中国报告大厅网讯，近年来，全球能源结构转型与环保需求推动下，锂电池电动车产业迎来爆发式增长，尤其是低速锂电池电动车凭借灵活便捷、使用成本低等优势，在短途出行和物流配送领域占据重要地位。数据显示，我国电动自行车社会保有量已达 3.5 亿辆，超过汽车的 3.36 亿辆，2024 年全国两轮电动车市场保有量突破 4 亿台，预计 2025 年锂电电动自行车渗透率将达 56.40%，2020-2025 年锂电车型电动自行车销量复合增长率为 34.5%。然而，锂电池在应用中存在安全性、一致性及状态估算精度等问题，为保障锂电池电动车稳定运行，亟需设计高效可靠的锂电池管理系统(BMS)。本文围绕低速锂电池电动车的 BMS 设计展开，从锂电池原理特性、SOC 估算方法、硬件软件设计到系统测试，全面探索提升锂电池电动车电池管理水平的技术路径。以下是2025年锂电池电动车行业技术分析。

  一、锂电池电动车动力锂电池原理及特性分析

  (一)锂离子电池工作原理

  《2025-2030年全球及中国锂电池电动车行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，锂离子电池作为锂电池电动车的核心动力源，属于二次电池，内部由正极、负极、聚合物隔膜和电解质组成。正极材料多为锰酸锂(LiMn₂O₄)、钴酸锂(LiCoO₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)或三元锂(Ni、Co、Mn 或 Ni、Co、Al)，负极由附着石墨的金属铜箔构成，电解质为高导电率有机溶剂。充电时，锂离子从正极脱嵌，经电解液迁移至负极并插入石墨层;放电时，锂离子从负极脱插，回流至正极嵌入晶格，该过程依赖电化学嵌入与脱嵌反应，确保电池循环可逆性，支撑锂电池电动车持续供电。以三元锂电池为例，其充放电化学反应方程式如下：

  正极：Li₁₋ₓ(NiCoMn) O₂ + xLi⁺ + xe⁻ ⇌[放电][充电] Li (NiCoMn) O₂

  负极：LiₓC₆ ⇌[放电][充电] xLi⁺ + xe⁻ + 6C

  总反应：Li₁₋ₓ(NiCoMn) O₂ + LiₓC₆ ⇌[放电][充电] Li (NiCoMn) O₂ + 6C

  (二)锂离子电池关键技术参数

  电压参数：包括电动势、开路电压(OCV)、工作电压、标称电压及截止电压。电动势是电池理论最大电压，OCV 为无负荷时正负极电势差，工作电压为带负载时端电压，锂电池电动车常用锂电池标称电压为 3.6V 或 3.7V。充电截止电压通常为 4.2V，超过易导致电池过充损坏;放电截止电压一般为 2.75V，低于此值会造成电池不可逆损伤，这些参数直接影响锂电池电动车电池使用安全与寿命。

  内阻参数：分为交流内阻与直流内阻，直流内阻又含欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻与电极材料、电解液等相关，导致充放电瞬间电压变化;极化内阻源于电化学极化和浓差极化，表现为电压滞后现象，内阻大小影响锂电池电动车电池能量输出效率。

  容量参数：指一定条件下电池完全放电释放的总电荷数，单位为 Ah 或 mAh，包含理论容量、额定容量与实际容量。库伦效率(η)衡量充放电能量转换效率，计算公式为放电输出能量与充电输入能量的比值，其高低影响锂电池电动车续航能力。

  电池状态参数：荷电状态(SOC)表示剩余容量与总容量的百分比，是锂电池电动车剩余续航估算的核心;放电深度(DOD)为已释放电量与总容量比值，与 SOC 之和为 100%;健康状态(SOH)反映电池老化程度，随循环次数增加而下降;功率状态(SOP)体现电池当前可提供功率水平，适配锂电池电动车动力需求。

  充放电倍率：以符号 C 表示，1C 为额定容量对应的电流，如 2600mAh 电池 1C 放电电流为 2.6A。充放电倍率影响电池容量，倍率越高，容量相对越小，但合理范围内锂电池电动车用动力电池在不同倍率下性能稳定。

  (三)锂离子电池特性测试结果

  电池容量测定：参照相关国家标准，在室温(25℃)下对 18650 圆柱型三元锂电池(型号 INR18650-26E，标称容量 2600mAh、标称电压 3.6V)进行测试，连续 3 次测量结果误差≤2%，最终得到电池可用容量为 2610mAh。

