说，锂动力电池市场目前亟待解决的是使用技术问题。2、动力电池及系统的关键技术2.1EV动力电池的相关标准1）容量(Capacity)。电池的容量是指在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，有理论容量、实际容量、额定或公称容量和额定储备容量之分。用AH(安时)数、mAH(毫安时)表示。理论容量：理论容量是假设电池内产生电量的化学反应式左边的物质全部参加反映生成的电量。它是根据活性物质的质量按照法拉第定律计算得到的。实际容量：实际容量是指电池在一定的放电条件下电池实际所能输出的电量，等于放电电流对放电时间的积分。额定容量：额定容量也叫公称容量，是指设计和制造电池时，按国家或有关部门颁布标准规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。2）放电速率，简称放电率，常用时率表示。时率是以放电时间表示的放电率，即以某电流放电放完额定容量所经历的时间。例如电池三小时额定容量为120Ah(用C/3=120Ah表示)，则电池在充满电后，以120/3=40A的恒流放电，在其电压不低于某一规定值以前，能连续放电达到三小时者为合格。3）能量(Energy)。电池容量是按一定标准规定的放电条件下，电池所能输出的电能，单位为Wh(瓦时)或kWh(千瓦时)。电池有实际能量和标称能量之分。实际能量为电池处于一定的放电条件下的实际容量与平均工作电压的乘积。4）比能量(SpecificEnergy)。比能量作为衡量各种电池性能的一项重要指标。比能量也称为能量密度。比能量有重量比能量和体积比能量之分。重量比能量指电池单位质量所输出的电能，单位为Wh/kg(瓦时/千克)。5）功率(Power)。电池的功率是指在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量大小，单位为W(瓦)或kW(千瓦)。6）比功率(SpecificPower)。单位质量或单位体积的电池所输出的功率称为比功率率，单位为W/kg或W。7）循环使用寿命(CycleLife)。电池充电和放电一次称为一个循环，按一定的测试标准，当电池容量下降到某一规定值以前，电池能承受的充、放电循环次数，称为电池的循环使用寿命，循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一项重要的指标。8）自放电率(Setf-Discharge)。自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度，自放电率用单位时间内容量下降的百分数表示。9）输出效率(outputeffective)。电池实际上是一个能量存储器。充电时将能量转变为化学能存储器来，放电是把化学能转变为电能释放出来。但电池并不能作为理想的储能器，它在工作过程中有一定的能量消耗。10）充电率(Charge-Rate，C-rate)。它表示电池充放电时电流的大小。例如：充电电池的额定容量为1100mAh时，即表示以100mAh(1C)放电时间可持续1小时、如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时，充电亦如此计算。11）终止电压(Off-Cut-Voltage)。指电池放电时，其电压下降到电池不允许再继续放电的最低工作电压值。12）开路电压(Open-Voltage)。电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，往往会形成起开路电压不一样的情况出现。13）放电深度(DepthofDischarge)。在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，成为放电深度。14）过放电(Over-Discharge)。电池在放电过程中，当超过电池放电的终止电压值后，还继续放电时就可能会造成电池内部电压(即电池的开路电压)升高，正、负极活性物质的可逆型遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。15）过充电(Over-Charge)。电池在充电时，在达到充满状态后，若继续充电，可能导致电池内部电压升高、电池变形、漏液等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。2.2电动汽车对动力电池的要求一般情况下，电动汽车的动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大变化。针对这种使用特点，电动汽车的动力系统对电池有如下几个方面的特别要求：(1)大功率充放电的能力。电动汽车要求动力电池具有更高的比功率。(2)高效的充放电能力。电动汽车中动力电池的高充放电效率是对保证整车效率具有至关重要的作用。(3)相对稳定性。电动汽车电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定。2.3电动汽车对电池管理系统的要求电池管理系统(BMS)管理的对象是电动汽车动力系统的电池，面对动力电池在电动汽车上工作时的苛刻的充放电状况，现代电动汽车的BMS有如下几个方面的要求：1）基本的管理能力。防止过充电与过放充、避免深度放电、SOC和剩余行驶里程的预测。2）较强的热量管理能力。电池在大功率充放电时，电池组发热，在电池箱内形成一定的温度梯度，使得各个单体电池工作时的环境温度不一致，将会削弱各单体电池间的均衡性，降低电池组的充放电能力。针对这样的情况，BMS必须具备先进的热量管理能力，维持电池模块间温度的平衡，并控制电池的工作温度在合理范围内。3）高压电安全管理能力。电动汽车的动力电池的高达数百伏的高压电，可能危及生命及车辆安全，为了确保电动汽车高压电安全，BMS需要实时监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路的接通过程，在发现异常状况后能立即通过状态线输出故障状态并做出相应的动作，在危险的情况下能自动切断高压电的输出。4）车载CAN通讯功能。BMS作为电动汽车的一个子系统，在监控电池组的同时，通过总线，必须实时的将电池状态告知车载动力总成系统和其他相关分系统，实现信息共享。