电动汽车产业研究分析报告(免费)

2024年3月21日发(作者：北京个人摇号申请流程)

电动汽车产业研究分析报告

第一章新能源汽车行业概况

一、新能源汽车的时代即将来临

二、新能源汽车发展的主要方向

三、锂离子电池在动力电池中的地位

四、动力锂离子电池正极材料的选择

五、政策对新能源汽车产业化的推进

六、新能源汽车产业链的核心价值

七、技术优势将决定企业未来

第二章纯电动汽车的产业化发展概况

一、国外企业产业化概况

二、国内企业产业化概况

第三章纯电动汽车的发展历程及地区概况

一、历史变革

二、地区发展

第四章纯电动汽车面临的瓶颈问题

一、技术争议

二、运行经济性

三、基础设施装备

四、政府政策支持

第五章国内主要锂离子动力电池及材料厂家概况

一、国内主要锂离子动力电池厂家

二、国内主要锂电池材料供应商

第六章锂电池材料的制备及生产工艺概述

一、当前国内锂电池材料现状

二、锂电池材料的制备设备

三、锂电池材料制备工艺的优化及性能

第七章动力锂电池生产工艺概述

一、动力锂电池主要生产设备

二、动力锂电池生产工艺概述

第八章电动汽车用驱动电机的现状及发展趋势

一、引言

二、驱动电机系统的特点及分类

三、驱动电机系统的研究现状

四、发展趋势

第九章国内外电动汽车技术现状分析

一、纯电动汽车的技术动态

二、电动汽车用锂电池技术的国内外进展简析

三、国内外锂离子动力电池的关键技术及最新动态

四、锂电动力电池组的均衡管理

五、电池管理系统的软件设计

六、电池管理系统的硬件设计

第十章锂离子动力电池生产过程的自动化与信息化技术

第一章新能源汽车行业概况

一、新能源汽车的时代即将来临

1.大力发展新能源汽车是能源与环境的必然要求

根据美国能源信息署EIA发布的国际能源展望，世界能源市场消耗量2005年到2030

年预计增加50%。

随着能源消耗的逐年增加，二氧化碳的排放量也将增加，目前二氧化碳排放中，25%

来自于汽车。至2030年，将由2005年的281亿吨增至423亿吨。在我国，汽车排放的

污染已经成为城市大气污染的重要因素，我国的二氧化碳排放目前已居全球第二，减排

二氧化碳的压力将越来越大。

2.中国发展新能源汽车的压力更为紧迫

近年来，我国的汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费

国。根据国务院发展研究中心估计，2010年，我国的汽车保有量将接近6千万辆，2020

年将达到1.4亿辆，机动车的燃油需求分别为1.38亿吨和2.56亿吨，为当年全国石油

总需求的43%和57%。我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两位数字的百分比

增长，预计到2010年进口依存度将接近50%。因此大力发展新能源汽车，用电代油，是

保证我国能源安全的战略措施。

因此大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越

式、可持续发展的需要。

二、混合动力汽车将成为我国新能源汽车发展的主要方向

1.混合动力汽车的定义

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料来作为动力源(或者使用常规的车用然后、采

用新型的动力装置，包括混合动力汽车(FCEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车

(PCEV)以及其它新能源汽车等。

目前各种新能源汽车中，混合动力汽车是目前新能源汽车的研究热点，已经实现小规

模的产业化生产。混合动力汽车是由电动马达作为发动机的辅助动力驱动行驶的汽车。

2.混合动力汽车的分类

混合动力汽车目前主要有3种：

以发动机为主动力，电动马达作为辅助动力的\"并联方式\"

低速时只靠电动马达驱动行驶，速度提高时由发动机和电动马达相配合的\"串-并联方

式\"

只使用电动马达驱动行驶的\"串联方式\"

我们认为：混合动力汽车的产业化生产，通过汽车各个功能模块的发展与组合逐步推

动汽车动力化，从只具备自动启停、怠速关机功能的\"微混合\"、以并联式混合动力发动

机为主体的\"轻混合\"和以混联式为特征的\"全混合\"，随着设备功率的逐步提高，最终过

渡到串联式\"可充电混合\"，最终实现纯电动汽车产业化。

三、车用动力蓄电池是混合动力汽车产业化的关键，锂离子电池将成为未来车用动力

电池的明星

1.车用电力蓄电池具有极高的性能要求

发电机组+驱动电机+储能装置构成了汽车混合动力系统的基本技术平台，目前发电机

组和驱动电机的研制均已实现技术上的突破，储能装置成为限制混合动力汽车实现产业

化的重要瓶颈。

目前混合动力汽车使用各种蓄电池作为储能装置，车用动力蓄电池具有很强的性能要

求：

高能量密度：至少与汽油相当，100-1000Wh/Kg

高功率密度：300-1500W/Kg

长寿命：与车同寿命

宽工作温度范围：-45-80℃

具有较高的安全性与可靠性

低成本：≤50-100$/KWh

环保无污染

2.锂离子电池具有极高性能优势，是未来动力蓄电池发展的必然方向

目前常用的二次可充电电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池。相

对传统的铅酸以及镍氢和镉镍电池而言，锂离子电池的历史很短。锂离子电池被称为性

能最为优越的可充电电池，号称\"终极电池\"，受到市场的广泛青睐。随着手机、笔记本

电脑、数码相机、MP3、MP4、蓝牙、PDA和便携摄像机等的消费和便携式电子产品的持

续走强，锂离子电池的市场需求一直保持相当高的增长速度，市场对于锂离子电池的巨

大需求也引导锂离子电池行业的继续走强，也使锂离子电池在电动车方面的应用成为可

能。

(1)单体电池工作电压高达3.7V，是镍镉电池,镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍

(2)重量轻，比能量大，高达150Wh/Kg,是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍,因此重

