1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1. 课题背景与意义

中国动力电池行业取得快速发展

近年来，国家出台了一系列政策，推动新能源汽车的快速发展。财政部、科技部、工业和信息化部、国家发改委分别于2013年11月、2014年1月发布了两批新能源汽车推广应用城市(群)名单，共39个城市(群)88个城市列入新能源汽车推广应用城市(群)。同时国家还跟进出台了新能源汽车补贴政策，各地政府也相继出台补贴方案，加速新能源汽车的推广和应用。

锂电池市场的快速发展吸引了越来越多的企业进入这一领域，企业数从2008年的10家增长到目前的100多家。2014年这一趋势愈发明显。如鑫科材料1.2亿元参股天津力神，进军锂电行业；长园集团11月5日发布公告称，将斥资7.2亿元收购锂电池材料企业江苏华盛精华工股份有限公司80%的股权；广东猛狮电源科技股份有限公司12月4日发布公告称，公司拟投资5亿元在福建省漳州市诏安县金都工业园区北区投资建设锂电池生产项目。不仅如此，我国快速增长的锂电需求也吸引了国外巨头的目光，如韩国三星SDI准备在西安投资6亿美元建设中国最大的动力电池基地，韩国LG化学在南京建立新能源汽车锂电池工厂等。

控制电池运行的电池管理系统(Battery Management System，简称BMS)也起着关键作用。某种程度上可以说，中国锂电池的水平已经不低，在生产规模上更是世界第一，很多先进生产线均为进口，硬件设施已经属于先进水平。但是为什么很多电池用两三年就不行了，业内人士认为，一个重要的短板还是在BMS。BMS，通常被业内称为新能源汽车电池的”大脑”，与动力电池组、整车控制系统共同构成新能源汽车的三大核心技术。由于其在新能源汽车产业中特有的重要性，越来越受到业内”追捧”，同时也蕴藏了巨大商机。国内首次出现BMS研究在2000年左右，而产品真正出现市场大概也就只有四五年时间。BMS技术的不成属性，成为新能源汽车进一步发展亟待突破的瓶颈。

2. 文献检索情况概述

1.1动力电池的概述

动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。

1.2动力电池的分类

目前电动汽车常用的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池三类，下面就其锂离子电池工作原理、性能和特点作一简要介绍。

锂离子电池

（1）工作原理

锂离子电池（Lithium Ion Battery）是在二次锂电池的基础上发展起来的。它从原理上解决了二次锂电池安全性差和充放电寿命短两个技术难题。典型的电池体系构成如下：电池的正负极均由可以嵌入和脱出 Li 的化合物或材料组成，其中，正极，锂化跃迁金属氧化物（LiMO2,M-Co、Mn 或Ni 等跃迁金属）；负极，可嵌入 Li 的碳（形成了LixC 碳化锂）；电解质，有机溶液或固体聚合物。由于锂离子在正负极中有相对固定的空间和位置，因此锂离子电池充放电反应的可逆性很好。

（2）性能特点

锂离子电池是所有可充电电池中，综合性能最优的一种新型电池。与其他电池相比，锂离子电池应用于电动汽车，在容量、功率方面均具有较大优势。国内外许多单位对锂离子电池在电动汽车方面的应用都表现出特别的关注。1995 年，日本索尼能源技术公司（Sony Energytec.Co.）与日产汽车公司（Nissan Motor）联合研制成功用锂离子电池组驱动的电动汽车。索尼公司研制的车用锂离子电池有两种：一种是用于电动汽车（EV）、容量为100A.h 的圆柱高能量电池，8 只电池串联成一个模块，12 个模块组成完整的车用电池组；另一种是用于混合动力电动汽车（HEV）、容量为 22A.h的圆柱形高功率型电池，虽然其能量密度仅为61W.h/kg（仅为前者的 56.4%），但其功率密度为800W/kg（是前者的 2.7 倍）。

（3）正负极材料

锂离子电池的性能主要取决于电池内部所用材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格，因此，廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。

目前锂离子电池正极材料主要有: 锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，负极材料主要有石墨、钛酸锂等。从整车安全和电池成本考虑，磷酸铁锂是汽车用动力电池上应用最理想的锂电池正极材料，其优点有:一是安全性好、稳定：即使在过充电情况下也不会产生游离氧，不和电解液反应；可以放电到 0V，电池无大的损伤；与有机电解液反应活性低；热力学稳定状态，400℃ 以下无变化。二是稳定性高: 充放电过程中，晶体结构不会发生变化；三维结构，L i 二维移动，利于锂的嵌入；充电电压低，电解液更稳定，电池副反应少；循环寿命长。三是环保: 整个生产过程清洁无毒，所有原料都无毒。四是价格低: 磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，价格便宜。

当然，磷酸铁锂材料也存在以下缺点:一是导电性差: 磷酸铁锂不能得到大范围应用的主要问题是需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率。二是振实密度较低：一般只能达到 1. 3～1. 5，该缺点决定了其在小型电池如手机电池等没有优势，主要用来制作动力电池。三是电压平台低：一般为 3. 2 V。此外，目前磷酸铁锂正极材料生产技术有以下三种：在粉体颗粒表面以碳元素涂布；用金属氧化物包覆颗粒；采用纳米制程技术细化材料颗粒，使之微粒化。