5）较好电磁兼容（EMC）能力。BMS作为汽车电子部件，需要满足十分严格的汽车电磁兼容性要求。3、电池管理系统的开发难点和重点电池作为化学电源其输出功率和发动机有明显的不同，其充放电反应机理、化学活性物质及其反应速度等直接决定了电池提供充放电电流、电压的能力。为精确预测电池SOC，我们必须通过大量的理论和试验研究电池内部电化学关系，准确估计电池内部状态。电动车电池组一般是由100～300节单体镍氢电池或者30～100节锂电池串联组成，总电压一般在120～500V之间。电池管理系统需要测量单体电池电压、温度、通过电流等参数，同时如何解决大量信号的测量精度和信号的共地、隔离、抗干扰等问题，将是数据采集系统设计的难点。今后电池管理系统的研究重点是：应以系统观念为基础，根据电池的内部反应机理提高电池SOC预测精度、降低电池管理系统的功耗、改善电池的工作状况和存放环境。即主动地进行电池管理，特别是电池的过度充放电保护、热平衡和电池的工作环境的管理。同时应该充分运用优化理论，将电池管理系统的能耗与电池的能量进行优化，以取得在最优能耗下获得最大的电池放电电能。4、控制技术的现状分析1．电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势（1）前言目前,影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题,延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须对电池进行合理有效的管理和控制,为此,国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。例如,日本青森工业研究中心从1997年开始至今,仍在持续进行电池管理系统(BMS)实际应用的研究;美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测;丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目,经过几年的发展之后,在BMS方面取得很大的突破,与国外水平也较为接近。在国家863计划2005年第一批立项研究课题中,就分别有北京理工大学承担EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统和DC/DC变换器等一大批相关课题。（2）BMS的基本结构BMS的主要工作原理可简单归纳为:数据采集电路首先采集电池状态信息数据,再由电子控制单元(ECU)进行数据处理和分析,然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令,并向外界传递信息。基于上述原理,美国托莱多大学提出一个典型的BMS基本结构。这个典型的系统把BMS简化划分为1个ECU和1个均衡电池之间电荷水平的均衡器(EQU)两大部分。其中ECU的任务主要由4个功能组成:数据采集、数据处理、数据传送和控制。ECU也控制均衡器、车载充电器等电池维护设备。韩国Ajou大学和先进工程研究院开发的BMS系统的组成结构及其相互逻辑关系。该系统在上述结构中进行功能扩展,即增设热管理系统、安全装置、充电系统以及与PC机的通信联系。另外还增加与电动机控制器的通信联系,实现能量制动反馈和最大功率控制。湖南大学研发的电动汽车采用的集中式BMS结构。该BMS系统最大的优点是采用电压隔离开关矩阵提高数据采集的可靠性和系统的安全性。其内部多条隔离的数字及模拟信号输入输出通道不仅可以根据要求灵活使用,而且有效增强系统的抗干扰能力。现在国外正在开展基于智能电池模块(SBM)的BMS研究,即在1个电池模块中装入1个微控制器并集成相关电路,然后封装为一个整体,多个智能电池模块再与1个主控制模块相连,加以其它辅助设备,就构成1个基于智能电池的管理系统。该BMS成功实现对每个电池模块的状态监测、模块内电池电量均衡和电池保护等功能。美国Micron公司开发的军用电动车辆BMS采用的就是这种结构。（3）BMS功能组成部分概述综合国内外的研究工作,目前所设计的电动汽车用BMS通常包含以下功能组成部分:数据采集、剩余容量(SOC)的估算、电气控制(充放电控制、均衡充电等)、热管理、安全管理和数据通信。数据采集在BMS中,采集到的数据是对电池作出合理有效管理和控制的基础。因此,数据的精度、采样频率和数据过滤就非常重要。鉴于电压、电流、温度的动态变化特征,采样频率通常应不低于1次/s。锂离子电池的安全性要求高,对电压敏感,所以必须采集每个单体电池的电压,监测到每个电池的温度。镍氢电池和铅酸电池对电压和温度的采集精度要求不像锂离子电池那样高,有时为简化BMS的结构,对电压和温度成对或成组采集。SOC的估算电池剩余容量(SOC)的确定是BMS中的重点和难点。由于电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性,使准确估计SOC具有很大难度。传统的SOC基本估算方法有开路电压法、内阻法和安时法等。近年来又相继研发出许多对电池SOC的新型算法,例如模糊逻辑算法模型、自适应神经模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光谱法等。开路电压法适用于测试稳定状态下的电池SOC,在电动汽车行驶过程中不宜单独使用。开路电压法通常用作其它算法的补充。内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。但电池的内阻受多方面的因素影响,测量结果易受干扰,可信度不高。再加上这种方法比较复杂,计算量大,因此在实际应用中比较困难。安时法通过对电流积分的方法记录从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量,再根据充放电的起始SOC状态,就可以计算出蓄电池的SOC。该方法最为直接明显,而且简单易行,在短时间内具有较高精度,但长时间工作时有较大的累积误差。实际应用中,安时法是目前最常用的方法,且常与其它方法组合使用,如安时内阻法、安时2Peukert方程法、安时开路电压法。这些组合算法通常比单纯使用安时法精度更高。各种智能算法和新型算法由于还不是很成熟,有些复杂算法在单片机系统上难以实现,所以在实际应用中还不多见,但这是未来发展的方向。