量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一

(3)体积小，高达到400Wh/L，体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。提供了更合理

的结构和更美观的外形的设计条件、设计空间和可能性。

(4)循环寿命长，循环次数可达1000次。以容量保持60%计，电池组100%充放电循环

次数可以达到600次以上，使用年限可达3-5年,寿命约为铅酸电池的两到三倍

(5)自放电率低，每月不到5%

(6)允许工作温度范围宽，低温性能好，锂离子电池可在-20℃～+55℃之间工作

(7)无记忆效应，所以每次充电前不必像镍镉电池、镍氢电池一样需要放电，可以随

时随地的进行充电。电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放

(8)无污染，锂电池中不存在有毒物质，因此被称为\"绿色电池\"，而铅酸电池和镉镍

电池由于存在有害物质铅和镉，环境污染问题严重

3.3发展锂离子电池我国具有独特优势

除了锂离子电池本身所具备的性能优势外，我们认为以锂离子电池作为为混合动力汽

车乃至纯电动汽车的储能设备，发展锂电汽车我国具有得天独厚的条件

(1)资源优势

锂电汽车的最主要关键部件是锂离子动力电池和永磁同步电机，锂离子动力电池的主

要原材料锂、锰、铁、钒等在我国都是富产资源。而我国更是永磁同步电机中永磁材料

===稀土资源的大国，为锂电汽车提供了材料保证。

(2)技术优势

我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的完整产业链，电池产品

超过世界市场的三分之一，锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也

基本成熟，深圳比亚迪更是锂离子动力电池技术国际上的领先企业，已经实现产业化生

产。

因此，我们认为，无论是锂离子电池本身特点，还是我国目前的现状，发展锂离子动

力电池都将是我国新能源汽车产业化的主要方向。

四、动力锂离子电池材料：磷酸铁锂将成为正极材料的首选

动力锂离子电池是以锂离子电池为材料的一种高能量密度电池，是专门为机动车提供

动力的锂电池，具有零污染、零牌坊、能量密度高、体积小和循环使用寿命长等优点，

是国内外动力电池发展和应用的趋势。

1.动力锂电池产业化的选择---磷酸铁锂电池

锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔离膜组成，正负极及电解质材料上不

同工艺上的差异使电池有不同的性能，尤其是正极材料对电池的性能影响最大。目前市

场上的锂离子电池正极材料主要是氧化钴锂(LiCoO2)，另外还有少数采取氧化锰锂

(LiMn2O4)和氧化镍锂(LiNiO2)以及三元材料(Li(NiCo)O2)作为正极材料的锂离子电

池。磷酸铁锂材料是最新研制的锂离子电池材料。

尤其需要指出的是，作为车用动力储能设备，安全性能尤其需要重视。由于锂电池比

能量高，材料稳定性差，锂电容易出现安全问题，目前世界上知名的手机和笔记本电脑

电池(正极材料为钴酸锂和三元材料)生产企业，日本三洋、索尼等公司要求电池的爆喷

率控制在40个ppb(十亿分之一)以下，国内公司能达到ppm(百万分之一)级的就已经不

错了，而动力电池的容量是手机电池容量的上百倍以上，因此对锂电的安全性要求极高。

虽然钴酸锂电池和三元材料的电池具有重量更轻，体积更小等优点，但它们是不适合作

动力电池应用于电动车的。

同时钴酸锂的主要原材料金属钴在我国储量极少，目前80%的金属钴基本靠进口，在

我国难以大规模使用。

从目前各种锂离子电池的性能对比我们可以看出，磷酸铁锂电池是目前最适合用于电

动汽车产业化运用的锂离子电池。因此，掌握了规模化生产磷酸铁锂和磷酸铁锂电池技

术的企业，将在未来的电动汽车产业竞争中处于领先地位。

五、政策助推，混合动力汽车产业化已经来临

1.财政补贴大力支持混合动力汽车产业化

2008年1月24日，财政部、科技部发出了《关于开展节能与新能源汽车示范推广试

点工作的通知》，决定在北京、上海、重庆、武汉、深圳等13个城市开展节能与新能源

汽车示范推广工作，表示将以财政政策鼓励在公交、出租、公务和环卫等公共服务领域

率先推出新能源汽车，对推广与使用单位购买节能新能源汽车给予补助。

2009年2月5日，财政部发文，确认了中央财政对购置新能源汽车给予补贴的对象和

标准，其中够车补贴标准最高的为最大点功率比50%以上的燃料电池公交车，每辆车可

获得60万元的推广补助。

2.财政补贴已能覆盖部分厂商的混合动力汽车与传统汽车的价差，混合动力汽车产业

化序幕正式拉开

此次财政补贴标准的确立主要依据新能源汽车与传统汽车的基础差价。我们以比亚迪

的F3DM混合动力汽车为例，F3DM的技术参数对应补贴金额为5万元，该车型的市场定

价为14.98万元，其中磷酸铁锂电池成本为5万元，财政补贴后定价为9.98万元，相

同配置的传统汽车F3市场定价为7万元。比亚迪表示，F3DM实现年产量20万台后，磷

酸铁锂电池成本降至3万元，考虑补贴后，届时F3DM的售价为7.98万元，财政补贴已

经能覆盖混合动力汽车与传统汽车的差价。

我们通过F3DM与传统汽车的对比可以看出，汽车行驶10万公里后，F3DM与传统汽车

相比支出减少3.42万元，实施财政补贴后，F3DM与传统F3的差价为2.98万元，已经

体现出良好的经济效益。我们认为，除了财政补贴外，后续可能推出的政策支持包括减

免新能源汽车购置税等，届时，新能源汽车的经济效益将进一步凸现。

F3DM续航里程达到430公里，其中纯电模式下行驶100公里，混合动力模式行驶330

公里，最高时速达160公里/小时。

输出功率达125KW，达到3.0L发动机的水平。

六、混合动力汽车产业链的核心价值在于磷酸铁锂电池及材料的制造

1.混合动力汽车产业链分布

整个混合动力汽车行业产业链大致分为4个部分

金属原材料--->电池材料-->汽车用动力电池电池-->混合动力汽车

混合动力汽车产业作为当前汽车工业第三次技术革命的代表，是当今汽车产业中技术

的最前沿。作为一个新兴的产业，我们认为谁在技术上有拥有领先优势，谁就将占领这

一新兴行业的制高点。

整个混合动力汽车的产业化的技术制约主要是两点：汽车用动力电池和电池材料的产

业化生产。磷酸铁锂材料和磷酸铁锂电池是未来混合动力汽车行业发展的最主要方向，

掌握生产技术的企业将有潜力成为未来的行业明星。

2008年9月底，巴菲特旗下公司购买了深圳比亚迪股份有限公司(1211HK)10%的股份，

出价2.3亿美元，每股价格8港元。比亚迪是目前国内唯一掌握车磷酸铁锂电池规模化

生产技术的企业，在世界上处于领先地位。从巴菲特的投资思路我们可以看出，技术上

的领先优势是我们选取投资标的的首要考虑因素。

2.金属原材料：碳酸锂-潜在产能巨大，盈利能力将低于预期

碳酸锂是生产二次锂盐和金属锂的基础材料，广泛应用于电池、玻璃、陶瓷、铝制品、

润滑剂、制冷剂及光电等新兴应用领域。

从碳酸锂的下游分布来看，电池行业的需求大致占25%左右，但从其它行业分布来看，

都属于强周期行业，在目前全球经济步入衰退的状况下，需求将面临下滑。因此碳酸锂

行业也属于强周期行业，与GDP增速高度正相关。

碳酸锂行业具有极高的资源门槛，因此全球的产能高度集中。目前世界上主要的碳酸

锂厂商主要有3家，智利的SMQ，产量2.8万吨，德国的Chemetall和美国的FMC产量

分别为2万吨，合计7.8万吨，占据全球产量的90%以上。目前上市公司中，中信国安

和西藏矿业2008年合计产量不会超过4000吨。

我们认为，锂电池行业规模扩大后，难以带动国内碳酸锂生产企业盈利大幅上升

（1）、碳酸锂下游分布中，电池行业比例只占25%，其余大部分都属于强周期行业，

短期内电池需求扩大难以弥补其它行业需求下滑，碳酸锂整体需求不会出现大幅波动，

碳酸锂的价格难以大幅提升。

（2）、国际上，3大碳酸锂生产厂商均有扩产计划，其中，SMQ计划将产能由2.8万

吨扩充到4万吨，Chemetall计划从目前1.8万吨扩产到3万吨，FMC扩产到2.5万吨，

如果全部达产，总产能将超过9万吨。

（3）、国内方面，上市公司中，中信国安设计产能2万吨远期，目标3.5万吨;西藏

矿业设计产能1万吨，远期目标2.5万吨;其它青海锂业和盐湖集团设计产能分别为1

万吨。仅计算现有产能已达5万吨，远期潜在产能8万吨。

短期内A股上市公司中，西藏矿业和中信国安由于生产技术上存在问题，年产量分别

只有2000吨，占主营业务收入比例较低，难以带动业绩大幅上升。长期看，由于全球

碳酸锂的潜在产能巨大，即使电池行业需求上升，也难以带动碳酸锂价格大幅上升。

3.电池及电池材料生产：磷酸铁锂技术是未来的方向，2010年将出现爆发性需求增长

目前磷酸铁锂电池材料的主要竞争厂商来自于美国的valence、A123和天津的斯特兰。

美国valence及其在华企业威能美国的valence公司2003年开始磷酸铁锂的产业化

生产，并且和中国的部分锂离子电池厂家进行合作，并且以OEM方式生产3-10AH的聚

合物天吃，同时在苏州建设生产基地(威能和威泰)，自己生产聚合物电池。但对国内客

户并不出售电池材料。

美国A123及其在华企业威博公司主要从事搀杂金属离子的磷酸铁锂材料的商品化运

做，部分产品已在台湾的厂家使用。A123与valence类似，也是以OEM的方式和国内的

电池厂家进行合作，在常州建设生产基地(高博)。对国内客户同样不提供电池材料。

天津斯特兰公司目前拥有年产500吨磷酸铁锂的生产能力，并计划扩产到2000吨，

从公司公开资料看，我们无法获得公司磷酸铁锂产品的技术参数，但目前国内唯一的磷

酸铁锂电池规模化生产厂家深圳比亚迪的磷酸铁锂材料主要向公司采购，因此我们认

为，天津斯特兰的磷酸铁锂材料技术上已经基本符合规模化生产的需要。

根据我们统计，目前全国实现磷酸铁锂批量生产的企业有12家，年产量2400吨

根据科技部的规划，我国混合动力汽车的发展将分三个阶段阶段

近期发展阶段(2008-2012年)：混合动力汽车大批量产业化，年产量达到百万辆级，

占到汽车总产量的10%以上。以技术相对成熟、成本增加较少的\"微混合\"和\"轻混合\"动

力汽车构成混合汽车的主流。

中期发展阶段(2012-2020年)：随着电池技术的进步及其价格的降低，节能效果更加

显著的重度混合动力汽车和纯电动汽车在混合动力汽车中占据主要地位，\"微混合\"和\"

轻混合\"动力汽车共同构成混合动力汽车其余的组成部分

长期发展阶段(2020-2030年)：混合动力汽车呈大幅增长态势，占到汽车总产量的50%

以上，传统的燃油汽车包括代用燃料汽车产量将会下降到汽车总产量的25%左右

在国外方面，美国2001-2007年混合动力销售数据来看，2001-2007年混合动力汽车

的销售量复合增长率达到惊人的58.4%，市场处于高速增长期，奥巴马上台后更是宣布

到2015年，美国的混合动力汽车的保有量将超过100万辆。

目前国内每年磷酸铁锂的需求量为8000吨左右，产量为2500吨，酸铁锂生产技术门

槛很高，大多数生产厂商在批量生产时产品的稳定性无法保证，我们预计目前国内磷酸

铁锂目前实际的年产量更低。随着混合动力汽车产业化的来临，磷酸铁锂将面临一个巨

大市场蛋糕。从国内来看，深圳比亚迪的混合动力汽车F3DM在2008年底正式上市，并

在14个城市展开销售，其后续的E6、F6等车型将在2010年上市，混合动力汽车产业

化的时代已经来临。

根据统计2008-2009年，国内共有50-60家电芯厂商即将或已经完成生产线的购置，

进行产能扩张，2010年，磷酸铁锂的需求将出现爆发性增长。

预计，到2010年，国内混合动力汽车产业化初期，磷酸铁锂的年需求量将超过1.5

万吨。

根据美国A123公司的预测，到2010年，全球磷酸铁锂的供给缺口将达到10万吨。

4.混合动力汽车制造企业：缺乏核心电池技术难以享受行业增长

混合动力汽车的关键技术在于车载动力蓄电池，车载动力蓄电池的成本占到全部成本

的30-50%，目前A股中混合动力汽车的生产企业基本缺乏车载动力蓄电池的生产能力，

基本采用外购。考虑国家财政补贴后，混合动力汽车的毛利率与传统汽车的毛利率相差

不会太大，难以享受行业增长带来的超额利润。

目前国内同时具备车载电力蓄电池与整车生产能力的只有比亚迪一家企业，巴菲特投

资该企业正是看中其拥有的混合动力汽车的核心技术---磷酸铁锂电池。

七、寻找锂电行业未来的明星企业：技术优势将决定企业未来

1.混合动力汽车产业链各环节投资价值判断

上游金属原材料方面：西藏矿业和中信国安由于生产技术上存在问题，年产量分别只

有2000吨，占主营业务收入比例较低，难以带动业绩大幅上升。长期看，由于全球碳

酸锂的潜在产能巨大，即使电池行业需求上升，也难以带动碳酸锂价格大幅上升。

中游电池及电池制造方面：中信国安控股的盟固利主要生产钴酸锂电池，并不是未来

车载动力蓄电池的发展方向;科力远的主要产品是镍氢电池，虽然目前大部分的车载动

力蓄电池采用镍氢电池，但我们认为锂离子动力电池必将取代目前的镍氢电池。

下游混合动力汽车制造方面：目前国内大多数混合动力汽车制造企业缺乏混合动力汽

车车载动力蓄电池制造和生产的核心技术，难以享受行业增长带来的商机。比亚迪拥有

混合动力汽车的核心磷酸铁锂电池技术的生产能力，将在未来的市场竞争中脱颖而出。

2.具有潜力成为未来锂电行业明星企业的公司：杉杉股份

公司目前拥有完整的锂离子电池材料产品体系，电池材料的收入已经占到公司主营业

务收入的49%，是目前A股中唯一掌握磷酸铁锂生产技术的上市公司。

正极材料方面：拥有目前全部4种磷酸铁锂正极材料的生产能力，更是A股中唯一掌

握磷酸铁锂生产技术的企业，目前公司已经成为国内最大，世界前三甲的正极材料供应

商。

负极材料方面：公司拥有1200吨锂电负极材料\"中间相炭微球(CMS)的生产能力，是

国家863高科技研究发展计划项目，被列为国家高新技术产业示范工程项目。

电解液方面：公司控股的东莞杉杉的销售额与销售量目前已排名全国第三。

在下游客户拓展方面，深圳比亚迪与公司建立了长期稳定的客户关系。

作为A股中掌握锂离子电池材料核心生产技术的唯一公司，拥有完整的电池产品体系，

具备成为未来行业龙头企业的基本条件，我们将重点关注公司电池材料业务尤其是磷酸

铁锂产品的规划及发展。

第二章纯电动汽车的产业化发展

一、国外企业产业化概况

1、第一代纯电动汽车阶段

在纯电动汽车的第一个发展阶段，截止到1998年底，全世界有9个大型汽车厂10种纯

电动汽车投入小规模生产。如通用汽车开发的纯蓄电池电动汽车EV1最高时速可达

128km/h，从静止加速到96km/h只需9s，一次充电可行驶144km，其后通用IMPACT电

动车一次充电续驶里程达到190 km；还有福特汽车公司和通用电气公司联合开发EXE-

Ⅰ、EXE-Ⅱ电动汽车；丰田公司生产的RAV4电动汽车由铅酸电池改为镍氢电池，一次

充电可行驶200 km，零售价4.2万美元/辆（同型的汽油车零售价为2万美元/辆），其

中电池成本占整车成本的40%；日产汽车公司1998年在日本和美国销售的ALTRA电动车

采用锂电池，循环寿命长，可反复使用1200次，续驶里程124 km；1997年法国雷诺公

司推出装备锂电池的标致106电动汽车；大众汽车公司在第18届国际电动汽车展会上

推出的电动汽车能量来自300kg的充电电池，在12s内可从0加速到100 km/h，最高车

速140 km/h。

表：国外10种纯电动车的基本情况

年份生产厂商车型

1994 日本大发汽车公司电动微型面包车Hi-Jet EV

1995 法国标致雪铁龙公司电动4座小型轿车及其客货车

1996 美国通用汽车 EV-1

1996 日本丰田公司电动5座小型轿车RAV4EV(氢镍)

1996 日本丰田公司电动4座小型轿车Plus(氢镍)

1996 法国雷诺公司电动4座小型轿车Ctio(铬镍电池)

