電動汽車動力電池管理系統數據采集方法分析

徐 東

（無錫商業職業技術學院 汽車技術學院，江蘇 無錫 214153）

電動汽車動力電池管理系統數據采集方法分析

徐 東

（無錫商業職業技術學院 汽車技術學院，江蘇 無錫 214153）

電池作為電動汽車的動力源，一直以來被視為電動汽車發展的重要標志性技術，也是制約電動汽車發展的重要瓶頸，其性能好壞直接關系到整車的續駛里程。本文對動力電池管理系統中電壓、電流和溫度的數據采集方法進行深入分析，為電動汽車動力電池管理系統的設計提供理論基礎。

電動汽車；動力電池；管理系統；數據采集

電池管理系統（BMS）是用來對電池組進行安全監控及有效管理，提高蓄電池使用效率的裝置［1］。對于電動汽車而言，通過該系統對電池組充放電的有效控制，可以達到增加續駛里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的，并保證動力電池組工作的安全性和可靠性。動力電池管理系統已經成為電動汽車不可缺少的核心部件之一。

1 基本構成和功能

對電池管理系統功能和用途的理解是隨著電動車輛技術的發展逐步豐富起來的。最早的電池管理系統僅僅進行電池一次測量參數（電壓、電流、溫度等）的采集，之后發展到二次參數（SOC、內阻）的測量和預測，并根據參數進行電池狀態預警。現階段電池管理系統除完成數據測量和預警功能外，還通過數據總線直接參與車輛狀態的控制。

電池管理系統的主要工作原理可簡單歸納為：數據采集電路采集電池狀態信息數據后，由電子控制單元（ECU）進行數據處理和分析。然后電池管理系統根據分析結果對系統內的相關功能模塊發出控制指令，并向外界傳遞參數信息。

在功能上，電池能量管理系統主要包括：數據采集、電池狀態計算、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機接口。圖1為電池管理系統功能圖。

圖1 電池管理系統功能

1）數據采集 電池管理系統的所有算法都是以采集的動力電池數據作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池系統性能的重要指標。電動汽車電池管理系統的采樣速率一般要求大于200 Hz （50 ms）。

2）電池狀態計算 包括電池組荷電狀態和電池組健康狀態2方面。SOC用來提示動力電池組剩余電量，是計算電動汽車續駛里程的基礎。SOH用來提示電池技術狀態、預計可用壽命等參數［2］。

3）能量管理 主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進行放電過程控制，以SOC和溫度等參數為條件來控制各個部分。

4）安全管理 監視電池電壓、電流、溫度是否超過正常范圍，防止電池組過充和過放。目前，在對電池組進行整組監控的同時，多數電池管理系統已經發展到對單體電池進行過充、過放、過溫的安全狀態管理。

5）熱管理 在電池工作溫度超高時進行冷卻，低于適宜工作溫度下限時進行電池加熱，使電池處于適宜的工作溫度范圍內，并在電池工作過程中保持電池單體間溫度均衡。對于大功率放電和高溫條件下使用的電池，電池的熱管理尤為重要。

6）均衡控制 電池的一致性差異導致電池組的工作狀態是由最差電池單體決定的。在電池組各個電池之間設置均衡電路，實施均衡控制是為了使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體電池組的工作性能。

7）通信功能 通過電池管理系統實現電池參數和信息與車載設備或非車載設備的通信，為充電控制、整車控制提供數據依據，是電池管理系統的重要功能之一。根據應用需要，數據交換可采用不同的通信接口，如：模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接口等。

8）人機接口 可根據設計的需要，設置現實信息以及控制按鍵、旋鈕等。

2 數據采集方法

2.1 單體電壓檢測方法

電池單體電壓采集模塊是動力電池組管理系統中的重要一環，其性能好壞或精度高低決定了系統對電池狀態信息判斷的準確程度，并進一步影響后續的控制策略能否有效實施。常用的單體電壓檢測方法有以下5種 。

1）繼電器陣列法 圖2為基于繼電器陣列法的電池電壓采集電路原理框圖，其由端電壓傳感器、繼電器陣列、A/D轉換芯片、光耦、多路模擬開關等組成。如果需要測量n塊串聯成組電池的端電壓，就需要將n+1根導線引入電池組中各節點。當測量第n塊電池的端電壓時，單片機發出相應的控制信號，通過多路模擬開關、光耦和繼電器驅動電路選擇相應的繼電器，將第n和n+1根導線引入到A/D轉換芯片［3］。通常開關器件的電阻都比較小，配合分壓電路之后，由于開關器件的電阻所引起的誤差幾乎可以忽略不計，而且整個電路結構筒單，只有分壓電阻和模數轉換芯片還有電壓基準的精度能夠影響最終結果的精度，通常電阻和芯片的誤差都可以做到很小，所以，在所需要測量的電池單體電壓較高而且對精度要求也高的場合，最適合使用繼電器陣列法。

