中國報告大廳網(wǎng)訊，近年來，全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與環(huán)保需求推動下，鋰電池電動車產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式增長，尤其是低速鋰電池電動車憑借靈活便捷、使用成本低等優(yōu)勢，在短途出行和物流配送領域占據(jù)重要地位。數(shù)據(jù)顯示，我國電動自行車社會保有量已達 3.5 億輛，超過汽車的 3.36 億輛，2024 年全國兩輪電動車市場保有量突破 4 億臺，預計 2025 年鋰電電動自行車滲透率將達 56.40%，2020-2025 年鋰電車型電動自行車銷量復合增長率為 34.5%。然而，鋰電池在應用中存在安全性、一致性及狀態(tài)估算精度等問題，為保障鋰電池電動車穩(wěn)定運行，亟需設計高效可靠的鋰電池管理系統(tǒng)(BMS)。本文圍繞低速鋰電池電動車的 BMS 設計展開，從鋰電池原理特性、SOC 估算方法、硬件軟件設計到系統(tǒng)測試，全面探索提升鋰電池電動車電池管理水平的技術路徑。以下是2025年鋰電池電動車行業(yè)技術分析。

  一、鋰電池電動車動力鋰電池原理及特性分析

  (一)鋰離子電池工作原理

  《2025-2030年全球及中國鋰電池電動車行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》指出，鋰離子電池作為鋰電池電動車的核心動力源，屬于二次電池，內(nèi)部由正極、負極、聚合物隔膜和電解質(zhì)組成。正極材料多為錳酸鋰(LiMn?O?)、鈷酸鋰(LiCoO?)、磷酸鐵鋰(LiFePO?)或三元鋰(Ni、Co、Mn 或 Ni、Co、Al)，負極由附著石墨的金屬銅箔構(gòu)成，電解質(zhì)為高導電率有機溶劑。充電時，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)電解液遷移至負極并插入石墨層;放電時，鋰離子從負極脫插，回流至正極嵌入晶格，該過程依賴電化學嵌入與脫嵌反應，確保電池循環(huán)可逆性，支撐鋰電池電動車持續(xù)供電。以三元鋰電池為例，其充放電化學反應方程式如下：

  正極：Li???(NiCoMn) O? + xLi? + xe? ?[放電][充電] Li (NiCoMn) O?

  負極：Li?C? ?[放電][充電] xLi? + xe? + 6C

  總反應：Li???(NiCoMn) O? + Li?C? ?[放電][充電] Li (NiCoMn) O? + 6C

  (二)鋰離子電池關鍵技術參數(shù)

  電壓參數(shù)：包括電動勢、開路電壓(OCV)、工作電壓、標稱電壓及截止電壓。電動勢是電池理論最大電壓，OCV 為無負荷時正負極電勢差，工作電壓為帶負載時端電壓，鋰電池電動車常用鋰電池標稱電壓為 3.6V 或 3.7V。充電截止電壓通常為 4.2V，超過易導致電池過充損壞;放電截止電壓一般為 2.75V，低于此值會造成電池不可逆損傷，這些參數(shù)直接影響鋰電池電動車電池使用安全與壽命。

  內(nèi)阻參數(shù)：分為交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻，直流內(nèi)阻又含歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻與電極材料、電解液等相關，導致充放電瞬間電壓變化;極化內(nèi)阻源于電化學極化和濃差極化，表現(xiàn)為電壓滯后現(xiàn)象，內(nèi)阻大小影響鋰電池電動車電池能量輸出效率。

  容量參數(shù)：指一定條件下電池完全放電釋放的總電荷數(shù)，單位為 Ah 或 mAh，包含理論容量、額定容量與實際容量。庫倫效率(η)衡量充放電能量轉(zhuǎn)換效率，計算公式為放電輸出能量與充電輸入能量的比值，其高低影響鋰電池電動車續(xù)航能力。