1997 美国福特公司电动2座轻型皮卡(客货车)Ramger

1997 美国克莱斯勒公司电动4座小型轿车Epic

1997 美国通用公司电动2座轻型皮卡S-10

1998 日本日产公司电动4座轻型轿车Aitra

2、第二代纯电动汽车阶段

活跃在第二代纯电动汽车研发活动中的企业，不仅有Heuliez、三菱、富士重工、通用

这样的汽车企业，也有属于电力系统的法国电力公司、东京电力公司，以及东芝、日立、

东洋电机、三洋电机、旭化成、NEC等机电跨国公司。

2001年，法国电力公司和博洛尔集团（Group BOLLORE）成立了一个联合子公司BatScap，

开发了采用高性能聚合金属锂蓄电池（LMP）的电动蓝色轿车（Blue car），最大行程

200多公里，最高时速125公里/时，6个小时必须100%的充电，但是只需要充电几分钟

即可再获得一次安全的最大行程。达索飞机制造公司与生产汽车车体的Heuliez公司合

作生产四座电动汽车，装备下一代的锂聚合物蓄电池和一台扩大汽车自主性的辅助动力

机，最高时速可达130公里，自主行驶里程可以达到300公里。

2005年5月，日本三菱公司推出了属于世界首创的交流电动轮轿车（第二代纯电动轿车）

——运动型小马（Colt）牌5人座的低中级电动轮轿车。其重要特征是采用了具有高能

量密度，可急速充电，能在车辆使用的各种环境下使用，空车重量只有1.15吨，装有

两台最高转速为1500转/分，功率为20千瓦，最大扭矩为600Nm的永磁式三相交流同

步伺服电动机。Colt的驱动电机的电源为锂离子蓄电池组，由22个锂离子蓄电池模块

并联组成。每次充电可行驶150公里，最高时速150公里每小时。2005年8月，富士重

工将下一代乘用车目标定位为纯电动轿车。它将层状单体锰锂蓄电池组应用到R1e牌微

型纯电动汽车上，最高车速为120公里每小时，一次充电的续行里程为120公里，将来

拟达到的目标是200公里。还有日本著名大学庆应义塾和一些民间企业共同研发的八轮

电动轿车——艾利卡（Eliica），从静止状态加速到100公里/小时仅需4.2秒，最高

车速则可达370公里/小时，但其成本很高。

还有通用在2007上海国际汽车工业博览会推出新款雪佛兰Volt概念车，采用了最新研

发的E-Flex 动力推进系统，在110 伏电源上充电约六小时即可充满锂电池，使用220

伏电源充电所需时间更短。使用纯电动模式可在城市道路上行驶约64公里，当内置电

池组中的电能耗尽后，E-Flex动力推进系统可以将汽油、乙醇、生物柴油、氢气等能源

转化成电能，从而为车辆的行驶确保有足够的电力驱动能力。根据实验数据，如果使用

汽油内燃机，通过能源转换后，Volt的最大续航能力超过1000公里，每升汽油可以使

汽车行驶17公里，超过传统汽车的两倍。

二、国内企业产业化概况

国内企业从事纯电动汽车研发、少量产业化生产与试运营的有东风、天津清源、北京理

工科凌、比亚迪、万向等企业。2006年，我国第一批纯电动轿车取得了产品准入公告，

吸引更多企业加入蓄电池或纯动力汽车的研发或试运营，如咸阳威力克能源有限公司、

博信电池（上海）有限公司、上海瑞华集团、深圳雷天绿色电动源有限公司、中信国安

黄金有限公司、合肥工业大学等。

东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、工

业专用车和高尔夫球车等4大系列、近20个品种的纯电动车，包括东风纯电动轿车

（EQ7160EV）、纯电动富康轿车（EQ7140EV）、纯电动客车（EQ6690EV）等。2003年东

风纯电动车实现商品化销售以来，已累计销售1000余台，进入行业前三甲。截止到2005

年11月，参与示范运营的东风纯电动小巴有93台。到2010年，东风电动车公司计划

实现纯电动场地车销售5000辆的年产销量。

“十五”期间，国家863计划电动汽车重大专项项目中纯电动轿车研制点之一在天津汽

车。天津市电动车辆研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多汽车技术研究中心与大

学资源，组建天津清源电动车辆有限责任公司，承担863计划重点项目“XL-2纯电动轿

车”研发工作，各项技术指标达到了国际先进水平，全车总重1600公斤，最高时速达

到140千米/小时，续驶里程超过260千米，0千米/小时～50千米/小时的加速时间6.8

秒，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型。2005年，清源公司开发的6

辆“幸福使者”纯电动汽车出口美国，这是国内电动汽车整车第一次出口。根据美方要

求，该车作为美国家庭用车，最高时速限定为40公里，最大续驶里程100公里，整车

定价近1万美元。之后，清源公司继续向美国出口纯电动轿车，2005年出口总数达到

112辆，2006年销往欧美500辆，2007年国际市场订单已超过1000辆。2006年底，清

源公司在天津滨海新区建设电动汽车研发制造基地，将形成一条年产2万辆纯电动汽车

的生产线。

“十一五”期间，北京理工大学作为整车总体单位承担了 863 电动汽车重大专项“纯

电动客车项目”，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项“电动汽

车运行示范、研究开发及产业化”等项目。已完成纯电动准低地板公交车、纯电动中巴

客车、纯电动旅游客车、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、型式认证和定

型设计，并进行了 40 余辆的小批量试生产，各项动力性、经济性、续驶里程、噪声等

指标已达到或接近国际水平；组建电动汽车示范车队，在北京市开展“一线一区”两种

模式示范运行。目前，北京理工大学等单位已经完成了北京理工科凌电动车辆股份有限

公司密云电动车辆产业化生产基地的建设，初步形成了关键技术的研发能力和产业化配

套能力。

著名电池制造商比亚迪在动力电池方面的研究成果一直处于世界的前沿，该公司最新研

发的车用产品的充电时间已缩短到8～9小时，最高续驶里程可达450～500公里，最高

时速可达120～180公里/小时，0～100公里/小时加速时间小于13秒。2006年7月，

比亚迪为加速纯电动汽车的商业化步伐，推出一款全新技术的电动轿车——F3e。这款

车基于F3平台而开发，装载比亚迪在全球首家推出的技术“铁”动力电池“ET-power”，

一次充电能够行使350km，单次充电时间22分钟。“ET-power”是以比亚迪在电池领域

里的最新发明“铁电池”为核心技术支持的纯电动汽车动力体系。（注：E表示环保和

电力environment和electric的首字母，T则表示技术technology，power则表示动力

和能量）同时，比亚迪计划首批200台纯电动出租车于07年投入示范性商业运营。目

前比亚迪已经在北京、上海、深圳、西安等四大基地完成了内部实验性电动汽车充电站

的建设，计划先在企业内部进入“电动汽车”时代。

万向集团公司从1999年开始涉足电动汽车领域，目前已经研制出了纯电动轿车和纯电

动公交车，运行总里程已经超过了15万公里。其纯电动轿车最高时速为126公里，经

济时速下最大续驶里程为380公里，百公里平均耗电量为11千瓦时；纯电动公交车最

高时速为90公里，经济时速下的最大续驶里程为280公里，百公里平均耗电量为70千

瓦时，充电方式采用设置换电站快速更换电池组方式。2006年4月，万向集团公司研制

的锂离子电池驱动纯电动汽车在杭州开始示范运行。

第三章纯电动汽车的发展历程及地区概况

纯电动汽车以车载电源（充电蓄电池）作为储能方式、用电动机为动力来驱动车轮行驶，

不仅具有节能、环保的特性，还有动能来源广泛的优点，可以利用水力、风力、核能等

发电或利用电力系统低谷期给蓄电池充电，从而提高电网效能。

一、历史沿革

纯电动汽车在电动汽车中发展时间最长。自19世纪90年代美国人制造出世界上第一辆

纯电动汽车以来，20世纪初第一次达到生产高峰，占领了40%的汽车市场。后来由于电

子启动器的发明以及纯电动汽车动力性差的原因，在30年代中期结束了早期的纯电动

汽车生产而进入燃油汽车的黄金时期；1974年-1975年和1979年-1982年欧美两次能源

危机推动纯电动汽车的研制重新进入高峰。这一阶段汽车电力电子学尚未建立，既没有

完善的科学理论做指导，更缺乏高科技含量的汽车电力电子装置可供采用。特别是，当

时仅有铅酸蓄电池可供使用，而铅酸蓄电池体积大、质量重，能量密度小、功率密度低，

充电时间长，每次充足电后续驶里程较短，再加上电力传动系统的制造成本过高等因素

困扰，1997年以后绝大多数公司对纯电动汽车的研发基本处于停滞状态。

第二代纯电动汽车的出现，是以汽车电力电子学的最新发展为基础的，其技术亮点包括

高能量密度锂离子蓄电池、锂离子电容器等的发明，以及乘用车电动轮技术的开发和实

用化等。虽然，纯电动汽车离真正商业化还有一定的距离，但与第一代纯电动汽车相比，

它已经在充电时间、续驶里程、动力性、快速充放电能力等方面取得了可喜的进展。与

传统内燃机汽车及混合动力汽车、氢燃料汽车相比，第二代纯电动汽车也显示出了一定

的“比较优势”：控制精确度高于混合动力车，风阻系数可降至0.19，整车质量大大低

于燃料电池车，CO2排放量低于同级别汽油车，使用过程的能耗费用低于汽油车。当然

还存在技术瓶颈和若干问题。

二、地区发展

在新能源汽车的发展战略中，各个国家、地区和世界各大汽车公司都依据自己的评估作

了不同的选择，对纯电动汽车的研究采用了不同的策略。从当前整体情况看，重视混合

动力汽车和燃料电池汽车技术的国家与企业较多，选择重点研发与产业化纯电动汽车的

较少。

1、美国

1991年，美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同协议，成立了“先

进电池联合体”（USABC），共同研究开发新一代电动汽车所需要的高能电池，并且与

美国能源部签订协议在1991～1995年间投资2.26亿美元来资助电动汽车用高能电池的

研究。20世纪90年代中期，美国克林顿政府曾制订了发展电动车的“新一代汽车伙伴

(PNGV)计划”，集中研究电池驱动的纯电动汽车。但鉴于当时蓄电池技术还未能获得关

键性突破，纯电动汽车一次充电后的续驶里程短，充电时间长，降低电池造价困难，在

技术上也难以解决处理废旧电池二次污染、回收困难的问题，而且电池价格昂贵，商业

化进展缓慢。美国加州经过13年在环保及环保车辆的探索实践，表示不再积极鼓励发

展纯电动汽车，而转向了燃料电池。EV1、Chrysler EPIC等相继停产，通用曾经也宣布

不再继续加大对纯电动汽车研究的投入，只是对已经在路上使用的电动汽车进行维护。

不过美国国家实验室还在继续进行纯电动汽车先进驱动系统、先进电池及其管理系统等

