純電動汽車電池管理系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

高振宇 譚曉軍 羅 杰

（中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510275）

1.引言

動力電池組為純電動汽車的主要能量來源。由于鋰離子電池有荷電狀態(tài)難以估算以及串聯(lián)使用會產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象等特性，有必要使用專用的電池管理系統(tǒng)來監(jiān)視電池組的狀態(tài)以及判斷預(yù)測電池的行為。

純電動汽車的電池管理系統(tǒng)通常直接與動力電池組連接，因此純電動汽車電池管理系統(tǒng)對低功耗以及可靠性有嚴(yán)格的要求。過高的功耗會為動力電池組帶來額外的不必要的負(fù)擔(dān)，而不可靠的設(shè)計可能會造成電池管理系統(tǒng)不同程度地或過大地消耗著各個電池的能量，造成不均衡現(xiàn)象，甚至危及電池本身的健康。因此，如何設(shè)計合理的、低功耗的電池管理系統(tǒng)就成為一個非常值得研究的問題。

2.相關(guān)研究現(xiàn)狀

相對于消費電子設(shè)備的低功耗設(shè)計，純電動汽車電池管理系統(tǒng)的低功耗設(shè)計還處于起步階段。文獻(xiàn)提出一款使用優(yōu)化的器件以及控制方式制作電池管理系統(tǒng)，達(dá)到了較低的功耗，但該設(shè)計只能檢測一路電壓，且使用精密電阻分壓測量的采樣方式增加了額外的、不可避免的功耗，同時影響了電壓測量的精度。文獻(xiàn)針對總線式車身控制系統(tǒng)，把其工作狀態(tài)劃分為正常模式和低功耗模式，實現(xiàn)了一種總線式車身的低功耗設(shè)計，對于同是總線式體系的純電動汽車電池管理系統(tǒng)具有一定的參考意義。文獻(xiàn)針對嵌入式系統(tǒng)，介紹了降低嵌入式系統(tǒng)功耗的方法，對廣泛使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計有借鑒意義。

以下結(jié)合純電動汽車的特點，從硬件和軟件兩方面分析純電動汽車電池管理系統(tǒng)的能耗狀況，從而提出一套降低純電動汽車電池管理系統(tǒng)功耗的方法。

3.低功耗硬件設(shè)計

作為直接連接于電池極柱的設(shè)備，電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計是決定電池管理系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。電池管理系統(tǒng)的低功耗設(shè)計主要體現(xiàn)在以下四個部分。

3.1 電壓采樣的低功耗設(shè)計

現(xiàn)階段比較成熟有效的方法為開關(guān)法結(jié)合差模的方案法，以及專用芯片方案[4,5]。

前者核心思想為使用若干受控開關(guān)組成了開關(guān)陣列，選用單個電池進(jìn)行電壓測量。傳統(tǒng)實現(xiàn)方法使用電磁繼電器實現(xiàn)開關(guān)，電路整體功耗很大。采用新型的光耦合繼電器（PHOTOMOS）開關(guān)可大幅減少功耗，其工作電流僅為幾mA。

使用專用芯片為核心構(gòu)建電池管理系統(tǒng)是近幾年出現(xiàn)的一種新的解決方案，通常在專用芯片內(nèi)部集成了使用被測電池（組）供電的手段，但在使用該方案時，在條件允許的情況下，盡量不要使用被測電池（組）直接對芯片進(jìn)行供電。這是因為片內(nèi)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率一般比車載的DC/DC低，而且使用片內(nèi)供電系統(tǒng)直接供電會直接消耗電池的能量。

3.2 通信電路的低功耗設(shè)計

電池管理系統(tǒng)一般由若干檢測板以及一塊總控制板組成，每個檢測板負(fù)責(zé)采集電池包一部分的電壓信息，然后再通過通信總線匯總至到總控制板。由于各檢測板的電氣地不同，需要隔離進(jìn)行保護(hù)。典型的隔離手段是使用高速光電耦合器，但高速光耦的功耗一般較大，如HCPL0453，其輸入電流要求約為16mA。

使用新型的低功耗隔離器件可以隔離功耗。如ADI公司的磁耦合隔離器ADUM1201，其功耗僅為3-5mW。對于CAN通信隔離，還可以使用TI公司的ISO1050，這是一款集成隔離以及CAN收發(fā)器的集成電路，同樣擁有較低的功耗。

3.3 控制電路的低功耗設(shè)計

大部分主流MCU采用的是CMOS集成電路制作工藝，動態(tài)功耗相對較大，故需要注意減少動態(tài)功耗，如把沒有使用到的引腳上拉。芯片的規(guī)格以及電壓也影響著功耗，總線寬度越大，處理能力越高，功耗越大。故MCU的性能滿足需要即可。先進(jìn)的MCU通常提供若干種工作模式，允許MCU在其中切換以減少其功耗。如STM8S208，其在等待模式的功耗僅為其工作模式的25%。

3.4 熱管理模塊的低功耗設(shè)計

熱管理模塊功耗占整個電池管理系統(tǒng)功耗相當(dāng)一部分。主控制器應(yīng)根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境條件調(diào)整主動散熱/加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)應(yīng)以節(jié)省能源。主動散熱/加熱系統(tǒng)的供電應(yīng)獨立于控制芯片供電，避免干擾或造成供電不足，從而提高效率。