为了更准确估算SOC,在算法中还需要考虑对电池的温度补偿、自放电和老化等多方面因素。例如,韩国Ajou大学和先进工程研究院的研究人员对镍氢电池SOC的估算中考虑电池的实际可用容量(包含了对温度的考虑)、自放电率和电池老化对容量的影响,提出了SOC计算公式为SOC(%)=100%×(额定容量+容量补偿因数+自放电效应+老化效应-放电量+充电量)/额定容量其SOC估算精确度在±3%内。电气控制德国的JossenA等研究人员认为电气控制需要实现的功能有:控制充电过程,包括均衡充电;根据SOC、电池健康状态(SOH)和温度来限定放电电流。电气控制中需要结合所使用的电池技术和电池类型来设定一个控制充电和放电的算法逻辑,以此作为充放电控制的标准。在BMS中,均衡充电是非常关键的一个环节。动力电池一般由多节较大容量单体电池串联而成。但由于单体电池之间存在不一致性,这会降低电池组的使用水平,严重影响电动汽车的性能,危及电动汽车的安全。例如,在湖南大学研发的EV23中发现,当没有采用均衡充电时,电池经过多次的充放电之后,10个单体电池为1组的镍氢电池组间电压差最大约为2V。均衡充电的方案有多种,选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。美国托莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。这种方案是通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电,硬件设备比独立均衡简单,但效率相对较低。北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用一种电池组均衡充电保护系统方案,实现均衡充电和电池保护的综合运用。安全管理和控制电池自身的安全问题,尤其是锂离子电池在过充电时会着火甚至爆炸,因此电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构当前所面临和必须解决的难题,它直接影响电动汽车是否能够普及应用。BMS在安全方面主要侧重于对电池的保护,以及防止高电压和高电流的泄漏,其所必备的功能有:过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池。这些功能可以与电气控制、热管理系统相结合来完成。许多系统都专门增加电池保护电路和电池保护芯片。例如文献中的BMS,其智能电池模块的电路设计还具有单体电池断接功能。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或断开电路,防止意外事故的发生。热管理电池在不同的温度下会有不同的工作性能,如铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池的最佳工作温度为25～40℃。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用能量发生变化,甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。美国可再生能源国家实验室的AhmadA.Pesaran指出热管理系统的主要任务有:使电池工作在适当的温度范围内;降低各个电池模块之间的温度差异。使用车载空调器可以实现对电池温度的控制,这也是电动汽车常用的温度控制方法。数据通信数据通信是BMS的重要组成部分之一。在BMS中,目前数据通信方式主要采用CAN总线通信方式。在厦门大学与清华大学合作开发的BMS中,其内部各模块之间使用一个内部CAN网络,在通信与显示模块中还有另外一个CAN通信接口接入到整车CAN通信网络中。而在同济大学开发的一个试验用于超越二号燃料电池电动汽车上的BMS中,内部模块采用LIN总线通信,与整车的通信则采用CAN总线方式。在采用智能电池模块时可以选择使用无线通信方式,或者通过电力载波的方式与主控制器通信。这2种通信方式都可以减少BMS的布线,降低电动汽车内部的电路复杂程度,但其可靠性和抗干扰能力不如CAN总线。另外,每个BMS基本上都留有与计算机的通信接口,便于在计算机上对电池数据信息进行分析。（4）BMS的未来研究方向和发展趋势与电机、电机控制技术、电池技术相比,BMS还不是很成熟。BMS作为电动汽车最关键的技术之一,近年来已经有很大的提高,很多方面都已经进入实际应用阶段,但有些部分仍然不够完善,尤其是在采集数据的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。(a)BMS的设计主要有如下技术难点:需要采集的数据量大,精度要求高;电池状态的非线性变化严重制约了SOC的预测精度;内部电路复杂,安全性差,抗干扰能力要求高。(b)根据对BMS的功能要求和目前研究中的问题可知,如何把握电池内部状态的变化规律,用更有效的方式和采用更适当的算法来正确估算SOC,减小SOC的估算误差,仍将是今后研究的重点。(c)在BMS的安全管理和控制功能模块设计中,如何解决电池自身的安全性问题,例如:实现电池组均衡充电、避免高电压和高电流的泄漏、防止对人体造成伤害,尤其是在冲力作用条件下(发生碰撞时)对电池安全性的控制等,还需要进行大量的试验研究。(d)目前的很多BMS应用某一类型的电池时效果很理想,但却难以应用到其它类型的电池上。因此,研究更具有通用性的BMS已经成为目前的发展方向。四、锂电动力电池组的均衡管理电池组(PACK)有别于单体电池，在目前的锂电池制造水平下，单体之间的性能差异在其整个生命周期里不可避免会存在，组合成多节串联PACK后如不采取技术措施,单体电池在充放电过程中的不一致会导致单体电池由于过充、过放而提前失效,要想避免单体电池由于过充、过放导致提前失效，使PACK的性能指标达到或者接近单体电池的水平，必须对电池组中单体电池进行均衡控制.电池组均衡的使命是:将多节串联后的PACK内部各电池单体充放电性能恶化减到最小或使其消失.避免PACK内部各电池单体放电时产生性能恶化,采用简单的控制电路就可做到,但充电时避免PACK内部各电池单体产生性能恶化,却有较大难度,这使充电均衡成为PACK均衡的一个主要问题.