的深入研究。2002年，美国能源部批准经费l500万美元，用于“工业研究、开发和演

示使用电池的电动汽车”的费用共担项目，包括使用效率和动力储存、供电质量等。小

型、低速、特种用途的纯电动汽车不断发展。

2、欧洲

与美国相比，欧洲更崇尚追求完美零污染的纯电动汽车。成立于1990年的欧洲“城市

电动车”协会至今在欧共体组织内已有60座城市参与，帮助各城市进行电动汽车可行

性的研究和安装必要的设备，并指导城市的电动汽车运营。其中最为成功和著名的就是

电动标致106车型，这种以镍镉电池为动力的电动汽车已经在欧洲各国，尤其是在政府

部门当中拥有大量的用户。这与法国政府给予纯电动汽车高度重视和支持，出台了许多

鼓励研发和生产产业化的优惠、支持、补贴和扶持政策密切相关。法国政府、法国电力

公司、标致-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签属协议，共同承担开发和推广电动汽车，

共同合资组建了电动汽车的电池公司——萨夫特（SAFT）公司承担电动汽车的高能电池

的研究和开发，以及电池的租赁和维修等工作。但它终究还是没有能成功地解决一次充

电后的续驶里程短的问题，因此也没有进行更大规模的扩张，而是更多地转向清洁柴油

车的产业化。目前，还有一些机构继续在做纯电动汽车的研究开发，例如体现法国政府

意向的法国重要的国营企业，法国电力公司与达索集团签约了纯电动汽车的合作开发项

目。追随法国进行理论研究和产品开发的是比利时，主要集中在高等院校之中，例如布

鲁塞尔和列日（Liege）大学。但是比利时没有自己的汽车工业，没有很多的企业投资，

只有有限的政府资助，缺乏实际运用效果。此外还有意大利着重两轮纯电动车的研发和

运营，瑞士则侧重研究超级电容器，尤其是电动城市轻轨方面的研究。

3、日本

日本从70年代开始开发纯电动车，许多汽车企业都陆续进行了一些产品发布与销售运

行，但坚持下来进行研发和销售的只有大发和铃木两家。到了90年代之后，由于环境

等问题，一些大汽车企业重新开始研发第二代纯电动车，丰田、本田、日产等陆续进行

了一些产品发布与销售运行。然而由于技术与价格等方面的原因，在新能源汽车研发战

略中，更多的日本汽车企业选择了混合动力汽车作为重点发展方向，坚持纯电动汽车蓄

电池技术研发的重点落在三菱重工、富士重工等动力装备类企业。纯电动汽车的产品开

发向小型化发展，单人和2人车型成为主力车型，车辆技术、零部件技术、充电设施技

术都已相对成熟。截止到2002年，日本纯电动汽车的保有量为2696台。目前，日本电

动车辆协会、汽车协会、汽车电子协会等部门已经初步建立了一些纯电动汽车共同利用

系统，进行实用化试运行和试运营。

4、中国

我国纯电动汽车的研究开始于20世纪60年代，到了90年代掀起了一股电动汽车热，

部分高校、汽车研究所以及生产企业联合开发充电电池和纯电动汽车，并取得了一些成

果。2001年，我国确立“十五”国家高新技术研究发展计划（863计划）电动汽车重大

专项项目，明确了我国的电动汽车战略发展基本原则，即燃料电池汽车发展居首位、第

二为混合动力电动汽车、纯电动汽车兼顾一下，提出“三横三纵”研发布局，并招标确

定纯电动轿车由上汽奇瑞、天津汽车来牵头研制。2006年开始实施的国家中长期科技规

划对电动汽车研发战略也大体相同。按照项目规定进程，纯动力电动汽车功能样车已经

实现，纯电动轿车和纯电动客车在国家质检中心的型式认证试验中各项指标均满足有关

国家标准和企业标准的规定，关键零部件高功率镍氢电池、锂离子电池性能有了较大提

高。因此，虽然在传统汽车的开发上，我国与世界先进水平相比有30年以上的差距，

但在纯电动汽车技术开发上的差距并不大，几乎站在同一起跑线上，而且关键零部件技

术平台相同，有专家认为研发水平最大差距不超过5年。甚至在某些领域，如锌-空气

电池和锂电池研究方面，已经达到世界领先水平

第四章纯电动汽车面临的瓶颈问题

目前第二代纯电动汽车在技术、运行经济、基础设施配套、政府政策支持等方面还

存在着产业化发展的瓶颈，在轿车领域的发展还没有达到预期目的，大部分产品集中于

短途低速、城区公共交通及旅游区交通等特定用途，包括高尔夫球场场地车、公园游览

车、工厂内的牵引车或两轮电动自行车等。纯电动汽车的产业化进程才刚刚起步，要能

够大批量生产，并且质量稳定、符合标准，还有较长的路要走。

一、技术争议

这几年，通过实施863计划，我国纯电动车的研发能力大大提高，技术难点正逐步克服，

检测手段也不断增强，整车技术已能够达到或非常接近国际水平，部分技术能够达到国

际先进水平。比如双CAN总线控制器网络系统，交流感应电机和永磁电机的全数字四象

限矢量控制技术，分布式、网络化电池管理系统，以及智能化高压电安全管理系统等，

都基本上已是当前国际上最先进的技术。因此，有专家认为我国纯电动汽车的产业化已

不存在近期难以克服的重大技术问题。

但是，也有专家认为当前的纯电动汽车技术还存在不少问题，如蓄电池的使用寿命不长

而更换成本高；国产零部件尚未完全过关，关键元器件均需进口；低温条件下电池超快

充电技术未根本解决等。而且，当前纯电动汽车开发还基本以实验室研发为主，各项关

键技术指标在实际复杂运行环境下缺乏批量化的质量控制，不能保证达到测试时的数据

值一致性。此外，虽然目前某些关键技术有所突破，但关键技术的突破并不意味着市场

化的可能性，汽车是一个完整的、复杂的大系统，纯电动车更是由计算机控制，对电动

机、变速器等零部件的要求很高。只有关键技术和传统技术、关键部件和传统配件的全

面发展，才能开发出先进的、可以市场化的纯电动汽车。而且这种换掉整个能源体系、

不要燃油机的方式将会给汽车产业链带来巨大变化，无论发达国家还是发展中国家都不

是几年内能够接受得了的，因此存在很多争议。

二、运行经济性

纯电动汽车不使用燃油，不受油价飞涨的影响。但是由于纯电动汽车需要改变整个动力

体系，要花一部分额外的成本来装电机、电池，而电机控制系统的成本较高，带动整车

销售价格也提高。从目前各国试运行和部分产业化的情况来看，包括低性能两轮电动车

在内的小型纯电动汽车产业化情况较好，而高性能较大型纯电动汽车的设计目的本就有

较远距离、较大速度的需求，直接的后果的就是加大车身重量、对电机功率和电池容量

要求比较大、成本加重、经济性下降。在这种情况下，与同时也在不断进步的内燃机节

能技术相比，如果没有政府的政策鼓励性经济补贴，用户选择购买价格昂贵的纯电动汽

车并不见得划算。这也成为纯电动汽车产业化的瓶颈之一。当然，随着电池价格下降和

纯电动车产量增大，购买价格会逐渐降低。日本经产省制定计划，与日本汽车产业、电

机产业、各大学和研究所共同研发高性能、低价格的充电电池技术，在2015年将装配

高性能电池的电动汽车成本降低到目前微型车的水平。届时可以大大提高纯电动汽车的

运行经济性。

三、基础设施装备

纯电动汽车商业化的基础设施包括充电站网络、车辆维修服务网络、多种形式的电池营

销、服务网络等。建立一定数量的公用充电站、配备专用电缆及插座等是延长行驶里程、

实现纯电动汽车产业化的关键。这些公用设施，由当地政府规划，由发电厂和当地城市

供电公司共同投资建设，由充电站企业来独立经营，利润不会低于加油站。在一个城市

内建设十几个或数十个公用充电站，市区内的出租汽车、私家车、商务车均可在公用充

电站快速充电。公交公司也可在终点站、始点站自行建设充电站，为本线路公交车提供

充电服务，环卫车辆可在本企业的停车场内充电，同时私家车还可在晚上回家充电。

这里就有一个电力供应问题。有专家认为近几年电力建设突飞猛进，国内装机容量大幅

增加，未来1-2年内在建电力项目均可形成发电，电力盈余局面即将出现。如果将城市

公交车、出租车、私家车、市内环卫车、企业商务车等在市区内行驶的原燃油车辆改为

纯电动汽车，利用夜间电网的廉价谷电来进行充电，既省电又可平抑电网的峰谷差。目

前已有汽车企业与电网公司探讨由电网公司制作标准化电瓶，利用波谷电将电蓄到电

瓶，再将电瓶租给电动车、公交公司的方式。2006年，上海比亚迪研发中心建成第一个

电动汽车充电站并通过检测，随后在北京、深圳、西安等三个基地也完成了内部电动汽

车充电站的建设。还有国家电网公司除了进行纯电动汽车电池技术研发、电动汽车改装

和示范应用之外，在奥运会和世博会中心区域投资建设电动汽车充电站，对充电站的建

设进行统一规范，实现充电机生产和充电接口的标准化，建成公司内部充电网络，完成

社会用公交车、出租车以及其他社会用车配套的供、充电系统建设。按照其“十一五”

车辆替换和运行计划，将以北京、上海、天津、山东、浙江、湖北、湖南等省（市）为

试点区域，按照试点省（市）电力公司现有公用车5%的比例，其他省（市）电力公司现

有公用车2%的比例，四年内完成公司系统1979辆电力车辆的替换，建成内部充电网络。

但是，也有专家认为，纯电动汽车对于法国等核电充足的国家来说比较合适，因为核电

是保持恒定发电的，但我国核电比例很小，电能仍然缺乏。

四、政府政策支持

正因为纯电动汽车在技术上、运行经济上、基础设施上还存在着产业化发展的瓶颈，需

要政府相关政策支持，营造市场启动阶段的政策环境，推动电动汽车的商业化过程，顺

利完成示范宣传——政府主导的批量需求——大批量生产——国家逐渐淡出四个阶段。

在这里，政府政策支持主要集中在3个环节。首先是研发环节，设立国家专项资金支持，

吸收汽车企业、电池制造企业与研发单位组建共同的研发平台，形成官、产、学、研结

合模式，集中财力、物力加快技术研发速度。我国在这方面做得较成功。第二是销售环

节，借鉴世界各国发展高新技术产业的通用做法，建立一套完整的税收补贴政策，免收

养路费、免征购置税和进口税，开征燃油税。这方面，美国、日本等国的例子很多，我

国还没有相关政策措施。第三是使用环节，制定配套优惠政策措施，包括无偿提供停车

场地、发行正式营运牌证、提供充电基础设施等，促进电动汽车的消费与使用环境。这

方面我国正在积极探索与进行中。

第五章国内主要锂离子动力电池及材料厂家概况

一、国内主要锂离子动力电池厂家统计：

深圳比亚迪，天空能源（洛阳），苏州星恒，深圳雷天，河南环宇，青岛澳柯玛，武

汉力兴，天津力神，北京盟固利，TCL金能，北京中润恒动，浙江兴海，山西光宇，天

津航力源，苏州迪耐特，双一力（天津）新能源，深圳兴科特，江西美亚能源，天津蓝

天双环，湖南海星高科，深圳德朗能电池

二、国内锂电池材料供应商统计：

1、正极：

北京当升、中信国安、湖南衫衫、湖南瑞祥、北大先行，无锡博节能、沈阳北泰集团、

西安荣华、美特、钨业、博杰、深圳振华、河南思维、重庆普瑞格斯、天骄、恒力电源、

新乡创佳、济宁**、浙江黄岩江口、冀州远新、盐光科技、青岛乾运高科、广州洪森、

深圳源源、余姚金和、烟台卓能、西安铁虎能源新材料有限公司

新乡华鑫能源材料股份有限公司（原新乡八化），正极：磷酸铁锂，三元；负极：石墨

西安铁虎能源新材料有限公司(TIHOO)