圖2 基于繼電器陣列法的電池電壓采集電路原理框圖

2）恒流源電路采集法 恒流源電路進行電池電壓采集的基本原理是：在不使用轉換電阻的前提下，將電池端電壓轉化為與之呈線性變化關系的電流信號，以此提高系統的抗干擾能力。在串聯電池組中，由于電池端電壓也就是電池組相鄰兩節點間的電壓差，要求恒流源電路具有很好的共模抑制能力，一般在設計過程中多選用集成運算放大器來達到此種目的。由于設計思路和應用場合的不同，恒流源電路會有多種不同形式，圖3即為其中一種，它是由運算放大器和絕緣棚型場效應管組合的減法運算恒流源電路。

圖3 運放和場效應管組合構成的減法運算恒流源電路

該電路是具有高開環放大倍數并帶有深度負反饋的多級直接耦合放大電路，其輸入級采用差動放大電路，并集成在同一硅片上，故兩者的性能匹配非常好，具有很高的放大能力。由差動電路原理可知，這種電路具有很強的共模信號抑制能力，所以在用運算放大器對電池組的單體電壓進行測量時，由于高的共模抑制性和放大能力，測量精度將會得到提高。絕緣棚型場效應管是利用輸入通路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。當其工作在可變電阻區時，輸出量漏極電流I與輸入量漏源電壓U呈線性關系，且管子的棚源間阻抗很高，形成的漏電流很小，而漏源間導通電阻很小，造成的導通壓降很低。

3）隔離運放采集法 隔離運算放大器是一種能夠對模擬信號進行電氣隔離的電子元件，廣泛用作工業過程控制中的隔離器和各種電源設備中的隔離介質。一般由輸入和輸出兩部分組成，二者單獨供電，并以隔離層劃分，信號經輸入部分調制處理后經過隔離層，再由輸出部分解調復現。隔離運算放大器非常適合應用于電池單體電壓采集電路中，它能將輸入的電池端電壓信號與電路隔離，從而避免了外界干擾而使系統采集精度提高，可靠性增強。

圖4為隔離運算放大器在600 V動力電池組管理系統中的應用，其中共有50塊額定電壓為12 V的水平鉛酸電池，其端電壓被隔離運放電路逐一采集。ISO122是美國BB公司采用滯回調制—解調技術設計的隔離放大器，采用精度電容耦合技術和常規的雙列式DIP封裝技術。ISO122的輸入和輸出部分分別位于殼體兩邊，中間用2個匹配的IPF電容形成隔離層，其額定隔離電壓大于1 500 V（交流60 Hz），隔離阻抗大，并且具有高的增益精度和線性度，從而滿足了實際應用要求。ISO122的輸入部分電源取自動力電池組中，輸出部分電源則來自電路板上的供電模塊，電池端電壓經過2個高精度電阻分壓后輸入運放，與之呈線性關系的輸出信號經多路復用器后交單片機控制電路處理。在第50塊電池的端電壓采集電路中，一個反向器被加在隔離運放電路后用于將輸出信號由負變正。隔離運放采集電路雖然性能優越，但是較高的成本影響了其廣泛應用。

圖4 隔離運算放大器在600 V動力電池組管理系統中的應用電路

4）壓/頻轉換采集法 當利用壓/頻轉換電路實現電池單體電壓采集功能時，壓/頻變換器的應用是關鍵，它是把電壓信號轉換為頻率信號的元件，具有良好的精度、線性度和積分輸入等特點。圖5為壓/頻變換器LM331用作高精度壓/頻轉換的電路原理圖。LM331是美國FS公司生產的高性價比集成V/F芯片，它采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍以內和電源電壓低到4.0 V都有極高的精度。

該采集方法中，電壓信號直接被轉換為頻率信號，隨即進入單片機的計數器端口進行處理，而不需要A/D轉換。此外，為了配合壓/頻轉換電路在電池單體電壓采集系統中的應用，相應的選擇電路和運算放大電路也需要加以設計，以實現多路采集的功能。這種方法所涉及的元件比較少，但是壓控振蕩器中含有電容器，而電容器的相對誤差一般都比較大，而且電容越大相對誤差越大。

