船舶的动力电池的运行状态，受外部环境影响的因素众多。设计动力电池组在线检测系统，实时监控电池的运行数据，能大大提高电池的智能化管理，获得电池管理最大的安全效益和经济效益。对船舶运行工作有着重大的意义。

国外电池管理系统的发展状况

国外很早就围绕电动汽车的动力电池展开了研究，在电池管理方面形成了相应的理论体系，并进行了大量的实践工作，开发出了种类繁多的电动汽车动力电池充放电管理系统。

在电动汽车电池管理系统研究领域，美国处于世界领先地位。美国维拉诺瓦大学(University of Villanova)
与美国 Nanocorp 公司(Nanocorp Inc .)合作，利用模糊逻辑算法来预测电池的荷电状态（SOC）。美国
Toxed 大学率先在世界上提出了 BMS 系统。许多美国的公司已经制造出比较成熟的电池管理系统，例如，通用汽车公司生产的电动汽车EVI 就采用本公司的独有的电池管理系统，Smart Guard 管理系统是由
Aerovironment 公司开发的新一代用于电动汽车的智能电池管理系统，美国新能源汽车动力系统巨头
AC Propulsion 公司研制出了性能更高的 Bat Opt 系统。通用汽车公司的电动汽车 EVI 将 26组铅酸电池串联起来，在电路中加入相应的传感器，完成了每组动力电池的实时电压与电路中的电流采集，从而达到防止对蓄电池进行过度放电以及不规范充电的目的。Aerovironment 公司的电池管理系统采集动力电池当前的温度以及电压状况，当发生过度充电时自动断开充电回路，同时该系统还可以记录每个电池的各项性能指标，以供维修人员查阅。
Bat opt
系统包括执行采集以及控制功能的控制模块以及负责采集各项参
数的传感器模块，主控制模块向各个采集模块发出指令，传感器模块将电池的工作状态
通过专用的通信总线反馈到主控制器，主控制器根据这些信息计算最优的控制策略

。德国的汽车制造水平在欧洲乃至世界享有盛誉，其电动汽车方面有很多的研究成
果，例如德国的 BADICHEQ 系统，该系统中也包含了 26 组动力电池，在主控制器的
控制下能够完成电压和电流等电参数的采集和电池运行状态展示的功能，同时还具有充
放电均衡控制以及与其他设备通信的能力，BADICOACH 在此基础上对各项功能进行了
进一步的改进：（1）改进单体动力电池电压采集电路，实现了采集模块与主控制器之间通过单线通讯，提高空间利用率。（2）根据各组电池中状态最差的动力电池的荷电状态调整安全管理策略。（3）增大数据存储空间，通过与历史充放电数据进行对比，形成电池使用状态的
监测报告，对异常指标进行报警。德国的另外一种 BATMAN
电池管理系统，兼容性更强，该系统通过灵活改变电池
的连接方式，并在设置界面增加各种参数配置功能，可以将不同型号的动力电池组合在
一起，从而可以很方便地管理和监测型号各异的蓄电池。
日本的本田汽车公司的电动车能量管理系统除了包括传统的主控制单元，以及相应
的充电回路外，在安全性方面也进行了许多研究，包括加入了惯性监测模块，当监测到
汽车撞倒物体时，快速地断开充电回路，另外还加入了过电压保护装置，当充电电压超
出额定电压时，立即断开充电开关，保证其他车载电子设备的安全。
韩国的三星公司设计制造了
SAMSUNG SDI
系统，系统包括传感器模块、中央控制
器、充放电均衡模块，采用分布式采集系统，能够完成多达
40 组动力电池的各项参数的监测，并可以根据各个电池的不同状态均衡电池充放电。由 AJOU
大学和先进工程研究院共同推出的动力电池能量管理系统，能够实现高效率的充电管理，可以直接连接
到外置计算机，对电机控制器的通信状态进行检测，同时还增加了安全管理系统，提高
充放电过程的可靠性。

国内电池管理系统的发展状况

在国家“十一五”规划和“863”计划实行之前，我国在电池管理领域内的研究并
不活跃，相比其他发达国家有很大的差距，自 2011 年之后，随着国家的大力支持和市场需求的推动，电池管理系统的研究工作取得了长足的进展。
北京交通大学在国内开展电池管理系统的研究较早，针对不同车型和各种电池种类
开发了相应的系统，虽然不同系统应用场景各异，但主要功能大致相同，如电池充放电
电压和电流采集、荷电状态预测、异常状况提醒以及充放电均衡等功能。