电池正极材料——磷酸铁锂（LiFePO4

2、负极：

杉杉、BTR、长沙海容、汕头诚翔、湖南辉宇、青岛大华、远东、弘光、红顶、金卡本、

瑞富特、华容、斯诺、湖南星光、余姚宏远、北京创亚、佛山三高、

3、电解液：

张家港国泰华荣化工新材料有限公司、东莞市杉杉电池材料有限公司、深圳宙邦化工有

限公司、广州天赐高新材料股份公司、汕头金光高科有限公司、北京创亚恒业新材料科

技有限公司、北京化学试剂厂、天津金牛电源材料有限责任公司、福禄（苏州）新型材

料有限公司（Ferro美资企业）、河北香河昆仑、上海图尔实业、珠海赛维

4、PVDF:厦门物投、深圳市华尔电子科技有限公司、

5、CMC:美国斯比凯可、赫克力士

6、SUP:上海汇普工业化学品有限公司

7、S-O:青岛星远、中橡集团炭黑工业研究设计院

8、NMP:伟源

9、SBR:广州石油化工

10、铝箔：福来顺、深圳市振鑫箔电子包装材料有限公司、四方达公司、中南铝业、上

海美铝

11、铜箔：联合、梅雁、佛冈、深圳市国兴铜箔有限公司、佛冈建滔实业有限公司

12、铝带：惠华

13、镍带：无锡广翔合金材料、宜兴市大宏电子有限公司、湖南德先新材料有限公司、

14、复合带：宜兴市惠华复合材料有限公司

15、隔膜：恩太克、环岛科技（东莞）有限公司、深圳市纳光科技有限公司

16、铝壳：同力高科、日亚星、深圳市亿进利科技发展有限公司、常熟市高科电池材料

有限公司、温州市高科锁具有限公司、深圳市新洋电器有限公司、温州市鹿城巨星锂电

池壳体厂、余姚市岳华塑胶制品厂、深圳市龙天科技有限公司、

17、盖板：深圳市亿进利科技发展有限公司、同力高科、温州市宏艺锂电池配件有限公

司

第六章锂电池材料的制备及生产工艺概述

一、当前国内磷酸铁锂现状

目前国内外已经能实现量产的合成方法均是高温固相法,高温固相法又分传统的(以天

津斯特兰、湖南瑞翔、北大先行等为代表)和改进的(以美国威能、苏州恒正为代表,也

称碳热法)两种.本项目的合成方法与美国valence公司的合成方法相近,即采用碳热法.

与大多数生产厂家不同之处有原材料选择和烧结工艺.

1.市场前景需求

国内方面,山东海霸通讯设备有限公司投资3亿人民币,新建厂房占地350亩.拟建成国

内最大的磷酸铁锂动力电池生产基地.万向集团实测了山东海霸的磷酸铁锂聚合物动力

电池,发现其性能比锰酸锂电池性能还要好,通常所担心的低温性能在-20℃已经达到80

%设计容量,而高倍率放电10C时也可达到80%容量,仅温升过快而已.这表明,磷酸铁锂

已经基本达到电动汽车的使用要求!当然磷酸铁锂要大行其道,可能还有一些工艺完善,

产品质量稳定化的过程,但据预测,2-3年内必是磷酸铁锂作为动力电池的主流,这个观

点是绝大多数动力锂电池生产者和研究者的共识.另外,深圳市比亚迪电池股份有限公

司正致力于研究动力汽车,目前该公司大批量采购国内生产的磷酸铁锂,凡是能批量生

产的,比亚迪公司都成吨的采购,据称目前磷酸铁锂月需求是40吨.该公司已经先购入三

条不同的烧结设备准备进行中试研究.此外,ATL广东新能源目前每月对磷酸铁锂的需求

是10吨,天津力神在经过长时间的为ValenceOEM后,每月也有固定的磷酸铁锂需求.河

南环宇集团和青岛澳柯玛都希望能寻找到供应磷酸铁锂材料的国内生产厂家.还有一些

锂离子电池生产厂家都已经对磷酸铁锂系列的电池进行了较长的研究,已经获得了使用

经验,市场已经逐渐成熟.欧美、台湾、日本方面对磷酸铁锂材料也有很大的需求量,目

前磷酸铁锂材料在国内和国际市场上都处于供不应求状态,苏州恒正科技制备的磷酸铁

锂材料售价高达30多万/吨,另外,台湾必翔愿意独家包销湖南瑞翔的磷酸铁锂材料5年,

足见国际市场磷酸铁锂的需求之旺盛.

据某公司的一份磷酸铁锂生产可行性分析报告估计,至2006年,锂离子动力电池总需求

量为50.69亿Ah(单体电池工作电压3.6伏),折算为正极材料其消耗量为36200吨.而以

上数据仅仅只包含了国内市场,考虑到国外市场的拓展及电动轿车的潜在发展,对动力

型锂离子电池正极材料的需求量要远远超出36200吨.综合上述分析,磷酸铁锂作为新型

高能锂离子电池的正极活性材料及电子材料产品,随着电池工业及电子工业的发展,具

有广阔的市场前景.在未来的两三年内,磷酸铁锂的市场需求量将达5万吨以上,尤其是

在动力型电池应用方面对磷酸铁锂的需求将大幅增加.

但目前磷酸铁锂还没有达到像钴酸锂这样的应用广度,主要原因是锂离子电池生产厂家

没有稳定的货源供应情况下,也不能进行电池生产线的扩产,问题解决的关键还是在于

磷酸铁锂材料产量的提高和产品质量稳定性的解决.解决产品的稳定性也正是本技术团

队的优势所在.

2.目前消费需求和潜在客户

目前磷酸铁锂尚没有达到大规模商品化的主要原因是磷酸铁锂产品质量的稳定性,这一

问题正被某些公司所解决.正由于部分技术问题尚未得到完美解决,磷酸铁锂材料目前

主要用在高尔夫球场推车用电源,矿灯,电动摩托,电动自行车,动力工具、以及电动汽车

等方面.

3.推广应用领域

磷酸铁锂的应用领域主要有:

(1) 储能设备

太阳能、风力发电系统之储能设备 ;

不断电系统UPS ;

? 配合太阳能电池使用作为储能设备(比亚迪已经在生产此类电池);

(2) 电动工具类

高功率电动工具(无线) ;

电钻、除草机等;

(3) 轻型电动车辆

电动机车, 电动自行车, 休闲车, 高尔夫球车, 电动推高机, 清洁车 ;

混合动力汽车(HEV),近期2-3年的目标;

(4) 小型设备

医疗设备:电动轮椅车,电动代步车 );

玩具( 遥控电动飞机,车,船 );

(5) 其它小型电器

矿灯;

植入性的医疗器械(磷酸铁锂无毒性,锂电池仅铁锂可满足要求) ;

替代铅酸,镍氢,镍镉,锂钴,锂锰类电池在小型电器上的应用(2007镍镉将全面退出市

场);

目前已经实现的应用:1.8Ah及以下的18650型圆柱电池.应用市场:18650型是一种通用

标准,可用于小型电器.全球需求为5000万个电池/年,折算为正极材料需求600吨 .

磷酸铁锂的总生产能力预计到2007年底将达到3000-4000吨/年左右.

磷酸铁锂市场价格目前比较高,国内售价为18万/吨,国外公司和董明的价格为30万/吨.

主要原因有1)锂源上涨,目前Li2CO3和LiOH等价格均在6.5万/吨左右,而2005年价格

为3万多,2006年初为4万左右.(2)生产成本高,生产企业采用LiH2PO4(磷酸二氢锂)作

为锂源,解决了环境污染问题,但原材料成本提高.(3)目前这个材料应用主要是出口,正

极材料能提供更好的安全性和稳定性,价格因素不太敏感.

预计近3年内,将会出现磷酸铁锂和锰酸锂,三元系材料在市场并存的局面,主要看谁能

提供批量稳定的正极材料,谁就能占领更多的市场份额.预计3年后磷酸铁锂的应用将会

有一个很大的增加,并将会占据主导地位.据国内大型锂离子电池正极材料供应商的预

测,磷酸铁锂的实际需求有望在三年内达到上万吨/年.

3.4 竞争性分析

主要竞争来自于美国valence、美国A123公司,天津斯特兰.

(1)美国valence公司及在华企业威能

美国Valence公司2003年开始LiFePO4的产业化,解决了其电池的倍率放电及低温性能

等问题,并和中国的部分锂离子电池厂家进行合作,并以OEM方式生产4~10Ah的聚合物

电池,同时,在中国苏州拟建生产基地(威能和威泰),自己生产聚合物电池.

但是由于Valence公司面对国内的客户并不出售电池材料.而与其合作的电池厂家利润

空间和主动性受到了限制,因此对能够提供稳定的正极材料的厂家非常渴望.

预计近几年,Valence还不足构成实质竞争.

(2)美国A123公司及其在华企业高博

A123公司主要从事掺杂金属离子的LiFePO4材料的商品化运作,但相关网站上涉及技术

指标的公开资料不多,部分产品已在台湾的部分厂家试用,但据称无量产能力,且批次稳

定性差.A123公司与Valence公司类是,也是以OEM的方式和国内的一些电池厂家进行合

作.A123公司在中国的常州建设生产基地高博.A123公司目前定位为潜在的竞争者.

(3)其它企业的竞争

国内的其它企业例如天津斯特兰,湖南瑞翔,北大先行和恒正纳米科技也都进行了中试

实验,但是他们的生产工艺和产品各有不利的方面.其中,湖南瑞翔和北大先行据称是较

早地完成中试的厂家,但是他们目前尚不能解决产品批次间稳定性的问题.他们用的原

料和技术路线都不是最具有竞争力.原料主要是运用铁的有机盐,工艺存在煅烧时间长,

而生产的产品批次间不稳定,产品在做成品电池的时候粘着性差.恒正纳米科技目前在

产量上还未形成规模,而且在最终产品中为了提高导电性,添加了价格昂贵的Ni、Co和M

n过渡金属层状材料;并且广泛采用进口设备和原材料,因此成本很高.因此他们的产品

价格是目前商业价格的两倍还要多.天津斯特兰收购了北京中辉振宇,目前有4条网带式

烧结炉,计划07年扩产至20条,产品质量已经基本成熟,目前产品供不应求,预计3年后

会有一定的竞争威胁.

总之,目前磷酸铁锂产品正处于行业的萌芽阶段,而中国环境问题突出,能源问题紧张,

因此磷酸铁锂产品潜在市场巨大,而国内外的电池材料厂家要么不具备稳定的生产能力

要么生产的产品质量存在诸多问题或产量太小.结论:磷酸铁锂的生产在近2-3年不会发

生争夺客户的竞争,目前的市场现状是客户寻找市场.从事磷酸铁锂生产(中试或者生产)

的主要单位(排名不分先后):

北大先行完成中试,年产60吨

天津斯特兰(原北京中辉振宇) 年产200吨,计划07年扩产至2000吨/年

青岛乾运年产30吨

山西力之源年产30吨

横店东磁 15吨/年中试线建设批准阶段

山东海霸中试,已购入推板式烧结炉;

湖南瑞翔中试完成;计划07年实现300吨/年产量;后期扩产到1000吨/年

深圳比亚迪中试线生产(购买了三条不同的烧结炉设备准备进行中试)

余姚金和中试

宁波彬彬中试

广州鹏辉日产100公斤级小批量生产,据说准备量产.