  電池狀態(tài)參數(shù)：荷電狀態(tài)(SOC)表示剩余容量與總?cè)萘康陌俜直?，是鋰電池電動車剩余續(xù)航估算的核心;放電深度(DOD)為已釋放電量與總?cè)萘勘戎?，與 SOC 之和為 100%;健康狀態(tài)(SOH)反映電池老化程度，隨循環(huán)次數(shù)增加而下降;功率狀態(tài)(SOP)體現(xiàn)電池當前可提供功率水平，適配鋰電池電動車動力需求。

  充放電倍率：以符號 C 表示，1C 為額定容量對應的電流，如 2600mAh 電池 1C 放電電流為 2.6A。充放電倍率影響電池容量，倍率越高，容量相對越小，但合理范圍內(nèi)鋰電池電動車用動力電池在不同倍率下性能穩(wěn)定。

  (三)鋰離子電池特性測試結(jié)果

  電池容量測定：參照相關國家標準，在室溫(25℃)下對 18650 圓柱型三元鋰電池(型號 INR18650-26E，標稱容量 2600mAh、標稱電壓 3.6V)進行測試，連續(xù) 3 次測量結(jié)果誤差≤2%，最終得到電池可用容量為 2610mAh。

  環(huán)境溫度對容量的影響：在 - 15℃、0℃、25℃、45℃環(huán)境下進行恒流放電實驗，放電截止電壓為 2.75V。結(jié)果顯示，-15℃時測試容量 2321mAh、庫倫效率 82.11%;0℃時測試容量 2143mAh、庫倫效率 88.93%;25℃時測試容量 2610mAh、庫倫效率 100%;45℃時測試容量 2684mAh、庫倫效率 102.84%。可見溫度升高，鋰電池內(nèi)部反應加快，容量提升，但溫度過高易引發(fā)安全風險，該結(jié)果為鋰電池電動車 BMS 溫度補償設計提供依據(jù)。

  放電倍率對容量的影響：在 0.5C、1C、2C、3C 倍率下放電，0.5C 時測試容量 2682mAh、庫倫效率 102.76%;1C 時測試容量 2610mAh、庫倫效率 100%;2C 時測試容量 2596mAh、庫倫效率 99.46%;3C 時測試容量 2590mAh、庫倫效率 99.23%。表明放電倍率增大，電池容量略有下降，但整體影響較小，適配鋰電池電動車不同行駛工況需求。

  二、鋰電池電動車動力鋰電池 SOC 估算方法研究

  (一)OCV-SOC 關系曲線構(gòu)建

  OCV 與 SOC 存在非線性關系，是 SOC 估算的重要基礎。在 - 15℃、0℃、25℃、45℃環(huán)境下，以 1C 電流放電，每釋放 10% SOC 靜置 1 小時消除極化效應，記錄 OCV 值并擬合 6 階多項式曲線，Adjusted R-squared 值均在 0.9995 以上，擬合精度極高，為鋰電池電動車 SOC 估算提供關鍵參考模型。