多节动力电池组的均衡控制有两种:分为单独充电均衡和充放电联合均衡,一个容量及放电功率平衡设计良好的系统中,只要充电均衡控制到位,最差单体电池的性能达到出厂指标。事实上无需放电均衡，此时的充电均衡控制到位指:每次充电均衡控制,都可使最差单体电池的电压回复到充满就可,这一均衡方式下的PACK各项性能由最差单体电池的性能决定,最差单体电池的性能如果达到出厂指标,PACK各项性能就能达到设计指标。但是,如果充电均衡控制不能到位,充放电联合均衡就变得非常重要,在这一情况下,总均衡量是充放电均衡量相加和,但这种方式对电池非常不利,因为,充电时,仍有可能出现过充。放电均衡的使命是：使PACK放电时，其放出能量为所有电池能量的平均和。放电均衡决不能解决单体锂电组合成电池包后性能恶化的主要问题——过充产生的寿命下降和安全问题。对于电池组均衡:目前在业界存在如下三种均衡方式：1、单充电均衡。2、充电均衡加放电均衡。3、动态均衡。事实上，动态均衡即是在锂电的使用和闲置全程中进行的充放电均衡。它可以通过延长均衡的时间来掩盖充放电均衡量不够所产生的问题。在动态均衡下，因为电池每时每刻都在细微均衡，故在充电和放电时所需要的均衡量大幅下降。但是如果PACK使用频度很高衡量不够所产生的问题就不可避免会发生,最终表现就是均衡失败.不管充电均衡，还是放电均衡，还是动态均衡，均衡效率才是最重要的。当均衡效率足够时，可以采用很大的均衡量，就可以实现一次均衡到位,而不产生后果.举例来讲，一个设计目标为14串26AH的PACK，正常设计下，会采用26AH功率锂电14颗串组成1个PACK。假定设计循环寿命为500次，则所选择的26AH单体电池循环寿命一定会选择在500次或更多。如果每次充电，充电均衡电路能够在合适的充电电流下确保每节电池都充到4.2伏的标称值。放电时，能够确保每节电池都不放到放电截止电压以下（大部分在2.75V~3.0V间），则充电均衡电路就可充分保障所串组成的PACK循环寿命大于500次，放电容量不低于26AH。此例可轻易看出，在3种均衡系统中，充电均衡系统只要工作到位，均衡使命已经完成。如果此时加入放电均衡，则可使PACK放出容量略大于26AH，故放电均衡只能锦上添花。但如果充电均衡、放电均衡或动态均衡电路效率较低，就无法提供短时间内足够的均衡量，低效电路都必须通过延长均衡时间来将所消耗的能量转化成热量慢慢发散，以保证PACK内部不会过热。如果硬加大均衡量，则PACK短期内会发出高热，导致安全及其它问题。故可以认为动态均衡是充电均衡、放电均衡电路效率较低时可以考虑的选择。高效率的充放电均衡电路结合在一起，是最为理想的均衡方式。但其成本可能较高。在低成本运用环境下，做精,做好充电均衡，是最具备实用性的方案。这一方式下所构成的PACK，其循环寿命等同于设计寿命（所选锂电单体规格书中规定的寿命）。所能放电的最大容量,一定是所选锂电单体规格书中的容量。这种情况,恰好符合通常的设计理念。五、电池管理系统软件设计本电池管理系统的软件主要包括三个部分：数据采集与控制部分、中央处理单元的管理部分、整个系统的CAN通讯部分。从软件载体上分为：控制器程序和与之相配套的监视软件。5.1数据采集与控制部分5.1.1数据采集程序数据采集系统在硬件上由片外独立A/D（TLC2543）和S12片内A/D模块组成，数据采集系统程序需要分两块处理。数据采集的频率是每10ms一次刷新一次数据。1）片外独立A/D（TLC2543）采集程序。该部分负责对电流、电压模拟量的转换，考虑到硬件上采用浮地技术，故需要I/O口控制电子开关矩阵，以配合TLC2543的通道选择，完成电流、电压数据的采集。2）S12片内A/D模块采集程序。该部分负责对温度模拟量的转换，由于温度模拟量物理信号直接与S12的端口连接，程序上只需要对A/D模块的相关寄存器配置好(如位数、时钟频率、数据对齐方式等)，便完成初始化，随后启动转换，查询转换结束标志位，即可完成一次A/D转转。5.1.2热量管理控制程序由于充、放电过程中，电池本身会产生一定热量，从而导致温度的上升。温度会影响电池的很多特性参数，故对电池组进行热量管理是非常重要的。采用并行通风散热方式，可以获得均匀的电池箱内的温度场分布，从而保证电池组各单体电池的温度平衡。热量管理的方式是通过分析采集的温度数据，采用一定的控制策略，控制冷却风扇控制的开启，维持电池工作的最佳环境温度。5.2中央处理单元的管理部分中央处理单元主要执行以下工作：电压、电流与温度测量数据滤波；计算电池SOC；计算电池放电深度DOD；计算最大允许放电电流；计算最大允许充电电流；预测蓄电池寿命指数和SOH；故障诊断。5.2.1电池状态参数计算流程电池状态参数计算包括测量和计算部分：滤波电压、电流与温度测量数据；计算电池SOC；计算电池放电深度DOD；计算最大允许放电电流；计算最大允许充电电流；预测蓄电池寿命指数和SOH；故障诊断；5.2.2电池状态故障诊断故障诊断功能是BMS的重要组成部分，本课题故障诊断可以在动力电池组工作过程中，实时掌握电池的各种状态，甚至在停机状态下也能将电池故障信息定位到动力电池系统的各个部分（包括电池模块）。故障级别分为：一般故障、警告故障和严重故障。BMS根据故障的级别将将电池状态归纳成尽快维修、立即维修和电池寿命警告等三类信息传递到仪表板以警示驾驶者。从而保护电池不被过分使用。1）BMS的重要诊断内容如下：(1)启动过程的BMS硬件故障诊断；(2)启动过程的传感器信号的合理性诊断；(3)启动过程的电池组电压信号合理性诊断；(4)启动过程电池模块电压的合理性诊断；(5)启动过程电流信号的合理性诊断；(6)启动过程温度信号的合理性诊断；(7)电压波动诊断；(8)无模块电压诊断；(9)无电池组电压诊断；(10)无温度信号诊断；(11)电流故障诊断；(12)流量传感器故障诊断；(13)模块电压一致性故障诊断；(14)过流故障诊断；(15)通讯系统故障诊断；(16)通风机故障诊断；(17)高压电控制故障诊断；(18)模块电压的过充诊断；(19)电池组电压的过充诊断；(20)模块电压变化率的过充诊断；(21)电池组电压变化率的过充诊断；(22)SOC的过充诊断；(23)传感器温度的过充诊断；(24)平均温度的过充诊断；(25)传感器温度变化率的过充诊断；(26)平均温度变化率的过充诊断；(27)模块电压的过放诊断；(28)电池组电压的过放诊断；(29)模块电压变化率的过放诊断；(30)电池组电压变化率的过放诊断；(31)SOC的过放诊断；(32)传感器温度的过放诊断；(33)平均温度的过放诊断；(34)传感器温度变化率的过放诊断；(35)平均温度变化率的过放诊断。