新乡八化小批量试生产

苏州恒正 07年1Q实现年产500吨(生产设备已经到位);

苏州威能和威泰 (美国valence公司分公司,扩产)

镇江高博 (美国A123公司分公司,正在建厂扩产)

常州高博 (美国A123公司分公司,正在建厂扩产)

二、锂离子动力电池材料磷酸铁锂制备设备

1 引言

常规锂离子电池正极材料的研究集中于层状的过渡金属氧化物LiMO2 (M=Co,Ni,Mn 等)

与尖晶石型的LiM2O4 （M=Co,Ni,Mn 等）。然而，钴资源的严重缺乏造成钴价格的高昂，

同时，钴酸锂(LiCoO2)安全性能差，很难满足大众化的锂离子动力电池的需求；而比容

量低和高温性能差又成为长期以来困扰锰酸锂(LiMnO2)实现商品化的关键技术难题；三

方晶系的镍酸锂(LiNiO2)在制备的过程中很容易生成无电化学活性的立方晶系的镍锂，

实用化的难度较大；新型的三元复合氧化物镍钴锰酸锂(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) 因兼有

LiNiO2 和LiCoO2 的优点，一度被人们认为是最有可能取代LiCoO2 的新型正极材料，

但仍存在合成条件较为苛刻、安全性较差、综合性能有待改进、成本也较高等缺点；正

交晶系橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)材料由于具有比容量高、价格低廉、无环境污染、

安全性和热稳定性好等优点而成为一种最有潜力的锂离子动力电池材料。热合成工艺是

制备锂离子动力电池材料最重要的工序，它对于锂离子动力电池的最终性能具有决定性

的影响，图1 给出了制备锂离子动力电池材料的典型工艺流程。制备设备是支撑新一代

锂离子动力电池正极材料产业良性发展的基础。

2 制备设备简介

磷酸铁锂的合成方法主要采用高温固相反应法：将FeC2O4、2H2O、Li2CO3 和NH4H2PO4 或

(NH4)2HPO4按化学计量比混合,在氩气或氮气等惰性气氛保护下, 于300 ℃左右使混合

物初步分解, 然后升温到600～800 ℃,保温12 h 以上,就可以得到橄榄石晶型LiFePO4

材料。如何在热处理的过程中防止二价铁的氧化是合成的关键控制点，也是制备设备必

须解决的关键问题。相对于钴酸锂、锰酸锂而言，磷酸铁锂材料的制备对设备要求极高。

目前，国际上磷酸铁锂材料的制备基本上都是采用间歇式设备：如气氛保护钟罩炉、气

氛保护箱式炉等。近来，也有采用气密保护回转窑合成的报道。国内我们最早在这方面

进行了自主研发，在对试验型和小规模生产型的合成设备取得阶段性成果的基础上，研

制开发了大规模连续式气密保护制备设备，该型设备主要技术指标:

设备长度：20 000 mm

有效口径: 680 mm（W）×140 mm（H）

最高工作温度: 1 000 ℃

常用工作温度: 700 ℃～900 ℃

温度稳定度：<2 ℃/2 h（温控仪显示值）

恒温区温度均匀度: <±3 ℃

保护气氛: Ar

合成室内氧含量: <100×10-6

合成室内压力: >10 Pa

年生产能力: ～200 吨

3 关键技术研究

大规模连续式磷酸铁锂材料制备设备是将热工制造技术与材料生产工艺紧密融合的多

学科交叉技术设备。它包含先进的密封隔离技术、独特的炉内气氛净化技术、特别的内

衬材料和加热体抗腐蚀技术、先进的智能自动控温技术、复杂的自动送料控制技术等。

3.1 气氛场模拟分析技术

在大型反应室中特别是动态的反应室中，为保证所制备的产品性能的一致性，对气氛的

动态平衡控制技术提出了更高的要求，这就要求我们能精确地掌握气氛场的主要参数及

其关系，气氛场模拟分

析技术必不可少。气氛的动态平衡控制主要通过压力闭环自动控制技术、气源的低扰动

输送技术、高密封技术等来实现，全部控制过程均采用计算机发布指令，实现设备操作

和参数最佳化的全自动控制，全方位地满足气体传输与气氛精密控制的系统要求。利用

气体动力学和流体力学等学科建立气氛场模型，分析合成室内气氛的流动状况，从而获

取最佳气氛控制参数。

3.1.1 气密结构设计技术

为满足直通式的窑腔通道内氧分压要求，设备采用全密封炉体、气氛隔离仓（前后各1

个）与气幕

相结合的方式进行密封。为了确保制备设备内稳定的氧分压和气流走向，设备除炉体采

用全密封结构外，在制品出、入口处设置相互联锁的双闸门过渡密封仓结构。同时设置

大流量惰性气体垂直气幕封门，使空气不能进入炉体内。当密封仓内的产品出来后，两

闸门都紧闭时，对密封仓进行强制性换气净化，并在内闸门再次打开之前，将仓内氧分

压从21%降低到0.01%以下。严格保证在密封仓换气净化之后，内闸门打开之前，密封仓

内部的惰性气体压力和氧分压等同于炉体与密封仓相接处的压力和氧分压值。运行过程

中，炉体出、入口处的气幕始终保持，从而阻止外界气流对合成区域的干扰。

3.1.2 气氛稳定、均匀性技术

采用多点小流量均匀送气的设计思路，沿设备长度方向，设置保护气体总输入管，在各

区段的分支，经过调节阀的必要调节和流量计的流量监测，向加热室输入所需要的高纯

氩气或高纯氮气，并经过加热组预热后进入合成区段。同时，在设备各控制段都设置氧

分压和压力抽样检测点，随时检测窑

腔横截面上各点的氧分压和气氛压力。窑体进气全部采用下部进气，废物排放区上部排

气方式：保护气体进入窑内后，先进入下加热室，经加热室预热以后分多点层流式进入

炉膛。

3.1.3 炉内气氛净化技术

为了达到合成室内的氧含量要求，除了设备严格密封外，加热室空腔及耐火保温材料释

放的气体如何排出也是设备必须解决的关键问题。本设备采用独特的炉内气氛净化技

术：下加热室逐个净化；上加热室由一路保护气体送入后，再分别送入该区其余各加热

室，同时，制备设备顶部、加热室等处都预留放气阀，当制备设备初次启用并充入保护

气体时，以较大的压力通以较大流量的保护气体，同时打开设备各顶盖板、加热室盖板

上的放气阀，以排除窑内衬所吸收的氧气，保证合成室内的气氛要求。

3.2 抗腐蚀技术

磷酸铁锂电池材料在合成过程中会产生腐蚀性气体（主要是NH3 和H2O），在高温下对

炉衬材料和加热元件的损害非常强烈，故制备设备必须解决腐蚀气氛下的加热元件和内

衬的抗腐蚀技术。对加热元件采取特殊的保护措施———独特的马弗式加热结构，即加

热元件与合成室内腐蚀气体隔离，从而防止腐蚀气体的侵入，同时加热室通有保护气体

进行保护，使加热元件的使用寿命大大延长，降低用户的使用成本。

3.3 热场模拟分析技术

电池材料制备设备的开发热工计算是关键。然而各种耐火材料的理化指标与实际的使用

条件差距较大，计算非常复杂，很难做到精确，因此需要对各种不同的使用条件下实际

的热场进行模拟，建立科学的模型进行分析，掌握热场温度变化的关键，提高制备时温

度的精确性和一致性，更加有效地利用热能。对磷酸铁锂电池材料而言，其电性能指标

取决于在制备设备中的合成质量，即制备设备中的反应温度、反应时间和反应气氛三大

要素。这三者之间是相互关联又相互制约的，即制备设备必须按一定的合成制度对材料

进行合成。合成制度是根据材料制备工艺要求并考虑到热工、经济等方面因素而制定的

工艺技术，它包括：温度制度、气氛制度和压力制度。本设备采用新的自动控制方式和

方法来控制制备设备同一断面的温差，并设计相应的控制系统和控制软件，使热场温度、

气氛控制更精确和稳定，制备设备自动控制程度更高。

4 效果

2006 年，中国电子科技集团公司第四十八研究所根据某知名锂离子电池材料生产企业

的特殊制造工艺，开发了磷酸铁锂正极材料连续式制备推板窑，在国内首次实现磷酸铁

锂正极材料的连续式生产。我们研发的制备设备具有合成工艺先进、产品成本低、设备

运行稳定、温度气氛均匀和产能大等特点，其生产工艺和合成技术均属国内首创，处于

国际先进水平，填补了国内空白。目前，我们已完成中试，通过该设备所制得的LiFePO4

正极材料可逆容量高达155 (mA·h) /g 以上，大电流性能十分优良，10C 放电时，放

电容量在97 (mA·h)/g 以上。高温性能更佳，采用C/10 倍率的电流充放电时可逆容量

达161 (mA·h)/g，且循环过程中容量衰减甚少。采用该工艺技术和制备设备我们成功

地实现了LiFePO4 的批量生产（产量可达120 吨/ 年）。测试结果表明，中试生产的材

料性能与实验室制备材料的性能是一致的，从而使该材料走向产业化应用迈出了关键一

步。

5 发展趋势

大规模连续式制备代表了磷酸铁锂材料制备的发展方向，今后对磷酸铁锂制备设备的研

究以下几个方面值得我们的重视：磷酸铁锂制备时的特殊气氛要求，制备设备气密结构

设计技术和气氛净化方

式的研究；炉衬材料和加热元件的抗腐蚀技术研究；既能提高材料电导率又能降低材料

粒径的制备工艺及制备设备的研究；纳米级磷酸铁锂正极材料的制备技术研究等。总之，

今后对磷酸铁锂材料的研究工作将集中于通过合适的制备设备、制备工艺和元素掺杂的

方法改善其电子电导率。正是由于磷酸铁锂低廉的价格和与钴酸锂不相上下的电化学性

能，使其有望在对安全性和温度要求较高的动力型二次电池领域获得广泛应用，磷酸铁

锂动力电池材料制备设备的研究也将会得到长足发展。

三、LiFePO4 / C 制备工艺的优化及其性能

1 引言

正极材料是决定锂离子电池性能的关键因素,目前90 %以上的锂离子电池的正极材料都

是用钴酸锂(LiCoO2 ) ,由于钴资源有限且有毒、价格昂贵、存在一定的安全问题等不

足,不能满足人们的需要;镍酸锂 (LiNiO2 ) 虽然容量较高、自放电率低,但是材料制备

困难;尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4 ) 虽然具有良好的耐过充能力,但是由于锰在电解液中

会溶解,且其高温循环性能差等不足限制了其实际应用。1997 年,Goodenough 科研小组

首先报道了具有橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4 ) 能够可逆地嵌入和脱出锂离

子,LiFePO4 就以其低廉的价格、良好的循环性能、安全无毒、较高的理论容量、原材

料来源广泛等优势,引起电化学工作者的广泛关注。LiFePO4 的理论比容量是170mAh/ g ,

其理论真实密度是3. 6g/ cm3 ,Fe2 + / Fe3 + 相对金属锂的电压是3. 4V ,具有非常

平稳的充放电平台。本文应用液相共沉淀法联合固相焙烧法来制备LiFePO4 / C 复合材

料,以材料首次放电比容量为考察标准通过正交实验来优化制备工艺,并对材料的理化

性能和电化学性能进行了测试。

2 实验

2. 1 磷酸铁锂的制备

以硫酸亚铁、磷酸二氢铵、氨水为原料,柠檬酸为分散剂,用共沉淀法通过严格控制体系

的p H 值、物料流速、搅拌速度和反应体系温度等来制备球形磷酸亚铁铵,充分洗涤和

干燥后按一定的

(Li) ∶

( Fe) 与碳酸锂混合,再加入适量的葡萄糖,在高速球磨机

上进行球磨,然后将球磨好的样品置于预抽真空高温炉中进行高温焙烧,用N2 气保护,

控制升温速率为5 ℃/ min ,恒温一段时间后,在炉中自然冷却,得到LiFePO4 / C复合材

料。

2. 2 材料性能测试与表征

用日本Hitachi 公司S2550 型扫描电子显微镜(SEM) 观察合成产物颗粒的形貌,采用日

本理学D/MAX2PC2200 X 射线衍射仪(Cu 靶,

= 0. 15405nm)对产品进行物相晶体结构

分析, 电压40kV , 电流20mA ,扫描范围为10～60°,扫描速度2°/ min 。用北京第二

光学仪器厂WQF2510 型傅立叶变换红外光谱仪(F TIR) 测试产品的组成,分辨率为4cm-

1 ,扫描范围为400～4000cm- 1 。

2. 3 电化学性能测试

用涂布法制备正极片,将得到的LiFePO4 与乙炔黑、PVDF 按80 ∶15 ∶5 的质量比搅拌

均匀,以无水乙醇为溶剂,混合成浆料,然后将浆料涂布在铝箔上,充分干燥后制成正极

片,以金属锂为负极,Celgard2400聚丙烯多孔膜为隔膜, 1mol/ L LiPF6 / EC2DMC(体积

比为1 ∶1) 为电解液,在充满Ar 气的手套箱中组装成电池,将试验电池置于BS9300 型

充放电仪(广州擎天实业有限公司) 上进行电化学性能测试,充放电电压范围是2. 2～4.