  -15℃：OCV = 15.34×SOC? - 44.56×SOC? + 46.36×SOC? - 19.4×SOC3 + 2.252×SOC2 + 0.794×SOC + 3.409

  0℃：OCV = 23.65×SOC? - 72.55×SOC? + 83.14×SOC? - 43.01×SOC3 + 9.848×SOC2 - 0.304×SOC + 3.428

  25℃：OCV = 17.14×SOC? - 49.66×SOC? + 52.01×SOC? - 22.55×SOC3 + 3.175×SOC2 + 0.7028×SOC + 3.377

  45℃：OCV = -6.062×SOC? - 24.64×SOC? - 38.4×SOC? + 29.24×SOC3 - 10.68×SOC2 + 2.149×SOC + 3.304

  (二)鋰電池等效電路模型選擇

  對比白箱模型(電化學模型，精度高但復雜)、黑箱模型(神經(jīng)網(wǎng)絡模型，依賴大量數(shù)據(jù))與灰箱模型(等效電路模型，平衡精度與復雜度)，最終選擇 Thevenin 等效電路模型用于鋰電池電動車行業(yè) SOC 估算。該模型由理想電壓源(UOCV)、歐姆內(nèi)阻(R?)及串聯(lián)的 RC 阻容網(wǎng)絡(R?、C?，模擬極化特性)組成，既能準確模擬電池動靜態(tài)特性，又便于工程實現(xiàn)，其電路關系如下： \(\left\{ \begin{array}{l} U_{L}=U_{O C V}-I R_{0}-U_{1} \\ I=\frac{U_{1}}{R_{1}}+C_{1} \frac{d U_{1}}{d t} \end{array} \right.\) 其中，UL 為電池端電壓，U?為 RC 網(wǎng)絡端電壓，I 為負載電流。

  (三)等效電路模型參數(shù)辨識

  采用混合功率脈沖特性測試(HPPC)進行離線參數(shù)辨識，在 - 15℃、0℃、25℃、45℃環(huán)境下，每隔 10% SOC 進行脈沖充放電測試。

  極化參數(shù) R?、C?：基于電壓恢復階段曲線擬合時間常數(shù) τ?=R?C?，再結(jié)合電路關系求解 R?與 C?。例如 25℃時 SOC=50%，R?=21.86mΩ，C?=910.65F。參數(shù)辨識結(jié)果顯示，溫度升高，R?、R?減小，C?增大，為鋰電池電動車 SOC 估算的參數(shù)動態(tài)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

  (四)擴展卡爾曼濾波(EKF)SOC 估算實現(xiàn)

  EKF 算法原理：針對鋰電池非線性特性，將 Thevenin 模型狀態(tài)方程線性化，通過 “預測 - 更新” 迭代降低噪聲干擾。

  估算結(jié)果驗證：在 Matlab/Simulink 中搭建模型，對比 EKF 與安時積分法。HPPC 工況下，25℃時 EKF 初始誤差 8%，隨后快速收斂，最大誤差 5%;安時積分法誤差累積至 15%。BBDST 工況下，不同溫度(-15℃、0℃、25℃、45℃)EKF 平均誤差<2%，安時積分法平均誤差約 10%，證明 EKF 算法適用于鋰電池電動車復雜工況下的高精度 SOC 估算。

  三、鋰電池電動車電池管理系統(tǒng)硬件設計

  (一)硬件設計總方案

  需求分析：鋰電池電動車 BMS 需實現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)測(電壓、電流、溫度)、安全保護(過充、過放、過流等)、均衡管理、數(shù)據(jù)傳輸功能，確保電池安全高效運行。

  硬件架構(gòu)：采用集中式主從架構(gòu)，STM32G070CBT6 為主控芯片(ARM Cortex-M0 + 內(nèi)核，64MHz 主頻，36KB SRAM，128KB Flash)，SH367309 為模擬前端(AFE)芯片，集成 13 位 VADC(電壓采集)、16 位 CADC(電流采集)及多路溫度采集通道，支持 5-16 節(jié)電芯管理，兩者通過 TWI 通訊，簡化電路設計，降低成本，適配低速鋰電池電動車需求。

  (二)核心模塊電路設計

  主控芯片模塊：包含啟動選擇電路(BOOT0 低電平選擇 Flash 啟動)、下載 / 調(diào)試電路(SWD 模式，占用 PA13、PA14 引腳)、復位電路(RC 復位，NRST 引腳低電平觸發(fā))、時鐘電路(8MHz 外部晶振，倍頻至 64MHz)，保障主控芯片穩(wěn)定運行。

  電源模塊：采用兩級降壓，MP9486A(4.5-100V 輸入，1A 輸出)將電池組電壓(最高 54.6V)降至 5V，AMS1117-3.3V 線性穩(wěn)壓器降至 3.3V 供 MCU 與外設。設計 MCU 軟開關電路，通過 MOSFET 與三極管實現(xiàn)手動 / 自動開關機，降低鋰電池電動車待機功耗。

