分布式電池管理系統的研究與開發

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

分布式電池管理系統的研究與開發

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

本文提出的分布式電池管理系統，在具有傳統集中式電池管理系統對電流和電壓同步監測和控制的基礎上，將整個控制管理系統分散于電動汽車的各個部位，并與其有機結合，能夠更好地適應電池管理系統的惡劣工作環境。本文主要就其各個模塊的設計布置和電池均衡控制點等方面進行了論述。

分布式電池管理系統；控制模塊；均衡管理

隨著科技的不斷進步與發展，電動汽車作為新興的代步工具登上歷史舞臺，以電力作為動力系統，迎合了節能減排的環境治理方針，對全球的環境治理和保護工作有著重要意義。電動汽車減輕環境治理壓力的過程中存在著許多問題，電池的充放電均衡問題就是其中之一，電動汽車動力是由多個電池單體通過串聯的方式連接而成，電池組的各個組成單體很難保證各項參數一致，在充放電的過程中就會出現個體差異，因為它們之間是串聯的關系，充電和放電過程中的電流是相同的，所以，在電池組整體進行充電放電過程中，各單體之間的充電和放電總時間會存在差異，采用統一的充電和放電時間，個別單體就會出現充電未完成而斷電或充電已完成仍在繼續充電的現象（放電過程亦是如此），而且會隨著充放電的次數的增加，個體差異增大。這種現象嚴重影響電池組的整體使用壽命，若能夠通過恰當的措施，通過改變電池組各單體的充放電電流或其他因素，將其充放電時間進行統一，便能很好地解決充放電總時間不一致的情況，有效地延長電池組的使用壽命。

綜上所述，一個好的有效的電池管理系統（在電動汽車使用過程中，顯示電池用量和剩余量等各項性能狀況的電子控制系統）能有效地解決電池充放電均衡控制的問題。現階段我國的電動汽車電池控制系統方面的技術還不是很成熟，已經成為電動汽車普及應用的主要制約因素。通過實驗數據的研究可以發現，電動汽車在使用過程中，一個完善的電池控制系統可以很好地對電池各單體進行很好的控制和調節，將電池組各電池單體的充電時間和放電時間保持一致，將對電池組個電池單體的調節上升到智能化的程度。本文提出一種新的電池管理系統——分布式的電池管理系統。

一、整體方案的設計

1.設計的參考標準

汽車行業標準《電動汽車電池管理系統技術條件》，對電動汽車的電池管理系統方面的專業術語、技術規范、檢驗規則等進行了規范，使電動汽車電池管理系統類的文章有了統一的術語，便于進行學術上的討論和研究，本文即采用此標準為設計依據。

《電動汽車電池管理系統技術條件》中對電動汽車電池管理系統的使用功能進行了具體要求：（1）檢測：能夠比較客觀地反映出電池的即時電流、電壓、電阻、各零部件的使用情況；（2）計算：根據對電池組各項數據的采集，進行簡單的邏輯計算，可以通過對剩余電量的統計計算出剩余形式的里程、根據充放電的次數及電流電壓的顯示，計算出電池組的使用壽命、根據使用時的各項參數計算出額定功率等等；（3）信息傳遞：電動汽車電池組的硬件、軟件之間的數據傳遞；（4）保護：設置自動斷電保護，防止過渡充放電、溫度過高等現象的發生；（5）優化：在遇到預測發生的狀況時，系統默認進行優化處理，以便更好地使用。

2.總體方案

分布式電池管理系統的建立，就是將傳統的集中式的電池管理系統變換形式，利用CAN總線將負責不同功能的各個子系統有機連接起來，有效減少傳統電池管理系統因其布局集中，無法適應惡劣工作環境情況的發生，分布式電池管理系統具有更好的安全性能，能夠滿足更高的可靠性要求。分布式電池管理系統就是將管理系統中根據使用功能的差異，進行分開布置，大體分為：中央控制模塊、高壓控制模塊和數據采集模塊，各個模塊之間以CAN總線連接進行數據的傳遞。中央控制模塊的主要功能是：將各個數據測量模塊采集的數據進行簡單的邏輯分析及計算，結合以往數據，對電池的使用壽命、最大輸入輸出功率、繼電器的通斷等重要功能進行控制，保證電池組更好的運行；高壓控制模塊的主要功能是：對電池包的總電壓和總電流進行監測、對電池組整體絕緣裝置進行測量和控制；數據采集模塊的主要功能：分布于電動汽車各個“關節”部位此外還有絕緣監測裝置，共同對電動汽車運行過程中的實時數據進行采集，通過CAN總線進行傳遞，以實現電池管理系統的實時控制。