总之，目前锂离子电池的能量密度、放电率、充放电寿命及密封性等，均可以满足美国 USABC制定的电动汽车用动力电池的中期目标。当前，锂离子电池仍然存在的主要问题是：快充放电性能差、价格高和过充放电保护问题。在过充或滥用的条件下，锂电池可能发生火灾或爆炸。因此，为确保锂离子电池的安全性，必须使用电池管理系统。此法虽然有效，但增大了电池的成本和体积。

1.3动力电池的应用领域

由于镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染，因此它将逐渐被用储氢合金做成的镍氢充电电池（Ni－MH）所替代。从电池电量来讲，相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.5～2倍，且无镉的污染，现已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便携式的电子设备。 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。 目前，更大容量的镍氢电池已经开始用于汽油/电动混合动力汽车上，利用镍氢电池可快速充放电过程，当汽车高速行驶时，发电机所发的电可储存在车载的镍氢电池中，当车低速行驶时，通常会比高速行驶状态消耗大量的汽油，因此为了节省汽油，此时可以利用车载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作，这样既保证了汽车正常行驶，又节省了大量的汽油。

2.1动力电池管理系统的概述

现在越来越多的电动汽车和混合动力汽车开始使用锂电池组作 为储能元件，其中磷酸铁锂电池的发展更为迅猛。磷酸铁锂电池的比 能量在最近几年里得到了很大提高，与美国先进蓄电池协作体 （ USABC）200 W#8226;h/kg 比能量指标相差无几 ，而锂电池的循环 寿命也远好于其他类型电池，且制造电池的原材料无毒无污染，非 常适合于电动汽车使用，因此采用锂离子的纯电动汽车受到青睐。

同样伴随着锂电池组的安全性（过充电、过放电及过温度）、使 用成本、使用寿命问题的出现，电池管理系统应运而生。因为锂电池 管理系统的好坏会严重影响电池安全与整车控制策略的执行，所以 必须对锂电池组进行合理高效的管理和控制。 锂电池管理系统实现的功能包括：数据监测、荷电状态（ SOC） 估计、热管理、均衡管理、数据通信、数据显示与报警。其中 SOC 测量 方法有传统的开路电压法、内阻法和安时积分法，以及新兴的模糊逻 辑算法、自适应神经模糊推断算法、卡尔曼滤波估计算法、线性模型法 和阻抗光谱法等。均衡管理可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。

电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM），电动汽车电池管理系统（BMS）是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。

2.2BMS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基本结构框图（图1）。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帄的均衡器（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。

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。

2.3BMS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。

（一）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。镍氢BMS在每组由10个单体电池组成的电池组中设置5个电压测量点；而对于温度测量，每个电池组设置1个测量点。

（二）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-Peukert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%#215;（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#177;3%内。

（三）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帄，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。

（四）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。

（五）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。

3.课题应用前景

目前我国BMS产品的市场管理还处于”无序”阶段，没有国家统一的强制性检测标准。同时，我国BMS产品技术能力及设计理念方面与国外还存在很大差距，难以担负未来新能源汽车实际应用需求。

与国外相比，我国BMS在数据采集的可靠性、电池的荷电状态(SOC)的估算精度、热管理、均衡、安全管理等方面有很大不足。很多企业的单体、小模块电池测试结果和成组后的结果差异很大，主要表现在单体电池符合安全和性能标准，而一旦成组，在安全、寿命、放电能力等方面就难以保证合格。

国内BMS的设计、生产基本上是由电池厂或是其委托的第三方主导，在与动力电池进行技术匹配后，一起装在整车上进行测试，对于测试的项目、流程及时间基本是由整车厂最后拍板，而整车厂对于BMS各种技术也不知就里。在测试过程环节，BMS出现的任何问题基本就是就地解决，发现一个解决一个。经过多轮的测试，整车厂、电池厂及电子厂发觉没有新的问题出现，BMS连同动力电池即可交付用户。

国外BMS投放市场前，需要经过严格的环境可靠性测试，如沙尘、盐雾、潮湿、淋雨、高温、震动、疲劳、电磁干扰等一系列的功能性检测，耗时数年。而我国的BMS基本上就是能够有一些简单的实时监测功能就可以了，至于功能的可靠性、稳定性、精确度、使用寿命都难以达到国外行业水平。

BMS检测不属于动力电池强制检测的工作范围，中国北方车辆研究所耗资近2000万元设立了国际先进的BMS检测中心，根本原因就是他们发现，电池发生自燃、功能衰减等问题往往不是发生在充放电环节，而是在使用环节，这时BMS质量的重要性就显得尤为突出。