2V 。

3 结果与讨论

3. 1 正交实验

在单因素分析实验的基础上,为得到以球形磷酸亚铁铵为前驱体用固相焙烧法制备

LiFePO4 的最佳工艺条件,考察了球磨时间、

(Li) ∶

( Fe) 、葡萄糖用量、焙烧温

度和时间对材料首次放电比容量的影响,因此设计了水平正交实验。从正交实验的结果

来分析,在一定的实验条件下,随着焙烧温度的升高,材料的首次放电比容量先升高后减

小,当温度过低时,不利于LiFePO4 的生成,含有少量的杂质相,当温度过高时,颗粒变大,

存在烧结的现象,降低了材料的离子扩散速率,影响材料的放电容量;焙烧温度一定时,

随着球磨时间的增加,材料的首次放电比容量增加,因为球磨时间直接决定反应物料间

混合的均匀程度和颗粒的大小; Fe 过量时,材料中会含有Fe 的杂相,而Li 过量时,也

会产生Li2O 相,考虑到锂在高温时会挥发造成损失,所以在实验过程中适宜的

(Li) ∶

( Fe) = 1. 02 ∶1. 00 ;焙烧时间过短,晶体生长不完全,会产生大量的晶格

缺陷,影响材料的比容量,焙烧时间过长,生成粒径较大的颗粒,增加了Li + 在LiFePO4

体相中的扩散路程,降低材料的比容量;葡萄糖用量决定产品中的含碳量,碳包覆虽然能

够提高材料的电子导电率,但也会降低材料的振实密度,所以葡萄糖的适宜用量是反应

物料质量的6 %。

3. 2 材料的表征

在最佳工艺条件下进行实验,得到LiFePO4 / C 正极材料,其振实密度为1. 61g/ cm3 。

该工艺条件下所得到的样品以球形和类球形颗粒为主,平均粒径为2. 0μm。

3．3 材料的电化学性能分析

非常平稳的充放电电压平台,其充电平台和放电平台分别为3. 4～3. 5V和3. 3～3. 2V。

电流密度为0. 1C 时首次充电容量为163. 4mAh/ g ,放电容量为147. 6mAh/ g ,首次充

放电效率达到了90. 3 % , 放电容量达到了理论容量的86. 8 %。随着电流密度的增加,

材料的放电容量随之减小,当充放电电流密度为0. 5和1C 时,材料的放电容量分别为136.

7 和122. 3mAh/ g。原因可能是电流密度的增加,使得Li

FePO4 / Li1 -

FePO4 的

界面面积不断缩小,电极的极化效应增加,从而导致比容量的下降。在0. 1C 电流密度下,

循环50 次之后,其容量为142. 8mAh/ g ,其容量保持率为96. 7 %,在0. 5C 电流密度下,

循环50 次后,其容量为127. 3mAh/ g ,容量保持率为93. 1 % ,在1C 电流密度下,循环

50 次后,其容量为106. 6mAh/ g ,容量保持率为87. 2 %。说明在该工艺条件下,材料具

有良好的循环性能。

在室温时,样品在0. 5C 的充放电电流密度下,其首次放电比容量为136. 7mAh/ g ,

当温度提高到60 ℃时,材料的首次放电比容量增加到163. 8mAh/ g ,为理论比容量的96.

4 % ,比在室温下提高了27. 1mAh/ g ,提高材料的使用温度,有利于增加锂离子的扩散

速率,从而提高材料的比容量。这也说明LiFe2PO4 正极材料具有优越的安全性能,能满

足动力电池在高温下使用的要求。

常温下样品在低电流密度下(0. 5C) ,循环20 次之后, 其容量从136. 7mAh/ g 下降

到132. 5mAh/ g ,容量保持率为96. 9 % ,提高电流密度(1C) ,再循环20 次之后,其容

量从120. 8mAh/ g 下降到114. 9mAh/ g ,容量保持率为95. 1 %;而在温度为60 ℃时,

在低电流密度(0. 5C) ,循环20 次之后,其容量从163. 8mAh/ g 下降到161. 5mAh/ g ,

容量保持率为98. 6 % ,提高电流密度(1C) 时,再循环20 次,其容量从154. 4mAh/ g 下

降到151. 2mAh/ g ,容量保持率为97. 9 % ,这说明在高温下,材料的循环性能比室温好。

4 结论

(1) 以磷酸亚铁铵为前驱体合成出LiFePO4 / C正极材料。

(2) 在单因素实验的基础上,通过正交实验得到最佳工艺条件为: 球磨时间为7h ,

(Li ) ∶

( Fe) =1. 02 ∶1. 00 ,葡萄糖用量为反应物料质量的6 % ,焙烧温度为700

℃,焙烧时间为10h 。各因素对材料的首次放电比容量的影响顺序是: 焙烧温度、球磨

时间、

(Li) ∶

( Fe) 、焙烧时间、葡萄糖用量。

(3) 在最佳工艺条件下,材料的振实密度达到1. 61g/ cm3 ,室温下在0. 1 、0. 5 和

1C 放电电流密度下首次放电比容量分别为147. 6 、136. 7 和122. 3mAh/g ,循环50 次

后容量分别为142. 8 、127. 3 和106. 7mAh/ g ;在60 ℃放电电流密度为0. 5C 时,其

首次放电比容量高达163. 8mAh/ g ,比室温下提高了19. 8 %。

第七章动力锂电池生产工艺概述

一、动力锂电池生产设备

1、锂动力电池动态筛选设备

解决电池组匹配问题，筛选出早期有内在缺陷的不合格品，从而使每个单体电池能

具有合格的循环使用寿命。

筛选设备与化成分容设备融合在一起，筛选时间比化成分容略长一些，但不会过长，

筛选规模依投资规模而定，单路柜机插板式结构，数十路、成百上千路均可以，彼此独

立控制，可灵活扩展。

筛选条件是在模拟工况充放电环境下测量单体电芯的充放电工作平台和动态内阻，

除了原有的静态参数作为配组的依据外，还增加了工作平台和动态内阻匹配标准，如此

下来，现有的许多电池生产企业所生产的单体电芯均达不到汽车动力电池的使用标准。

2、动力电池组PACK规范工装设备

举全国之力想借助这次能源危机掌握技术主动权，一方面解决国内能源短缺问题，

另一方面还可以通过技术产品输出再次获得丰厚的经济收益，目前正紧锣密鼓地制定汽

车动力电池的尺寸规格及PACK规范，争取在国际上掌握标准制定的主动权，我们的竞

争对手主要是**，在PACK规范方面具有独特的技术创新。

动力电池组PACK规范的核心内容是封装的标准化，该标准必须以保证品质为前提，

将动态筛选出的单体电芯经过高效低成本的工装设备进行封装，同时兼顾快速质检、BMS

接驳、维修保养更换三大操作平台，并在整个PACK过程中，有效保障安全生产和高生

产率。

工装设备是在我们专有技术的基础上定制完成的，全部由自己设计加工制造。

3、快速质检设备和寿命测试设备

动力电池组PACK成品出厂前必须进行整体全面质检，因为PACK成品不但包含数只

动力电池，还有动态一致控制的BMS系统，质检的目的是全面检验成品的整体性能，把

好出厂前的最后一道质量关。

快速质检设备不同于有台架的动态筛选设备，重点验证BMS控制能力和单体电芯基

本参数是否发生异变（因后期操作引起），设备要求快速判定，以便提高生产效率，该

设备可以制备数台同时质检。

寿命测试设备是了解PACK成品真正性能的重要一环，该设备往往在PACK成品大批

量投产前就必须投入运行，其特点是自动化程度高，带有能量循环再利用特性，无人值

守的安全机制，以及海量数据存储和全程数据分析功能。

以上这些生产设备我们经过数年努力已经能全部自制，不但摆脱了国外的技术控

制，而且还大幅度降低了购置成本，至少节约设备投资数倍。

二、动力锂电池工艺流程

PACK成品由三部分构成，即电池组、BMS和固定架外壳，其中固定架外壳由应用的

具体结构来决定，涉及到整车的位置、配重、充电接口、通风管道布置以及空间立体尺

寸等，这需要与具体车型进行匹配，在承揽加工前必须事先双方确认好相关设计图纸，

不能有任何差错。

不同的PACK成品，对充电机、充电站、充电器的要求会有所不同，为了在社会上

全面普及使用，必须具有最大范围的充电条件兼容能力，为此我们在BMS技术方面做了

大量的创新工作，力求充电机构简单、安全、可靠，在不影响动力电池组使用性能的条

件下，可以直接家庭充电，也可路边、停车场地面插座刷卡充电（全自助方式），大大

降低充电机构的建设成本，使充电机构成为停车场基本配套设施变得简单易行，这在新

能源汽车的推广使用方面至关重要。

只要用户有需求，新能源汽车路边充电时间可以缩短至20分钟，我们目前设计的

PACK成品已经能达到这个水平。

第八章电动汽车用驱动电机的现状及发展趋势

一、引言

我国汽车工业的发展面临着来自能源安全、环境保护和气候变化等可持续发展要求

的多重挑战。随着近几年汽车保有量的快速增加，汽车能源消耗增长呈现加速趋势，进

一步加剧了我国石油供需矛盾。在当前石油资源日益紧张，价格不断攀升的国际形势下，

发展电动汽车特别是混合动力汽车是缓解我国石油资源短缺现状的有效途径，也是增强

我国汽车工业核心竞争力的重大战略举措。

经过“八五”、“九五”规划的实施，特别是“十五”国家863电动汽车重大专项,

我国已实现了官、产、学、研的资源整合,具有了电动汽车用驱动电机系统自主研发能

力。在国家“三纵三横”总体布局中(如附图所示),驱动电机及其控制系统被列为“三

横”中的共性技术之一。

附图国家“十五”电动汽车重大专项布局示意

二、电动汽车用驱动电机系统的特点及分类

电动汽车对驱动电机系统的要求至少包括：

（1）基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂

工况；

（2）基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求；

（3）全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程；

（4）结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性；

（5）低成本及大批量生产能力。

电动汽车最早采用了直流电机系统,特点是成本低、控制简单,但重量大,需要定期维

护。随电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展,包括异步电机及永磁电

机在内的交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能,目前已逐步取代了直流

电机控制系统。特别是借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步,用于驱动的

永磁同步电动机得到了飞速发展。

电动汽车中常用的交流电机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类型，其特点如表1

所示。

表1 电机比较

其中,异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在

混合动力汽车(包括轿车及客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。特别是,由于

具有高效、高功率密度的特点,目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机。

日本丰田公司的PRIUS采用的永磁同步电动机功率已达到了50kW,新配置的SUV车型所

用电机功率甚至达到了123kW。

与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同，电动汽车用驱动电机系统的特点是

高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的环境适应性，如表2所示。

表2 工业用与汽车用驱动电机系统的主要差别

三、电动汽车用驱动电机系统的研究现状

目前国内的车用驱动电机系统已达到了小批量生产的水平，包括上述的各种类型电

机以及风冷、水冷等冷却形式，涵盖5kW～180kW功率范围。部分系统指标（如比功率

和系统效率）达到了国际先进水平。

系统中应用了矢量控制、直接转矩控制等控制方法,采用了IGBT等全控型电力电子

器件,DSP等先进的数字处理器,CAN总线通讯模式等控制技术,对参数辨识,效率优化,死

区补偿等专门的问题开展了有针对性的研究,取得了卓有成效的成果,有一大批车辆已

在城市道路上进行示范运行。

3.1 目前车用驱动电机系统尚需提高的地方

（1）全运行范围内的转矩、转速控制精度,效率最优化;