2）BMS的上述诊断内容分充电过程、放电过程进行，诊断策略与失效处理的基本策略是：(1)根据各故障原因，对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件；(2)采用分时诊断流程，节约CPU时间资源；(3)根据电池充电倍率，动态调节充电诊断过程参数；(4)根据电池放电倍率，动态调节放电诊断过程参数；(5)故障诊断分三种不同级别进行（报警、故障与危险）；(6)故障诊断结果通过CAN总线送至VMS；(7)故障诊断结果参与电池实际工作电流的控制；(8)故障诊断结果参与高压电控制。5.3CAN通讯系统部分5.3.1CAN的底层驱动设计底层软件的CAN编程主要针对MC9S12DP512的msCAN模块进行。msCAN的数据缓冲区分为发送和接收缓冲区，两者分开定义，占用不同的地址空间。数据缓冲区可以定义成标准桢格式也可以定义成扩展桢格式，区别主要在ID标识符寄存器内容的设定上。相同之处在于：若RTR=0则为数据桢；若RTR=1则为远程桢。本系统根据需要，只使用了扩展桢格式。每个缓冲区在数据成功地传送完成后都可以产生中断。这里接收时使用了中断，每次成功地接收了一组数据后，将接收到的数据复制到指定的全局变量中。1）初始化。初始化过程只有在msCAN进入初始化模式（设置CANCTL0和查询CANCTL1）才能进行，初始化主要包括工作方式的设置(CANCTL1)、波特率的设置（CANBTR0和CANBTR1）、接收滤波方式的设置（CANIDAC）、接收代码寄存器(CANIDAR)和接收屏蔽寄存器(CANIDMR)的设置，之后退出初始化模式（设置CANCTL0和查询CANCTL1）。1）报文接收。接收的数据储存在一个5级的输入FIFO中，背景缓冲RxBG始终与msCAN相连，前景缓冲RxFG始终与CPU相连，这种处理方便了应用软件。接收缓冲满RXF标志表示了RxFG的状态，当正确接收且通过标识符验收的数据到达RxFG时，RXF置位，接收子程序可以通过查询或中断的方式来接收数据。接收时每帧信息都要接受标识符验收滤波，其原理是把标识符验收寄存器的每一位与接收到的标识符对应的位异或取反后再与标识符屏蔽寄存器的对应位取或，最后所有结果进行与运算得出验收结果。本电池管理程序采用中断方式接受报文，可减轻CPU负载，提高实时性。2）报文发送。本系统CAN模块的发送采用定时方式来控制，按照整车CAN应用层协议同其他车载控制器交换信息，同时具备事件触发控制功能，以满足电池管理系统标定接口的要求。这里最好把CAN中断优先级设为高优先级。发送时，CPU检查CAN模块的发送缓冲区，若有发送缓冲器处于“释放”状态,标志(TXE[2:0])置位，则CPU将发送的信息传送到该发送缓冲器，然后将该标志(TXE[2:0])清零，启动发送，发送期间，TXE[2:0]处于“锁定”状态，此时CPU不能访问发送缓冲器。发送成功结束时，TXE[2:0]处于“释放”状态，这时CPU就可以访问发送缓冲器，进行下一次发送操作。5.3.2基于CAN的监视软件设计基于CAN的监视软件的是针对USBCAN开发的，PC通过USBCAN可与车载CAN网络连接，实现对电池管理系统的在线实时访问，完全满足车载动态实时监测的要求。USBCAN针对不同的应用提供了其开发接口文件ControlCAN.h、ControlCAN.lib、ControlCAN.dll。对于本系统，需要将ControlCAN.h、ControlCAN.lib添加到工程，同时将ControlCAN.dll拷贝到系统目录。这里涉及到数据的发送和接收。数据发送调用接口里面的VCI_Transmit函数便可。数据接收是通过回调函数进行的。只要定义了接收队列，而且准备USBCAN时，则在队列接收到报文时，回调函数会自动被调用。只需在回调函数中把数据存储到特定的缓冲区便可。监视软件实现的功能有：(1)监测动力蓄电池的单体或模块电压；(2)监测动力蓄电池组总电压；(3)监测电流；(4)电池组SOC；(5)电池组工作平均温度；(6)模块电压极大值；(7)模块电压极小值；(8)温度传感器极大值；(9)温度传感器极小值；(10)监测最大允许充电电流和最大允许放电电流；（11）监测蓄电池组故障码状态；(12)显示工况运行时间；(13)存储数据，采用office软件进行后处理分析。六、电池管理系统硬件电路设计电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态：电池的电压、电流和温度，预测电池组的荷电状态SOC和相应和剩余行驶里程，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充、过热，对出现的故障应能及时报警，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。为了实现这些任务，本系统对各个功能模块进行了划分，形成各智能测量与控制节点，这些节点又统一由一个基于MC9S12DP512的中央控制单元(CCU)进行控制管理，整个系统与整车各控制器间用基于CAN(ControllerAreaNetwork)的总线来进行通讯。CAN总线的应用，可以完全满足现代汽车设计中通讯的高可靠性和快速性要求。CAN通讯的采用可以使整个管理系统与整车的管理系统对接，实现整车管理系统的优化。同时为了便于以后对电池模型的研究，本系统设计了基于USBCAN的PC机端CAN通讯接口，实现了PC对BMS的快速访问，以便用PC强大的数据处理功能来处理所采集到的数据。6.1电池管理系统硬件方案设计6.1.1BMS硬件功能硬件的设计必须要实现对动力电池组的合理管理，首先必须保证采集数据的准确性；其次是可靠稳定的系统通信；最后非常重要的是抗干扰性。在具体实现过程中，根据设计要求决定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求决定前向通道的设计；根据抗干扰性要求设计合理的通讯接口电路。1）电池组管理系统的硬件电路为管理软件提供了工作平台，该硬件的主要功能与基本特点如下：(1)设计有掉电保护RAM，用于存储故障诊断结果、自学习结果、电池历史使用情况等参数。