  环境温度对容量的影响：在 - 15℃、0℃、25℃、45℃环境下进行恒流放电实验，放电截止电压为 2.75V。结果显示，-15℃时测试容量 2321mAh、库伦效率 82.11%;0℃时测试容量 2143mAh、库伦效率 88.93%;25℃时测试容量 2610mAh、库伦效率 100%;45℃时测试容量 2684mAh、库伦效率 102.84%。可见温度升高，锂电池内部反应加快，容量提升，但温度过高易引发安全风险，该结果为锂电池电动车 BMS 温度补偿设计提供依据。

  放电倍率对容量的影响：在 0.5C、1C、2C、3C 倍率下放电，0.5C 时测试容量 2682mAh、库伦效率 102.76%;1C 时测试容量 2610mAh、库伦效率 100%;2C 时测试容量 2596mAh、库伦效率 99.46%;3C 时测试容量 2590mAh、库伦效率 99.23%。表明放电倍率增大，电池容量略有下降，但整体影响较小，适配锂电池电动车不同行驶工况需求。

  二、锂电池电动车动力锂电池 SOC 估算方法研究

  (一)OCV-SOC 关系曲线构建

  OCV 与 SOC 存在非线性关系，是 SOC 估算的重要基础。在 - 15℃、0℃、25℃、45℃环境下，以 1C 电流放电，每释放 10% SOC 静置 1 小时消除极化效应，记录 OCV 值并拟合 6 阶多项式曲线，Adjusted R-squared 值均在 0.9995 以上，拟合精度极高，为锂电池电动车 SOC 估算提供关键参考模型。

  -15℃：OCV = 15.34×SOC⁶ - 44.56×SOC⁵ + 46.36×SOC⁴ - 19.4×SOC³ + 2.252×SOC² + 0.794×SOC + 3.409

  0℃：OCV = 23.65×SOC⁶ - 72.55×SOC⁵ + 83.14×SOC⁴ - 43.01×SOC³ + 9.848×SOC² - 0.304×SOC + 3.428

  25℃：OCV = 17.14×SOC⁶ - 49.66×SOC⁵ + 52.01×SOC⁴ - 22.55×SOC³ + 3.175×SOC² + 0.7028×SOC + 3.377

  45℃：OCV = -6.062×SOC⁶ - 24.64×SOC⁵ - 38.4×SOC⁴ + 29.24×SOC³ - 10.68×SOC² + 2.149×SOC + 3.304

  (二)锂电池等效电路模型选择

  对比白箱模型(电化学模型，精度高但复杂)、黑箱模型(神经网络模型，依赖大量数据)与灰箱模型(等效电路模型，平衡精度与复杂度)，最终选择 Thevenin 等效电路模型用于锂电池电动车行业 SOC 估算。该模型由理想电压源(UOCV)、欧姆内阻(R₀)及串联的 RC 阻容网络(R₁、C₁，模拟极化特性)组成，既能准确模拟电池动静态特性，又便于工程实现，其电路关系如下： \(\left\{ \begin{array}{l} U_{L}=U_{O C V}-I R_{0}-U_{1} \\ I=\frac{U_{1}}{R_{1}}+C_{1} \frac{d U_{1}}{d t} \end{array} \right.\) 其中，UL 为电池端电压，U₁为 RC 网络端电压，I 为负载电流。

  (三)等效电路模型参数辨识

  采用混合功率脉冲特性测试(HPPC)进行离线参数辨识，在 - 15℃、0℃、25℃、45℃环境下，每隔 10% SOC 进行脉冲充放电测试。

  极化参数 R₁、C₁：基于电压恢复阶段曲线拟合时间常数 τ₁=R₁C₁，再结合电路关系求解 R₁与 C₁。例如 25℃时 SOC=50%，R₁=21.86mΩ，C₁=910.65F。参数辨识结果显示，温度升高，R₀、R₁减小，C₁增大，为锂电池电动车 SOC 估算的参数动态调整提供数据支撑。

  (四)扩展卡尔曼滤波(EKF)SOC 估算实现

  EKF 算法原理：针对锂电池非线性特性，将 Thevenin 模型状态方程线性化，通过 “预测 - 更新” 迭代降低噪声干扰。

  估算结果验证：在 Matlab/Simulink 中搭建模型，对比 EKF 与安时积分法。HPPC 工况下，25℃时 EKF 初始误差 8%，随后快速收敛，最大误差 5%;安时积分法误差累积至 15%。BBDST 工况下，不同温度(-15℃、0℃、25℃、45℃)EKF 平均误差<2%，安时积分法平均误差约 10%，证明 EKF 算法适用于锂电池电动车复杂工况下的高精度 SOC 估算。