（2）系统可靠性及耐久性尚未得到充分验证,和汽车行业的严格要求还有一定差距;

（3）动力总成装置的集成度不高,机电一体化不够;

（4）关键材料（如高性能硅钢片，绝缘材料）和关键元器件（如IGBT模块，CPU

芯片）仍依靠进口，限制了选择余地和成本降低；

（5）尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系。虽然具备了小批量供货

的能力,但产品尚未通过TS16949质量体系标准认证。

3.2 今后仍需要重点研究的内容

（1）系统的集成化；

（2）高性能电机控制策略，电机效率优化；

（3）系统热管理；

（4）系统失效模式分析，系统可靠性、耐久性预测与快速评估方法；

（5）系统电磁兼容，环境适应性研究及试验验证，电机系统成本控制等。

四、发展趋势

（1）驱动电机系统必须满足动力总成一体化的要求并支持整车产品的系列化和生产

的规模化；

丰田公司的驱动系统THSII及本田公司的IMA系统的发展和进步充分体现了这一点：

THSII已扩展到包括LEXUS在内的多种车型，而IMA也已配置到包括CIVIC及雅阁在内

的多种车型。

（2）国内将出现独立的新型汽车电气驱动系统提供商，支持电动汽车及传统汽车产

业；

目前国外已有包括Solectria，Enova在内的电气公司，汽车用电气自动化的新型产

业正在逐步形成。目前我国在电机（包括永磁材料）生产，人力成本等方面存在较大的

优势，如果能够跟上当前的产业发展机遇，可以使得我国在世界市场上占有一席之地。

（3）与元器件、电力电子器件供应商及现有的工业用变频器行业形成产业联盟有助

于这个新型产业的发展壮大。

第九章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、Johnson Controls、Degussa AG/Enax、

Sanyo电机、Panasonic EV Energy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-Wheel Motor）。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Johnson Controls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Johnson Controls－Saft Advanced Power Solution （JCS）。JCS 于2006

年8月承接了美国能源部(DOE)所主导2年USABC(United States Advanced Battery

Consortium)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Extra Energy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

2.1 EV 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(Specific Energy)。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(Specific Power)。单位质量或单位体积的电池所输出的功率称为比功

率，单位为W/kg 或W 。

7）循环使用寿命(Cycle Life)。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(output effective)。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(Depth of Discharge)。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US Nanocorp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Jossen A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Ahmad n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L IN

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。

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。

5.3 CAN 通讯系统部分

5.3.1 CAN 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 、、

。对于本系统，需要将ControlCAN.h、添加到工程，同

时将拷贝到系统目录。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 (ControllerArea Network)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

6.1.1 BMS 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。

6.1.2 BMS 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。

6.2.2 MC912DP512 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，图4-4 为MC912DP512 的模块组成。

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 (Port Integration Module)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 (Clocks and Reset Generator)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-time

interrupt)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(Periodic Interrupt Timer)

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-Digital Converter)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(Serial Peripheral Interface)和异步串行口模

块SCI(Serial Communication Interface)及I2总线模块IIC(Inter-Integrated

Circuit)。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(Motorola Scaleable CAN)，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(Enhanced CaptureTimer)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DALLA S 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。DS1302 与CPU 连接的电路原理图如图4-7 所示。

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。

6.2.6 I/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精度霍尔传感作为电流采集单元。

6.2.9 温度采样单元

电池的工作状态与其内部温度及工作的环境温度都有着很重要的关系。因此，温度测量

是电池管理系统的重要部分。温度测量的方法一般有两种。其一是用数字式温度测量器

件。但由于电池管理系统中要求多点测量温度，各个温度测量器件分布在电池箱体内，

与总的控制主板间的走线较长，且汽车上的各种干扰较强，采用数字式的测量方法时，

需要总线有一定的抗干扰能量。第二种方法是采用模拟信号测量。

6.2.10 A/D 转换器

在电池管理系统中需要测量的量较多，有电压、电流及多路温度。为简化硬件设计，我

们拟选用一多通道的A/D转换器件，由于在管理系统中电流的测量是最为重要的，因此，

在选用A/D器件时，首先要考虑的就是如何满足电流的快速变化，其次要满足多同道的

要求。

6.2.11 基于msCAN 的智能节点电路

电池管理系统(BMS)具备的CAN通讯功能，接入整车CAN 总线网络后，可满足电动汽车动

力总成各控制器之间的大量数据的实时交换与共享。

整车CAN 系统中有两类节点：一类由USBCAN 接口卡和PC 机组成，同过此类节点PC 可

以共享电池管理系统的信息并实现对电池管理系统的在线标定；另一类由带CAN 控制模

块的单片机和CAN 收发器组成。在电池管理系统中，CAN 总线智能节点电路由

MC9S12DP512 内置模块CAN控制模块，CAN 总线驱动器PCA82C250 和高速光电耦合器

6N137，可实现数据的接受与发送等通讯任务。

6.3 电磁兼容（EMC）设计

电磁干扰是现代电路工业面对的一个主要问题，而系统的可靠性是由多种因素决定的，

其中系统的电磁兼容性是系统可靠性的重要指标。特别是对于本系统，如果抗电磁干扰

性处理不好，将会引起诸多不良后果。

电路要形成电磁干扰，必须具备以下三个基本要素：

1）电磁骚扰：任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享

同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其他设备分系统或系统发生电磁危害，导

致性能降级或失效，这种自然现象或电能装置即称为电磁骚扰源。

2）耦合途径：耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介。

3）敏感设备：敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时，

会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、

为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面的

措施。所谓技术措施，就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有

效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应

或增加电磁敏感性电平。对于本系统的电磁兼容性问题，主要是动力总成控制器

（HCU）内部，电池管理系统（BMS）内部，以及动力总成控制器（HCU）与电池

管理系统（BMS）之间的电磁兼容性问题；由于前者在以前设计动力总成控制器

（HCU）时已经考虑，现在主要后两者。电池管理系统（BMS）内部主要是电路板

级的电磁兼容性问题，主要考虑合理的元件选择、电路设计和PCB布线的情况。下

面讲述本系统设计时考虑到的电磁兼容性设计。

6.3.1 元件选择

有两种基本的电子元件组：有引脚的和无引脚的元件。有引脚线元件有寄生效

果，尤其在高频时。与有引脚的元件相比，无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要

小一些。其典型值为：约0.5nH的寄生电感和约0.3pF的终端电容。从电磁兼容性的

观点看，表面贴装元件效果最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的

元件。

1）电阻：由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点，选用电阻时优先考虑表面贴装电

阻。对于有引脚的电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是线绕电阻。对于

放大器的设计，增益控制电阻的位置尽可能地靠近放大器电路以减少电路板的电感；对

于上拉/下拉电阻的电路，所有的偏置电阻都尽可能地靠近了有源器件及他的电源和地，

从而减少了PCB连线的电感；对于RC滤波网络，线绕电阻的寄生电感很容易引起本机振

荡。

2）电容：电容种类繁多，性能各异，选择合适的电容并不容易。选择合适的

电容可以解决许多EMC问题。本系统主要用了旁路电容和去耦电容两种技术。旁路

电容：旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，消去进入易感区的那些不需要的

能量。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。这里选

择铝电解电容作为旁路电容。去耦电容：有源器件在开关时产生的高频开关噪声将

沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，

以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。这里选择陶瓷电容作为去耦电

容，且去耦电容布置时都尽可能地靠近每个集成块。

6.3.2 系统级抗干扰技术

在电动汽车行驶过程中，电机等强电器设各将产生大量的电磁声和电波干扰。

从电池组采样箱到驾驶室的主电路箱之间有较长的距离，干扰较为严重，为了防止

对系统的干扰，提高系统的可靠性和准确性，在系统硬件设计中，采用了如下抗干

扰技术：

1）电流形式传递信号。输入通道中的信号如总电压信号、各端电压及温度信

号均通过传感器采样转化为电流信号，以电流形式传递到主电路箱，从而防止在长

线传输中干扰信号的窜入，提高信号传递的准确性。

2）光电隔离技术。为了防止输出通道中干扰信号的串入，通过光电耦合器隔

离主机系统和输出通道，以切断它们之间的电器联系。

3）DC/DC变换器。采用具有直流隔离功能的DC/DC变换器，使各部分具有独

立的隔离电源进行供电，从而切断通过电压串入的各种干扰。

6.3.3 印刷电路板的布线

除了元器件的选择和电路设计之外，良好的印制电路板（PCB）布线在电磁兼容性中也

是一个非常重要的因素。这里采用了如下技术：

1）局部电源和IC间的去耦：局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。在电源输入

口与PCB之间介入了大容量旁路电容，作为一个低频脉动滤波器，同时作为一个电势贮

存器以满足突发功率的需求。在每个IC的电源和地之间接入了去耦电容，用于滤除IC的

开关噪声。

2）射频电流：对于任何应用，电流总是从负载回到电源，返回通路的低阻抗可以减少

由于负载和电源之间的射频电流的影响而产生的返回通路互耦。因此本系统返回通道都

设计得尽可能的短。

3）布线分离：可以将PCB同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。

4）接地技术：接地技术的目标是最小化接地阻抗，以此减少从电路返回到电源之间的

接地回路的电势。对于本系统使用的是双层板，数字地的布线采用栅格形式，有效地减

少了接地阻抗。没有用到的电路板区域由一个大的接地面来覆盖，以此提供屏蔽和增加

去耦能力。

5）电源技术：由于本系统使用了多个电源，所以采用接地技术将各个电源分离开来。

6）局部的布线技术：如适当的地方采用过孔、转动路径时采用45度角、保持路径的宽

度不变等等，都是有效的EMC设计。

6.4 BMS 硬件测试

电池管理系统BMS的硬件测试主要是指在电路板设计好并且焊接完毕之后，对其进行的

测试。电路板的测试包括在线测试和功能测试，在线测试主要用于查找组装及焊接工艺

的质量，可以准确定位PCB板的元器件故障，如开路、短路、漏贴、翘起、倒置、歪斜

等，具有极高的故障覆盖率。而功能测试则主要用于检测器件及电路板的带电运行性能。

第十章锂离子动力电池生产过程的自动化与信息化技术

更多推荐

电池,汽车,电动汽车,动力

电动汽车产业研究分析报告(免费)

发布评论取消回复

最近发表

热门文章

标签列表

电动汽车产业研究分析报告(免费)

相关文章

发布评论取消回复

最近发表

热门文章

标签列表