由于研制阶段的BMS的备用电源随时可能掉电，使用过程中的备用电源也可能在车辆维护过程中拆除，因此须在这些情况下保持数据不丢失。(2)具有BMS的自学习策略。(3)BMS的EMC能力强。(4)实现BMS的模块化设计，特别是可靠的独立的CPU板设计，降低开发成本、提高开发效率。(5)实现对BMS动态程序下载与程序烧写，具备了动态标定能力。(6)具有外部ADM。2）BMS硬件开发要点。为了实现上述BMS功能，必须依赖系统硬件的设计。因此，BMS硬件开发过程中需首先考虑的事项有：(1)开发系统支持的编程语言。(2)开发系统使用的开发平台。(3)开发系统的功能。(4)确定控制单元输入/输出管脚的数量和性质。(5)友好的集成开发环境。(6)选择各种芯片和元器件，应特别慎重地选择控制单元的CPU芯片。3）硬件系统的搭建，包括以下内容：(1)供电系统设计。(2)I/O电路的设计、调试和标定。(3)辅助电路设计。(4)CPU电控单元的设计和调试。(5)通讯电路的设计和调试。(6)底层汇编程序的编制和调试。6.1.2BMS主CPU及其开发系统为了实现CAN总线通讯和为BMS系统留足够的富裕扩展能力，在原有工作基础上，重新对目前在汽车电子产品上的ECU进行了评估。目前，世界汽车电子产品用的主流单片机有freescale系列、siemens系列、Philips系列，其中美国产品大多采用了freescale系列单片机。6.2系统硬件电路实现6.2.1硬件电路实现遵循的原则1）模块化：为了设计、调试、维护的方便，电路的设计一般都要遵循模块化的原则。因此需要对硬件电路的要求进行模块的划分，然后再分别进行设计和调试。2）集成化：硬件电路中用到的元件越多，造成故障的可能性就增大了很多，设计调试和维护都变得困难。因此在设计中尽量采用集成化较高的元件。3）简单化：设计中可以用简单方式实现的功能就不采用复杂的方式。4）最优化：在可能的基础上，需要对各种设计方案进行筛选，找到相对最佳的方案。5）可靠性，耐久性：作为汽车用的系统，可靠性和耐久性一直是最重要的指标之一。为了达到系统的要求，需要从设计方案的筛选、元器件的选择、EMC设计等多方面进行考虑。基于以上考虑BMS核心主CPU的选取显得尤为重要,综合各方面因素，最终选取HCS12家族16位嵌入式单片机MC912DP512的作为BMS核心主CPU。6.2.2MC912DP512介绍MC912DP512是一个高度集成的16位微处理器，是HCS12家族16位嵌入式单片机系列产品。它采用了高密度互补金属氧化物半导体HCMOS工艺，使得MCU的基本功耗降低，同时可以通过CPU16指令集的低功耗指令（LPSTOP）使得MCU的功耗进一步降低，特别适合用作汽车电子控制。MC912DP512是一个功能强大的单片机，其内部采用模块化结构设计，主要有中央处理器CPU16、可配制定时中断的时钟与复位发生器(CRG)、系统端口集成模块PIM、周期性中断定时器模块（PIT）、带外部触发转换的10位的队列A/D转换器（ATD）、增强型捕获定时器（ECT）、可提供硬件触发源的脉宽调制模块（PWM）、512KB的片上程序存储器（FLASH）及14KB的片上存储器RAM和4KB的片上存储器EEPROM、串行外部口模块（SPI）和异步串行口模块（SCI）及I2总线模块（IIC），同时MC912DP512还有一个支持CAN2.0B协议的（msCAN）模块，可以实现CAN通讯。他们被设计在一个芯片内，形成一个方扁平形的集成块。这里特别强调一下时钟与复位发生器(CRG)的RTI单元，它可脱离CPU而单独工作，专门处理与定时有关的事件，减轻CPU的负担，提高MCU的执行速度和效率。1）中央处理器CPU16(HCS12)。CPU16(HCS12)管理着MC9S12DP512和外部设备的全部活动。它通过内部总线与其内部的各个模块通讯，同时还通过外部扩展总线与外部芯片或外部设备连接并进行数据传送。CPU16(HCS12)指令集与MC68HC11系列基本指令系统向上兼容，支持原有的指令和扩展功能，具有强有力的寻址方式，其内部数据和地址处理能力达16位，且具有2个多功能的8位数据累加寄存器、2个16位的变址寄存器、16位的程序计数器PC、16位栈指针SP，和几个专用控制寄存器，其中地址寄存器和程序计数器及栈指针均可作为变址寄存器使用，而数据寄存器作为累加器、缓冲寄存器和暂存器使用。CPU16(HCS12)外部有23根地址总线和16根数据总线以及控制总线分别连接到MC9S12DP512的内部总线上，如此可选择的每个实地址空间为8M，并可进行位、字节、字和长字的传送。CPU16(HCS12)丰富的指令系统不仅具有MC68HC11基本指令系统的特性，还支持高级语言并可增加高级语言编辑器的效率，可使用户开发复杂算法，并增加了查表和插值、低功耗STOP等控制指令；CPU16(HCS12)还增加了跟踪和陷阱功能，使程序易于检查和诊断。流水线结构使指令在CPU内部并发地工作，在执行指令的同时，可进行不同阶段的译码和指令预取。这样CPU在执行一连串指令时，总的执行时间大大减少，甚至在两个时钟周期左右就可执行完一条指令。2）系统端口集成模块PIM。系统集成模块PIM(PortIntegrationModule)建立了片内模块单元，其中包括非复用外部总线接口模块(S12_EBI)和I/O引脚的接口，是片内外通讯的桥梁。它控制着I/O引脚上的电器特性以及引脚上信号的使用优先级和引脚上信号的复用性。I/O引脚若作为普通端口使用，不仅可以实现数据的双向传输，还可以设定驱动能力大小，实现上拉与下拉功能。同时部分引脚还具备触发中断能力，增强了CPU与外设的接口功能。3）时钟与复位发生器CRG。时钟与复位发生器CRG(ClocksandResetGenerator)由以下五个控制系统工作的子模块组成，即锁相环倍频器、系统时钟发生器、看门狗定时器、系统复位处理模块、实时中断模块。它们控制着MC9S12DP512微处理器的启动、初始化、设置和与外部设备的连接。系统时钟发生器可与外部晶振或外部振荡电路相连接，产生片CPU16内核系统时钟信号、片内总线时钟信号其他模块和外部设备所用的时钟信号，同时还具有时钟信号品质进检测功能，为频率信号丢失复位提供了硬件基础。系统复位处理模块可以使MC9S12DP512具备上电复位、低电压复位、非法地址侵入复位、看门狗复位、频率信号丢失复位和外部部引脚复位功能。