现今国外盛行的BMS产品多采用主动式均衡功能设计，价格和技术含量较高，属于未来发展趋势;而国内基本采用被动式均衡功能和不带均衡功能的BMS产品，价格低、功能简单。目前宝马Mini E、日产聆风、特斯拉Model S及陷入困境的菲斯克Karma电动汽车均采用主动式BMS均衡，不仅能达到电池组均衡目的，监测的精度也高(误差小于0.7%)，市场价格为2~3万元/套。而中国新能源汽车主要使用被动式BMS均衡，黄马库斯告诉《汽车商业评论》，仅仅是将容量多的电池中多余的能量进行转移，实现整组电池电压的均衡，市场售价仅为2000~3000元/套。目前江淮同悦电动汽车所用BMS即为被动式均衡设计。

在国外，BMS与电池一样，只是整车厂生产的一个汽车零部件，整车厂置于金字塔顶端。BMS从功能定义的设计开始，就由整车厂牵头主导，然后找第三方设计公司进行产品设计，最后找生产企业进行生产，三方共同决定电池包的BMS匹配方案。

目前国内的BMS基本由电池厂及第三方电子厂进行研发、生产，约各占50%市场份额，整车厂参与度很少，这是业内基本常态。比如江淮电动汽车动力电池来自于合肥国轩高科动力能源有限公司，而BMS也由这家公司与惠州市亿能电子有限公司合作提供。

同样值得注意的是，BMS在研发、生产及测试过程中，需要整车厂提供汽车平台结构和整车控制通信信号、动力电池相关结构和技术参数等信息，而这方面又是整车厂与电池厂的核心机密，BMS厂家需要很多时间花在沟通环节，最终成果也难言高效。

BMS这样的研发现状是暂时的，未来电动汽车发展一定是一个全新平台，就必然会考虑到BMS各项指标的匹配性、稳定性。随着大家对整个系统集成的理解加深，整车企业与电池企业一起来做BMS是一个比较好的未来合作趋势。

参考文献（不少于15篇）

[1]王永虹，徐炜，郝立平．STM32 系列 ARM Cortex．M3 微控制器原理及实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2008：318-338．

[2]李宁．基于 MDK 的 STM32 处理器开发与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008,10.

[3]LTC6802-1 多节电池的电池组监视器[Z]．2009．

[4]张金顶，王太宏，龙泽，雷晶晶，李进.基于MSP430单片机的12节锂电池管理系统[J].电源技术研究与设计，2011，5．

[5]王有琚，张维戈，王占国．LTC6802 在电池管理 系统中的应用[J].微处理机，2011，4（2）.

[6]南金瑞,孙逢春,王建群.纯电动汽车电池管理系统的设计及应用[J].清华大学学报(自然科学版). 2007(S2)

[7]戴海峰,孙泽昌,魏学哲.嵌入式燃料电池车锂离子动力电池管理系统[J]. 计算机工程与应用. 2007(09)

[8]廖晓军,何莉萍,钟志华,周红丽,高学峰.电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J].汽车工程. 2006(10)

[9]李凯,张斌. 新型锂电池组智能管理模块的介绍[J]. 电源技术应用.2006(04)

[10]李睿,魏学哲,孙泽昌.燃料电池轿车锂离子电池管理系统研究[J].交通与计算机.2004(05)

[11]林成涛,王军平,陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用[J].电池.2004(05)

[12]蒋新华,冯毅,解晶莹.锂离子蓄电池保护电路发展现状及趋势[J].电源技术.2004(09)

[13]李红林,张承宁,孙逢春,李军求,张旺.锂离子电池组均衡充电和保护系统研究[J]. 北京理工大学学报. 2004(03).

[14]全文 卢居霄 黄文华 陈全世 . 电动汽车电池管理系统的多路电压采集电路设计 [J]. 电子设计应用, 2006,(5) .

[15]全文 叶军 汪秉文 . 嵌入式系统的电磁兼容性设计 [J]. 现代电子技术, 2004,(6) ..

[16]全文 朱建新 郑荣良 卓斌 杨林 . 电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究 [J]. 汽车工程, 2007,(4) .

[17] 廖晓军 何莉萍 钟志华 周红丽 高学峰 . 电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势 [J]. 汽车工程, 2006,(10) .

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1. 本课题要解决的问题

（1）数据采集

采集到的数据是对电池作出合理有效管理和控制的基础。

（2）SOC的估算

电池剩余容量（SOC）的确定是BMS中的重点和难点。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。

（3）电气控制

实现均衡充电和电池保护的综合运用。

（4）安全管理和控制

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。

（5）热管理

电池在不同的温度下会有不同的工作性能，降低各个电池模块之间的温度差异，使电池工作在适当的温度范围内。

2. 本课题拟采用的研究手段

首先分析了锂电池的工作特性，影响剩余容量的因素，建立了电池荷电状态(SOC)的模型，在实际估算中采用了安时积分和开路电压相结合的方法，并引入各种必要的补偿。 然后研究和设计了一种锂电池管理系统，该系统采用了分布式结构，以 STM32为核心，通过对锂电池组单体电池状态的检测，实现对电池组的管理；包括实现充放电、电池安全保护、电量估计、单体电池间均衡、电池故障诊断等功能。关结构和技术参数等信息，而这方面又是整车厂与电池厂的核心机密，BMS厂家需要很多时间花在沟通环节，最终成果也难言高效。