純電動汽車電池管理系統九大功能

卜凡濤，劉木林（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽　110141）

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純電動汽車電池管理系統九大功能

卜凡濤，劉木林
（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽110141）

摘要：介紹電池管理系統在電動汽車上的主要功能，包括數據采集、SOC及SOH的預估、故障診斷、高壓環路互鎖、電池均衡、數據通信、電池絕緣監測及繼電器管理；并對每一個功能提出其硬件設計的思路。

關鍵詞：電動汽車；電池管理系統；功能

隨著人們環保意識的增強以及能源的日趨緊張，電動汽車受到國家和民眾的廣泛關注［1］。國內外OEM廠商投入了大量的人力和物力對電動汽車技術展開研究，現階段純電動汽車主要有三大核心控制器：電池管理系統 （BMS）、整車管理系統 （VMS）及電機控制單元 （MCU）。電池系統作為電動汽車的動力源，它的優劣嚴重影響電動汽車的性能，由此電池管理系統就變得越來越重要。電池管理系統作為電池包的控制器，能夠實時監測電池包內電池參數并估計其荷電狀態 （SOC），為駕駛員提供剩余電量、續駛里程等信息；能防止電池過充、過放、過壓、過流、過高溫，其優劣直接決定著動力電池組的使用壽命；一個合適的電池管理系統能夠在充分發揮電池優越性能的同時，給予電池最佳的保護，保證電池性能，延長電池壽命，降低電動汽車運行成本［2］。電池管理系統原理如圖1所示，其功能如下。

1）數據采集是電池管理系統BMS的重要功能之一，采集精度和速率表征了BMS的優劣。

①單體電池電壓采集。單體電池電壓是BMS控制策略中重要因素之一，要求采集精度較高，一般客戶要求誤差在3mV以內。在硬件設計中，為了保證精度及速率，BMS生產廠家往往采用集成式電路方式。

②單體溫度信息采集。電池的性能受電池的溫度影響很大，當在電池溫度過高或過低進行充放電時會對電池的壽命有影響；對于精度要求并不高，一般客戶要求誤差在1℃。在硬件電路設計中往往選用NTC或DS18B20。

③電池包總電壓采集。電池包總電壓分為兩路電壓：包內電壓與包外電壓。通過包內與包外電壓的對比來判斷是否完成預充過程。對于采集精度不高，部分BMS廠家通過采集到的單體電壓累計得到，也有通過分壓電路采集得到。

④電流的采集。電池包充放電電流的采集對于預估SOC及充放電保護有重要的意義。在硬件電路中，往往采用霍爾電流傳感器或分流器采集電流，精度要求誤差在1%。為了保證采集數據的精度，有的OEM廠商通過設計兩路電流傳感器來互相校正。

圖1　　電池管理系統原理圖

2）SOC及SOH預估SOC的預估方法有開路電壓法、AH計量法、卡爾曼濾波法及神經網絡法等，預估方法雖然多，但各有優缺點。國內的BMS廠商往往采用開路電壓與AH計量法結合來完成SOC的預估。電池SOH預測應考慮電池老化 （容量）、電池單體差異性、電池濫用等因素，來預測電池健康狀態。

①AH計量法。AH計量法是最常用的SOC預估方法，通過電流在時間上的累加，估計當前電池組的剩余容量。AH計量法會受很多因素的影響，包括電流測量精度、充放電循環次數、自放電率、充放電倍率和溫度等，所以在運用AH計量法時會有修正算法來對各種因素進行量化，使得AH計量法預估SOC更加準確。

②開路電壓法。電池的開路電壓與SOC有一定的線性關系，但不能實時估測SOC。根據鋰電池的特性，開路電壓在靜置半小時后會恢復到常態，故開路電壓法往往會作為修正AH計量法的糾正系數之一。

3）故障診斷功能故障診斷是電動汽車各個控制器所必不可少的功能之一，由于現有的電動汽車技術并不成熟，在電動汽車研發及測試階段不可避免地會出現各種問題，而通過故障診斷可方便發現問題。

4）熱管理控制電池溫度是影響電池性能的重要因素之一，而電池的性能優劣對于電動汽車的續航里程有重要影響，因此可通過熱管理控制使得電池始終工作在最佳狀態。

5）高壓環路互鎖在電池包的動力輸出端需要通過高壓插接件連接到動力線纜，BMS的高壓環路互鎖功能可檢測此插接件是否有松動現象，如果檢測到插接件松動會做相應的處理。BMS控制器會發送HVIL信號 （方波或高電平信號）同時接收此信號，如果接收成功即證明環路互鎖正常，反之有異常。

6）電池均衡功能當多節電池組成電池包時，由于電池的不一致性，必須要進行均衡處理來使得包內各節電池間的壓差較小，以更好地的延長電池包的使用壽命。電池均衡分為主動均衡與被動均衡，主動均衡是一種無損方式的均衡，將單體電池能量高的轉移到能量低的；被動均衡是一種有損方式的均衡，通過在每一節單體電池并聯一個電阻把多余的能量消耗掉。由于主動均衡技術并未成熟，應用范圍不廣，因此在國內的OEM廠商中往往采用被動均衡方式。

7）數據通信在電池的運行過程中，需要按照要求將電池電壓、SOC、SOH等電池運行時的相關狀態進行上報。對于多節電池組串并聯使用的系統來說，這種信息的上報包含兩方面：一方面是指上報信息到電池管理系統之外，為其他系統提供所需的數據，同時接受其他系統提供的信息，為制定合理的電池管理方案提供依據；另一方面是指各電池組之間的數據交互。針對這些信息的交互，采用何種通信方式、制定何種通信協議，對于實時了解電池的容量和性能、保證電池安全可靠的運行，以及為電池系統提供可信的依據，成為電池管理系統中一個關鍵問題［1］。國內的BMS廠商一般會選用CAN-BUS的通信方式。

8）電池絕緣監測功能絕緣監測功能是保證電池包安全的重要功能之一，電池包內通常有幾百伏的高壓，如果出現漏電現象對于乘客及駕駛員有安全隱患，所以絕緣監測功能就顯得相當重要。BMS會監測總正和總負對車身搭鐵的絕緣阻值，如果出現阻值低于閾值，則上報故障并斷開高壓電。

9）繼電器管理功能繼電器是電池包內的主要部件之一，BMS通過管理繼電器可完成對電池包內各個電路的控制，進而達到充放電及熱管理等的實現。

電動汽車技術是一新興產業，電池管理系統的廠商也是近幾年才相繼出現，由于缺乏經驗及電池數據作為支撐，在很多功能方面仍有欠缺。相信經過數據和經驗的累積，對以上九大功能的完善，電池管理系統會越來越完善。

參考文獻：

［1]于良杰，喬昕，張許峰，等.電池管理系統在電動汽車中的應用［J］.山東科學，2010：86-88.

［2]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2002：238-248.

（編輯文珍）

中圖分類號：U463.633

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0067－02

收稿日期：2015-12-03；修回日期：2015-12-21

Nine Functions of Battery Management System for Pure EV

BU Fan-tao，LIU Mu-lin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute，Shenyang 110141，China）

Abstract：The main functions of battery management system on EV are introduced here，including data acquisition，SOC and SOH estimation，fault diagnosis，HVIL，battery balance，data communication，battery insulation monitoring and relay management.The hardware design thought for each function is also proposed.

Key words：EV；battery management system（BMS）；function