  三、锂电池电动车电池管理系统硬件设计

  (一)硬件设计总方案

  需求分析：锂电池电动车 BMS 需实现电池状态监测(电压、电流、温度)、安全保护(过充、过放、过流等)、均衡管理、数据传输功能，确保电池安全高效运行。

  硬件架构：采用集中式主从架构，STM32G070CBT6 为主控芯片(ARM Cortex-M0 + 内核，64MHz 主频，36KB SRAM，128KB Flash)，SH367309 为模拟前端(AFE)芯片，集成 13 位 VADC(电压采集)、16 位 CADC(电流采集)及多路温度采集通道，支持 5-16 节电芯管理，两者通过 TWI 通讯，简化电路设计，降低成本，适配低速锂电池电动车需求。

  (二)核心模块电路设计

  主控芯片模块：包含启动选择电路(BOOT0 低电平选择 Flash 启动)、下载 / 调试电路(SWD 模式，占用 PA13、PA14 引脚)、复位电路(RC 复位，NRST 引脚低电平触发)、时钟电路(8MHz 外部晶振，倍频至 64MHz)，保障主控芯片稳定运行。

  电源模块：采用两级降压，MP9486A(4.5-100V 输入，1A 输出)将电池组电压(最高 54.6V)降至 5V，AMS1117-3.3V 线性稳压器降至 3.3V 供 MCU 与外设。设计 MCU 软开关电路，通过 MOSFET 与三极管实现手动 / 自动开关机，降低锂电池电动车待机功耗。

  数据采集与均衡电路：

  电压采集：AFE 通过 VC1-VC17 引脚采集 13 节电芯电压，每节串联 1kΩ 电阻与 1μF 电容组成 RC 滤波，隔离电阻(51kΩ、51Ω)保护电路，采样误差≤1mV。

  电流采集：4 个 0.005Ω 精密电阻并联，通过 AFE 的 RS1、RS2 引脚差分输入，采样误差<10mA。

  温度采集：3 路 NTC 热敏电阻(10kΩ)分别监测电池包、MOSFET、均衡模块温度，采样误差≤1℃。

  均衡电路：采用被动均衡，每节电芯并联 51Ω 功率电阻，通过三极管控制，均衡电流约 100mA，均衡后电池组电压方差从 3656.44 降至 59.18，改善锂电池电动车电池一致性。

  充放电控制电路：采用 MOSFET 并联方案(充电、放电回路独立)，支持过充(单体电压>4.25V)、过放(单体电压<2.75V)、过流(充电>5A、放电>20A)、短路、高温(>65℃)、低温(<-35℃)保护，二次过充保护电路(熔断保险丝)作为备用，保障锂电池电动车充放电安全。

  通讯与显示模块：集成 HC-08 低功耗蓝牙(BLE 4.0，通信距离 80 米)，实现与上位机数据传输;2 位半数码管显示电量百分比(0%-100%)与充电状态，提升锂电池电动车人机交互体验。

  (三)PCB 设计与实物

  采用双层 PCB(160mm×61mm)，分区布局元器件，大电流走线加粗，地线大面积铺铜，滤波电容靠近芯片引脚，减少干扰。焊接完成后，连接电池组正负极(B+、B-)与单体电芯(B0-B13)，形成完整硬件系统。

  四、锂电池电动车电池管理系统软件设计

  (一)开发平台与操作系统

  开发工具：STM32CubeMX 配置引脚与外设，生成 LL 库工程;Keil MDK-ARM 编写代码，支持编译、下载与调试;微信开发者工具开发上位机小程序。

  实时操作系统：移植 RT-Thread Nano 内核，RAM 占用约 1KB，ROM 占用约 4KB，支持线程管理、时钟管理、同步与通信(信号量、互斥量、邮箱)。配置系统最大优先级 32，时钟节拍 1ms，划分主线程(初始化与休眠检测)、TWI 通讯线程(数据采集)、SOC 估算线程、显示线程、蓝牙通讯线程，提升锂电池电动车 BMS 实时性。

  (二)核心软件功能实现

  数据采集：MCU 通过 TWI 读取 AFE 寄存器(40H-72H)，解析电压、电流、温度数据，采样频率电压 10Hz、电流 4Hz、温度 1Hz。

  SOC 估算：通过 Simulink Embedded Coder 生成 EKF 算法驱动文件，输入实时采集的电压、电流、温度数据，输出 SOC 值并进行均值滤波，确保锂电池电动车剩余电量显示稳定。

  微信小程序上位机：

  架构：视图层(WXML/WXSS)展示数据，逻辑层(JS)处理业务，系统层(JSBridge)调用蓝牙 API。

  功能：搜索蓝牙设备(deviceId 识别)、连接设备(GATT/ATT 协议)、数据通讯(Modbus RTU 协议，0.5s 刷新一次)，显示电池状态(电压、电流、温度、SOC)与保护参数，支持参数配置(均衡开启电压、保护阈值等)，提升锂电池电动车电池管理便捷性。