  數(shù)據(jù)采集與均衡電路：

  電壓采集：AFE 通過 VC1-VC17 引腳采集 13 節(jié)電芯電壓，每節(jié)串聯(lián) 1kΩ 電阻與 1μF 電容組成 RC 濾波，隔離電阻(51kΩ、51Ω)保護電路，采樣誤差≤1mV。

  電流采集：4 個 0.005Ω 精密電阻并聯(lián)，通過 AFE 的 RS1、RS2 引腳差分輸入，采樣誤差<10mA。

  溫度采集：3 路 NTC 熱敏電阻(10kΩ)分別監(jiān)測電池包、MOSFET、均衡模塊溫度，采樣誤差≤1℃。

  均衡電路：采用被動均衡，每節(jié)電芯并聯(lián) 51Ω 功率電阻，通過三極管控制，均衡電流約 100mA，均衡后電池組電壓方差從 3656.44 降至 59.18，改善鋰電池電動車電池一致性。

  充放電控制電路：采用 MOSFET 并聯(lián)方案(充電、放電回路獨立)，支持過充(單體電壓>4.25V)、過放(單體電壓<2.75V)、過流(充電>5A、放電>20A)、短路、高溫(>65℃)、低溫(<-35℃)保護，二次過充保護電路(熔斷保險絲)作為備用，保障鋰電池電動車充放電安全。

  通訊與顯示模塊：集成 HC-08 低功耗藍牙(BLE 4.0，通信距離 80 米)，實現(xiàn)與上位機數(shù)據(jù)傳輸;2 位半數(shù)碼管顯示電量百分比(0%-100%)與充電狀態(tài)，提升鋰電池電動車人機交互體驗。

  (三)PCB 設計與實物

  采用雙層 PCB(160mm×61mm)，分區(qū)布局元器件，大電流走線加粗，地線大面積鋪銅，濾波電容靠近芯片引腳，減少干擾。焊接完成后，連接電池組正負極(B+、B-)與單體電芯(B0-B13)，形成完整硬件系統(tǒng)。

  四、鋰電池電動車電池管理系統(tǒng)軟件設計

  (一)開發(fā)平臺與操作系統(tǒng)

  開發(fā)工具：STM32CubeMX 配置引腳與外設，生成 LL 庫工程;Keil MDK-ARM 編寫代碼，支持編譯、下載與調(diào)試;微信開發(fā)者工具開發(fā)上位機小程序。

  實時操作系統(tǒng)：移植 RT-Thread Nano 內(nèi)核，RAM 占用約 1KB，ROM 占用約 4KB，支持線程管理、時鐘管理、同步與通信(信號量、互斥量、郵箱)。配置系統(tǒng)最大優(yōu)先級 32，時鐘節(jié)拍 1ms，劃分主線程(初始化與休眠檢測)、TWI 通訊線程(數(shù)據(jù)采集)、SOC 估算線程、顯示線程、藍牙通訊線程，提升鋰電池電動車 BMS 實時性。

  (二)核心軟件功能實現(xiàn)

  數(shù)據(jù)采集：MCU 通過 TWI 讀取 AFE 寄存器(40H-72H)，解析電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)，采樣頻率電壓 10Hz、電流 4Hz、溫度 1Hz。

  SOC 估算：通過 Simulink Embedded Coder 生成 EKF 算法驅(qū)動文件，輸入實時采集的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)，輸出 SOC 值并進行均值濾波，確保鋰電池電動車剩余電量顯示穩(wěn)定。

  微信小程序上位機：

  架構(gòu)：視圖層(WXML/WXSS)展示數(shù)據(jù)，邏輯層(JS)處理業(yè)務，系統(tǒng)層(JSBridge)調(diào)用藍牙 API。

  功能：搜索藍牙設備(deviceId 識別)、連接設備(GATT/ATT 協(xié)議)、數(shù)據(jù)通訊(Modbus RTU 協(xié)議，0.5s 刷新一次)，顯示電池狀態(tài)(電壓、電流、溫度、SOC)與保護參數(shù)，支持參數(shù)配置(均衡開啟電壓、保護閾值等)，提升鋰電池電動車電池管理便捷性。

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