圖5 壓/頻變換器LM331用作高精度壓/頻轉換的電路原理圖

圖6 基于線性光耦合元件TIL300的電池單體電壓采集電路原理圖

5）線性光耦放大電路采集法 基于線性光耦合器件，電池單體電壓采集電路實現了信號采集端和處理端之間的隔離，從而提高了電路的穩定性與抗干擾能力。圖6中線性光耦TIL300由一個利用紅外LID照射分叉配置的隔離反饋光二極管和一個輸出光二極管組成，并采用特殊工藝技術來補償LED時間和溫度特性的非線性，使輸出信號與LED發出的伺服光通量呈線性比例。TIL300具有3 500 V的峰值隔離度，帶寬大于200 kHz，適合直流與交流信號的隔離放大，且輸出增益穩定度為0.05 C。從圖6中不難看出，經運算放大器A1后，電池單體電壓值被轉化為電流信號I并流過線性光耦TIL300，經光電隔離后輸出與I呈線性關系的電流量，再由運算放大器A2轉化為電壓值以進行A/ D轉換并完成采集。線性光耦兩端需要使用不同的獨立電源，在圖6中分別標示為I+12 V和12 V。可見，線性光耦合放大電路不僅具有很強的隔離能力和抗干擾能力，還使模擬信號在傳輸過程中保持了較好的線性度，因此可以與繼電器陣列選通電路配合應用于多路采集系統中，但其電路相對較復雜，影響精度的因素較多。

2.2 溫度采集方法

電池的工作溫度不僅影響電池的性能，而且直接關系到電動汽車的使用安全，因此準確采集溫度參數顯得尤為重要。采集溫度并不難，關鍵是如何選擇合適的溫度傳感器。目前，使用的溫度傳感器很多，比如：熱電偶、熱敏電阻、熱敏晶體管、集成溫度傳感器等。

1）熱敏電阻采集法 熱敏電阻采集法的原理是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性，用一個定值電阻和熱敏電阻串聯起來構成一個分壓器，從而把溫度的高低轉化為電壓信號，再通過模數轉換得到溫度的數字信息。熱敏電阻成本低，但線性度不好，而且制造誤差比較大。

2）熱電偶采集法 熱電偶的作用原理是雙金屬體在不同溫度下會產生不同的熱電動勢，采集這個電動勢的值就可以通過查表得到溫度值。由于熱電動勢的值僅和材料有關，所以熱電偶準確度很高。但是由于熱電動勢都是毫伏等級的信號，需要放大，外部電路比較復雜。一般來說金屬的熔點都比較高，所以熱電偶一般都用于高溫的測量。

3）集成溫度傳感器采集法 集成溫度傳感器在日常生產生活中應用得越來越多，半導體生產商推出了很多集成溫度傳感器。這些溫度傳感器雖然很多都是基于熱敏電阻的，但都在生產的過程中進行校正，所以精度可以媲美熱電偶，而且直接輸出數字量，很適合在數字系統中使用。

2.3 電流采集方法

常用的電流檢測方式有分流器、互感器、霍爾元件電流傳感器和光纖傳感器，各種方法的特點見表1。

其中，光纖傳感器昂貴的價格影響了其在控制領域的應用。分流器成本低、響應好，但使用麻煩，必須介入電流回路。互感器只能用于交流測量。霍爾傳感器性能好，使用方便。目前在電動車輛動力電池管理系統電流采集與監測方面應用較多的是分流器和霍爾傳感器。

表1 各種電流檢測方式特點

3 結束語

動力電池管理系統通過對動力電池組進行實時監測，將檢測到的單體電池電壓、電池組總電壓、電池工作電流及電池工作溫度等相關數據采集并處理，根據數據分析結果，對系統各模塊發送相應的控制指令，從而實現對動力電池組的實時監控，保證動力電池組的正常運行。

［1］戴賢青.電動車動力電池仿真系統的研究與設計［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010.

［2］孫歡.鋰離子電池能量管理系統研究與設計［D］.重慶：重慶交通大學，2015.

［3］任鵬.鋰電池的管理系統設計［D］.青島：山東科技大學，2015.

（編輯 楊 景）

Analysis of Data Acquisition Method for Power Battery Management System on Electric Vehicles

XU Dong
（Wuxi Vocational Institute of Commerce， Institute of Automotive Technology， Wuxi 214153， China）

As the power source of electric vehicles， battery has been regarded as a flag technology in electric vehicle field， and an essential bottleneck restricting the development of electric vehicles. Battery performance is directly related to the length of vehicle mileage. In this paper， the voltage， current and temperature data acquisition method for power battery management system are analyzed in depth， which provides a theoretical basis for the design of power battery management system on electric vehicles.

electric vehicle; power battery; management system; data acquisition

U463.633

A

1003-8639（2017）06-0005-04

2016-10-21

徐東（1980-），男，遼寧遼陽人，講師，碩士，研究方向為新能源汽車技術。