实时中断模块RTI(Real-timeinterrupt)的可脱离CPU而单独工作，专门处理与定时有关的事件，可减轻CPU负担，提高系统运行的实时性.。同时其中断时间确定上引入的十进制分频手段，使得中断时间高度精确。4）周期性中断定时器模块PIT。周期性中断定时器模块(PeriodicInterruptTimer)是一组24位的定时器，其时钟基准由系统总线时钟提供，可以为片内其他模块提供硬件触发源，同时还可产生周期性定时中断。该模块由四个定时器组成一组，每个定时器独立计数，实行递减计数机制，可以独立产生定时中断，独立生成一个上升沿的硬件触发信号（可以作为ATD进行转换的启动信号），并能进行控制寄存器的写操作及状态位和中断逻辑的读操作，能够计数达16M个总线时钟周期。5）可提供硬件触发源的脉宽调制模块PWM。脉宽调制PWM(Pulse-WidthModulators)的定义是基于对HC11的PWM模块的定义。它包含了HC11的PWM模块的一些基本特征，并曾强了中间对其模式，每通道具有四个时钟源，形成HC11的增强型版本HC12的PWM。该模块有八个通道，每个通道的模式可独立设定为左对齐模式和中间对齐模式，并带专用的计数器，周期与占空比可独立设定，占空比可在0~100%编程设定，除此之外，8位8通道的PWM可提供16位4通道的解决方案，拓宽了周期选择的范围。整个模块还提供一个中断，在模块紧急关停时产生，但不会产生中断服务，从而提供了一种硬件保护机制。6）带外部触发转换的10位的队列A/D转换器ATD。队列A/D转换器(Analog-to-DigitalConverter)是一个10位的A/D转换模块，包含2个8通道的模块，直接输入时有16路采样通道，多路复用时可以达到34路采样通道，转换时间在7us左右。MC912DP512的ATD模块的特别之处是它的队列采样机制。ATD可以设置两个采样队列，每次采样完毕之后，CPU16(HCS12)无需干预，最长可达32个命令字的采样队列结束后，可以将采样结果存放到对应的结果寄存器当中。ATD支持单循环采样及多循环采样，同时支持软件触发及外部硬件触发（上升沿、下降沿触发或高电平、低电平触发）。ATD可以灵活设置其采样频率。ATD有4个中断源，其中常用的是当每一个队列采样结束时所产生的中断。7）通讯部分包括串行外部口模块SPI(SerialPeripheralInterface)和异步串行口模块SCI(SerialCommunicationInterface)及I2总线模块IIC(Inter-IntegratedCircuit)。SPI是MCU与外部设备和其它MCU进行同步通讯的全双工串行接口。SPI通过3条全双工、同步的串行通信线：数据输入、数据输出和串行时钟来扩展系统或进行微处理器间的通信。确定串行传送时序和协议的参数均可编程控制。因为SPI能在主机和从机两种方式下工作，所以串行通信线为双向传送信号线。初始化程序必须确定工作方式并设置信号线方向。SPI还包括一个组织成队列的存储区。该队列是命令和与串行外围接口有关的数据存储区（可编程队列和可编程队列指针）。这就使SPI被初始化后，可处理16个8~16位的串行传送或连续发送多达256位长的数据流，而无须CPU介入；SCI用于MC9S12DP512和一个操作者终端或类似装置之间的异步串行数据传送（全双工或半双工）。它作为一个通用异步接受/发送器（UART），可将数据字节转换成为串行数据流或相反。字长可由软件选择为8位或9位。13位通过编程波特率模量计数器允许用户更加灵活地选择系统时钟频率，收发可单独使能。在系统时钟为16.78MHz时，可提供64~512K波特的波特率。数据的发送和接受有奇偶校验和检测功能，并具有两种空闲线检测功能。它的高级出错检测电路可发现持续时间为1/16位的噪声；IIC总线是一个两线，双向串行总线，它设备间数据通讯，提供了一种简便，有效的解决方案。作为两线装置，IIC总线可以实现需要大量设备之间的连线数量小化，无需使用地址译码器便可直联。它特别适合应用在需要进行间或和短距离通讯的场合。它还提供了灵活性，允许更多的设备将连接至总线。进一步扩大和系统的开发。此外MC9S12DP512内置CAN控制器模块，该控制器模块为msCAN(MotorolaScaleableCAN)，服从CAN2.0A/B协议，集成了除收发器外CAN总线控制器的所有功能。8）片上存储器部分包括512KB的片上程序存储器（FLASH）及14KB的片上存储器RAM和4KB的片上存储器EEPROM。MC9S12DP512带有字节的片上高速全静态互补金属半导体RAM，它们可通过编程映像到地址空间的任意储区内。CPU可对它们进行字节、字和长字的读和写，并进行两个时钟周期的高速存取，故它们特别适合用作程序控制堆栈或经常修改的数据变量的存储区。系统管理程序和大量数据表放在512KB的Flash上，无需扩展外部存储器，使得基于MC9S12DP512的系统板的电磁兼容性和稳定性有了显著提高，非易失性EEPROM可存放历史数据。另外此外，正常工作时，它由系统电源VDD供电；在系统电源掉电或失效时，可自动切换到后备电源VSTBY，该后备电源供电时，电压可降到+3.0V，后备电流也降到最低值。9）增强型捕获定时器（ECT）。增强型捕捉定时器模块ECT(EnhancedCaptureTimer)是带附加功能的HCS12标准捕获定时器模块的增强型版本，它扩大应用领域，特别是用于汽车ABS的应用。基本定时器的位数为16位，共8个通道，每通道计数器可独立由软件编程驱动计数。此计时器可作多种用途，包括输入波形测量并可同时产生输出波形。脉冲宽度可从微秒级到秒级变化。以上特点表明，MC912DP512是功能强大的微处理器，它具有卓越的数据处理能力和功能很强的外围子系统，运行速度快，处理信息容量大，完全能够完成BMS硬件系统需要完成的信号采集、信号产生及I/O输出等功能。6.2.3电源电路的设计在汽车电子化设计过程中，电源的设计是非常重要的。目前汽车的电压主要为12VDC/24VDC，电压波动为8~36V。车载电源在工作环境、效率和抗干扰能力等方面均比其它电源要求高，所以车载电源设计必须满足下列条件。(1)宽电压范围下工作，不受瞬间电压下降的影响。由于运用在汽车上，汽车点火与加速时均可能引起电池电压的短暂下降与丢失，这种瞬间的电压下降不应影响电源的工作。