4.低功耗軟件策略設(shè)計

通過結(jié)合純電動汽車以及其電池組的特點，提出了一種根據(jù)當(dāng)前電池包荷電狀態(tài)以及行車狀態(tài)進(jìn)行低功耗控制的策略，可以有效減少電池管理系統(tǒng)的功耗。

4.1 電動汽車及其電池的能量特點

純電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池的電動勢（EMF）和荷電狀態(tài)（SoC）的關(guān)系是非線性的，有一段平臺區(qū)，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰的SoC-EMF關(guān)系

當(dāng)電池的荷電狀態(tài)低于某一拐點（SoC=0.1）時，電池的電動勢會隨著荷電狀態(tài)的改變迅速改變，而在平臺區(qū)（0.1

一般而言，電機控制器和電機所消耗的能量占整車能耗中所占比例超過80%，純電動汽車在駐車時的功耗相對較低。駐車狀態(tài)下電池狀態(tài)是相對穩(wěn)定的。

4.2 基于狀態(tài)切換的低功耗控制策略

結(jié)合器件提供的工作模式，我們把BMS采樣板的工作狀態(tài)劃分為如圖2所示的兩個模式：

圖2 BMS采樣子板的兩種工作狀態(tài)

（1）等待：控制器處于低功耗狀態(tài)，溫度及電壓采樣均不工作，熱管理模塊保持原有狀態(tài)。一旦滿足一定條件（如通信喚醒等），進(jìn)入采樣模式。

（2）采樣：控制器處于活動狀態(tài)，溫度以及電壓采樣電路工作并采集信息反饋控制單元，熱管理模塊采集信息并調(diào)整溫控狀態(tài)。完成信息的采集以及反饋后，進(jìn)入等待模式。

表1列出了一款電池管理系統(tǒng)各核心部件在采樣狀態(tài)以及等待狀態(tài)的功耗對比：

表1 核心部件功耗

從表1可知等待模式功耗遠(yuǎn)低于采樣模式，而合理地切換狀態(tài)可以有效的減少電池管理系統(tǒng)的功耗。

基于調(diào)整兩種工作狀態(tài)所占比例，電池管理系統(tǒng)可劃分為以下幾個工作狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)

其中，常數(shù)A為動力磷酸鐵鋰電池的SOC-OCV曲線中的拐點，T為判斷車輛進(jìn)入駐車模式的駐車時間閾值。

（1）停車狀態(tài)：當(dāng)電動車停放的時候進(jìn)入此狀態(tài)。在完成數(shù)據(jù)保存等工作后，電池管理系統(tǒng)失電。

（2）初始化狀態(tài)：讀取/保存歷史數(shù)據(jù)，并對整車的各個電池進(jìn)行采樣并判斷當(dāng)前電動汽車的狀況。BMS采樣板工作在采樣模式下，明確電動汽車的狀況后，電池管理系統(tǒng)會切換到下一個工作狀態(tài)。

(3)高荷電狀態(tài)行駛：電池工作在高荷電狀態(tài)時，電壓會相對穩(wěn)定。BMS采樣板間斷的工作在采樣模式和等待模式中，以等待模式為主。隨著SOC的下降，系統(tǒng)會動態(tài)的增加采樣模式所占時間。

（4）低荷電狀態(tài)行駛：電池工作在低荷電狀態(tài)時，電池電壓改變相對較大。此時BMS采樣板會工作在連續(xù)采樣模式，密切的監(jiān)控電池的電壓，及時響應(yīng)。

（5）駐車模式：行駛狀態(tài)下駐車時間超過一定的閾值后會進(jìn)入駐車模式，此時功耗較低，故BMS采樣板大部分時間工作在等待模式。當(dāng)車輛的速度回升后，會立刻根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)返回相應(yīng)的工作模式。

（6）充電模式：任何時候充電發(fā)生將會進(jìn)入充電模式。在充電模式下，BMS采樣板的采樣頻率隨著SOC的增大而增大，其它時候則進(jìn)入等待模式，以節(jié)省能源。當(dāng)充電結(jié)束時，電池管理系統(tǒng)會進(jìn)入初始化模式。

在除了停車模式外的所有模式中，電池管理系統(tǒng)的主板始終滿負(fù)載工作，并連續(xù)監(jiān)測電池包的總電壓與電流。

該狀態(tài)的劃分以及轉(zhuǎn)移的條件是根據(jù)純電動汽車的能耗特點而制定的。相對于連續(xù)采樣，這樣的劃分能使得電池管理系統(tǒng)根據(jù)純電動汽車當(dāng)前的狀態(tài)更合理更高效率地工作，降低整體功耗，同時能保證數(shù)據(jù)更新的及時性以及安全性。

5.結(jié)論

先進(jìn)器件的應(yīng)用從器件層次上減少了純電動汽車電池管理系統(tǒng)的功耗。另外，結(jié)合純電動汽車的能量特點，使用低功耗的軟件控制策略能在保證純電動汽車電池管理系統(tǒng)以及動力電池組正常工作的前提下，有效地降低電池管理系統(tǒng)的功耗。

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