此種分布式的電池管理系統，在傳統集中式電池控制系統中的對電池組電流和電壓同步監測的基礎上，增加了控制系統位置布置的靈活性，分散布置能有效回避環境惡劣的限制，同時不受空間上的限制，可以隨意增減各個模塊的數量，使電動汽車電池的管理系統具有更高的適應性。

二、系統模塊的設計

1.中央控制模塊

（1）中央控制模塊電路的設計

中央控制模塊處理器采用PIC24 HJ256GP660；電源芯片采用TPS5420D以及NCP565D2T35G，為各個主模塊提供正常所需電壓；外圍輸入輸出控制采用光耦AB30S；CAN的收發器模塊采用CTM1050；CAN收發器和中央控制模塊中的處理器之間信息轉換通過MCP2520來完成；各個主模塊和各個分模塊之間通過CAN主線進行有機連接。

（2）邏輯計算的方式

電動汽車在運行過程中，其電池組內的各電池單體存在較大的差異，尤其是剩余電量，差異較明顯，而且對電池組整體性能的影響最大，分布式的電池管理系統采用開路點葉凡和安時積分法相結合的運算方法，經修正后能將精度誤差控制在7%以內。電池組狀態的不同運算的精度也存在較大的差異，現按照電池組的充電、放電和靜止狀態分別對運算過程進行討論。

以電池靜止時的SOC（環境負荷物質）數值為基準，參考高壓控制模塊的數據，利用安時積分的算法計算充電時的SOC值，達到充電完畢（充電飽滿）的電壓（充電截止電壓）時，SOC值設置為0%，按照相同的運算手法，達到放電完畢（放電完全）的電壓（放電截止電壓）時，SOC值設置為0%，因為充放電過程的狀態和靜止時的狀態轉變是一個漸變過程，需對靜止時的SOC值進行校正（本次試驗采用的是Kalman—Filtering的方法進行修正）。

2.高壓控制模塊

高壓控制模塊是對電池包的總電壓和總電流進行監測、對電池組整體絕緣裝置進行測量和控制相關的電路，其數據采集分別是：應用運放LTC2468將使用電壓以信號形式傳遞給高壓控制模塊處理器，并以相同的運放處理裝置將使用電流以信號形式傳遞給高壓控制模塊處理器；采用CTM1045將CAN主線和高壓控制模塊處理器相連接，進行數據傳輸；將絕緣監測裝置直接安放在高壓控制模塊上，直接進行數據傳遞工作。

3.數據采集模塊

（1）電路的設計

分布式電池管理系統是以對電池單體的電壓、電流、溫度等單個的電池單體進行檢測，將數據統一經由CAN主線線路將數據傳遞到中央控制模塊處理器，其電路的設計同樣是以此為依據進行設計安放的，滿足各控制模塊之間的數據信息傳遞和整體協調工作的。

（2）均衡控制策略

要想實現電池管理系統的均衡控制，其均衡策略是重中之重，若拋開均衡策略，即使得到了電池各單體的運行過程數據，仍不能保證控制的均衡性，便失去了均衡控制的真正意義。均衡控制的主要體現在電池組進行充電的中后期和放電過程的前期，在充電過程的中后期，電池組整體仍在充電，個別電池單體就會出現充電飽滿的現象，此時就需要均衡控制電路對該充電飽滿單體電池的電流進行控制，通過減小其充電電流阻止該單體電池充電過渡；電池組進行放電過程中，個別單體電池就會出現放電電壓偏低的現象，在放電初期，對該單體電池進行電能的補充，使其最終放電電壓不至過低，保證各單體電池的充電放電總時間基本一致，以保證電池組的整體使用壽命。

4.充電管理

充電線路的暢通是保證各個控制模塊之間數據傳遞的先決條件，有了其暢通的保證才能將各個控制模塊的數據有效的傳遞到中央控制模塊處理器內，進而進行有效的協調和調整工作，保證電池的整體性能。本系統中的充電線路接口遵從分線通信協議和CAN總線通信協議，能夠保證電池組誤充電，同時對溫度的監控，能夠保證電池組不會因溫度過高而發生安全事故。

結語

本文提出了分布式電池管理系統，并簡單地介紹了其應用的具體方法。綜合起來就是3個主控制系統，分別是：中央控制模塊、高壓控制模塊和數據采集模塊，各個模塊之間以CAN總線連接進行數據的傳遞。對3個主控制系統分別進行了設計、SOC值的運算、運行電流電壓檢測、電池均衡管理和充電管理。實踐表明，此種電池管理系統具有較高的可行性，有效地保證了電池組各單體電池使用壽命，且過程中能減少過渡充放電現象的發生，可以積極進行推廣應用。

［1］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計（第3版）［M］.北京：北京航天航空大學出版社，2003.

［3］陳清泉，等.現代電動汽車技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

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