(2)抗干扰能力强。汽车上电子设备多，EMI干扰比较大，车载电源要能在高干扰的条件下运行。(3)效率问题。在汽车狭小的空间里，散热将是一个主要的问题，只有电源的效率高，才能从根本上解决散热的问题。(4)适用温度范围宽。汽车在户外启动时，电源周边温度较低。运行一段时间后，由于发动机的工作会造成车载电源周边温度较高，因此要求车载智能电源的适用温度范围要宽。为实现模块化设计并保障设计的年可靠性，选用已有的集成稳压芯片作为稳压电源模块。稳压电源包括线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源通过改变调整管两端的电压降，使输出电压稳定在一定的范围，由于调整管是连续地工作在线性放大状态，所以称为线性稳压电源。线性稳压电源具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强及纹波电压小等优点，但是调整管自身要消耗很大的功率、效率低，特别在负载电流较大且输出电压较低时更明显。开关电源通过调整管断续的工作在饱和和截止状态的时间，对电感进行能量储存，进而控制输出电压值的范围，也就是它是工作在开关状态的，因此而得名。开关电源的调整管要么工作在截至状态要么工作在饱和状态。工作在截止状态时，电流很小；工作在饱和状态时，管压降很小，故管耗都很小。本系统中分别采用了线性稳压电源和开关稳压电源。系统的MCU工作在5V的工作环境下，故要一个5V的直流电源；系统的A/D需要一个稳定度很高的5V基准电压。6.2.4时钟电路的设计MC9S12DP512的系统时钟可由两种方式产生：一是通过MCU内部的时钟合成器（主要包括带有压控振荡器（VCO）的锁相环路（PLL））产生高速时钟；二是通过外部时钟提供。该功能由系统复位期间XCLKS引脚的状态来决定，复位期间XCLKS引脚为高电平时，系统时钟由内部电路提供；XCLKS引脚为低电平时，使用外部时钟。本文采用外部有源时钟，此时XTAL悬空，XFC引脚通过电阻和电容电路与VDDPLL引脚相连，EXTAL引脚接外部时钟信号，VCC为时钟电路单独提供稳定、可有效抑制噪声干扰的电源。6.2.5实时时钟系统电路的设计BMS的硬件系统必须具备实时时钟系统。在主电源系统断电的情况下，能否随时提供准确的当前时间数据，直接影响软件算法的精度大小，尤其是开机过程的初始SOC的确定精度大小。DS1302是众多时钟芯片中一款性价比较高的产品，它是美国DALLAS公司推出的一种高性能的低功耗，带RAM的实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时。且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5~5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。在使用DS1302制作电子时钟时，经常会出现一些难点问题，主要表现在电源供电方案的设计上，DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK，I/O，RST。Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低率的电池备份。Vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运方式下Vcc1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下保存时间信息以及数据。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电，当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。6.2.6I/O信号输出电路采集到电池的状态参数后，经过相关控制策略的处理后，BMS送出的相应I/O信号，产生相应的高低电平给动力总成控制器（HCU）是电池管理系统的又一功能。动力总成控制器（HCU）所需的I/O信号包括诊断请求、ADM唤醒、ADM控制等。电池管理系统只需将控制策略释放出的数字I/O信号从MC9S12DP5612的T口输出相应的高低电平，便可控制热量管理单元的冷却风扇的启停。I/O输出电路的接口比较简单，不需要太多信号处理的问题，只需考虑信号的驱动能力。6.2.7电压采集单元的设计目前国内设计的电池模块电压采集上，多采多采用分布式的数据检测，即每个电池单体或每个电池模块(一般为几十个模块)配备一个采样模块，通过隔离的串行总线集中到总控制模块。电池管理系统是一个车载系统，采用图4-9所示的分布式检测系统时，不利于对系统的维护。该种方案虽然结构简单，但由于系统有多个测量模块，成本较高，而且此分布式采集系统会附带数据采集的不一致性，同时由于数据由串行总线传输，系统巡回检测的速度受限制，数据的实时性不高。由此，我们考虑第二种方案，即：采用集中式测量方案。集中式测量方案对参数的测量速度较快，实时性更好，数据采集的一致性更好、成本较低，但需要解决串联电池的电压测量中共地隔离、测量精度等问题，技术难度大。本电池管理系统BMS电池组单体电池数达260个，分成26个模块。电池组标称电压312V，以模块单位进行电压测量。模块电压测量采用分压式方案，采用浮地技术，以扫描方式快速完成各模块电压及总电压的数据采集，从而实现硬件部分分时复用，降低了成本。利用仪表放大器极高输入阻抗、优良的共模抑制、线性度、温度稳定性、可靠性特点，调理分压后的信号电压，以便A/D模块处理。仪表放大器前接入一组电子开关，以实现模块电压的正负交替。在电子开关的设计上，选取了高速光隔固态继电器AQW214，该继电器隔离电压为1500V，灵敏度高，无需专门驱动电路，并且响应速度快，导通电阻稳定，开路漏电电流极低。6.2.8电流采集单元电流的采样是估计电池剩余容量(SOC)的主要依据，因此对其采样的精度，抗干扰能力，零飘、温飘和线性度误差的要求都很高。和电池组模块电压测量相比，电流的测量则比较复杂，首先电动汽车上电机采用PWM控制，电流是脉动的，其次在助力和能量回馈两种模式间的切换时电流正负数值从几安到数百安培，且变化率较大。因此必须选用响应速度快，具有优良线性度的高