北京航空航天大学在电池管理系统研究方面稍晚于北京交通大学，并且其主要研究
对象为氢镍电池，针对该类型电池的管理系统除了具有常规的电压电流、温度等数据采
集功能之外还可以根据历史用电信息进行荷电状态预测和运行状态自动识别。北京理工
大学的研究人员利用单片机作为主控制器开发铅酸电池的管理系统，测量模块与主控制
器之间采用总线相互连接，对各项运行参数进行监测，同时能够完成电池故障诊断以及
过热和过压报警功能，从而提高车辆的能量利用效率。北方交通大学姜丽君等通过单片
机收集蓄电池的充放电过程中的各项参数，通过分析得出最佳的充放电方式，避免不规
范的充放电方式对电池造成的损害，使蓄电池的使用周期更长
比亚迪股份有限公司在电动车研究领域投入了大量的人力和物力资源，该公司为各
种电动汽车开发的电池管理系统具有电池组各项电参数的采集、SOC
预估、用电安全管
理和过热防护等功能。奇瑞汽车股份有限公司的电池管理系统采用了基于
CAN 总线的分布式采集方式，主控制器与传感器单元通过 CAN 总线相连，能够实现各种电池管理
功能，同时又能够进行充电策略调整和接口扩充。长安汽车股份有限公司由传感器模块
和微处理器模块组成，其功能包括单体电池电压和电流信息采集、过热保护、异常状态
识别和提醒等功能。北京集能伟业电子科技有限公司推出的氢镍电池用电管理系统增加
了蓄电池散热风扇控制电路实现热管理，同时还具有容量检测电路，实现对电池单体均
衡控制和过充过放切断功能。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容及目标：本研究设计了一种动力电池在线监测装置的硬件部分。采用增强型 51 单片STC12C5A60S2设计了一款动力电池在线监测终端，能够实现与电池管理系统的通信，数据存储，转发等功能。

技术方案及措施：在线监测终端模块有两种工作模式，一种是通过 CAN 总线接口与BMS 相连，通过数据解析获得 BMS 相关的电池数据。由于具有而电池监测系统需要在较强的电磁干扰的电动车上进行工作，因此对系统的可靠性提出了较高的要求。而 CAN 总线具有良好的抗电磁干扰能力，综合考虑各种
因素后，选用 CAN 协议作为通信总线协议。

CAN 总线最初的设计理念就是为了解决汽车的控制及测设之间的信息传递而产生
的，这种设计大大的提高的信息传递的准确性及快速性，而且具有很强抗干扰能力，后
在许多其他工业控制场合也多有应用。具体来讲，CAN 总线具有如下特点：
（1）结构简单，通 CAN_H 和 CAN_L 差分信号通信，具有良好的检错和容错能力；

（2）通信方式灵活。每个节点通过设定屏蔽码和校验码对报文帧 ID 进行屏蔽，从而实现使多主结构；

（3）通过对 CAN 报文的帧 ID 进行合理分配，可以对报文设置优先级，以满足不同级别的信息处理进行高效处理；

（4）CAN 标准帧采用短帧格式，每帧字节数最多 8 个，可满足通常工业控制领域中对控制命令、工作状态及测试数据的要求，同时也确保实时性。

（5）采用CRC 校验并通过错误帧来检错和纠错，具有良好的可靠性；另一种模式是通过 I/O 口直接采集动力电池组数据，由于直接通过单片机 I/O 口控制，速度快、可靠性较好。在线监测终端采集到数据后，按照通讯规约，将数据发送到GPRS 模块中，GPRS 模块再将其发送到互联网，在线监测系统软件通过互联网接收数据，同时对数据进行处理、显示、计算和存储等。由于数据采用无线传输方式，因而可以实现动力电池组的远程实时监测。

[1] Chiang, Yi ‐ Hsien, Sean, Wu ‐ Yang, Huang, Chih ‐ Yung, et al. Adaptive
control for estimating insulation resistance of high‐voltage battery system in
electric vehicles[J]. Environmental Progress amp; Sustainable Energy,2017,36(6).