電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)BMS的設(shè)計(jì)

摘 要：近年來(lái)，全球環(huán)境的惡化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，所以要使用新型能源來(lái)替代傳統(tǒng)的汽油，減少對(duì)環(huán)境的污染。當(dāng)今，新能源汽車在不斷發(fā)展，同時(shí)國(guó)家也在不斷加大對(duì)新能源汽車和動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)力度。電動(dòng)汽車中重要的電池組會(huì)受到多種因素的影響使其效能會(huì)大大降低，所以，研究開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車的管理系統(tǒng)十分重要，但是性能的進(jìn)一步完善也是我們急需要突破的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池；管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311.52；U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）06-0037-03

Abstract：In recent years，the deterioration of the global environment is becoming more and more serious，so we should use new energy to replace the traditional gasoline，reduce the pollution to the environment. Now new energy vehicles are constantly developing，and the state is also increasing the development of new energy vehicles and power batteries. The important battery group in the electric vehicle will be greatly reduced by many factors，so it is very important to study and develop the management system of the electric vehicle，but the further improvement of the performance is the problem that we need to break through urgently.

Keywords：electric cars；batteries；management systems

0 引 言

我國(guó)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)委員、清華大學(xué)的教授歐陽(yáng)明高在2016年的中國(guó)汽車工程學(xué)年會(huì)上提出了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，該路線圖描繪了我國(guó)未來(lái)汽車技術(shù)的發(fā)展藍(lán)圖，其主題的內(nèi)容是“7+1”，即總體技術(shù)、節(jié)能汽車、純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車、氫燃料電池汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、汽車制造、汽車動(dòng)力電池及汽車輕量化的技術(shù)路線圖。他還提出要正確的掌握新能源汽車的發(fā)展方向，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車。

目前，新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)存在的技術(shù)問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：（1）新能源電動(dòng)車的動(dòng)力電池使用壽命問(wèn)題也十分重要，電池組在受到多種因素干擾的情況下，其效能會(huì)降低，比如一些錯(cuò)誤的使用方法，或者電池過(guò)充放電，影響動(dòng)力電池的使用次數(shù)，損壞電池，時(shí)間長(zhǎng)甚至?xí)?dǎo)致電池直接報(bào)廢。（2）現(xiàn)在新能源電車使用的動(dòng)力電池是由大量的電池單體串聯(lián)或并聯(lián)的形式為電動(dòng)車提供能量，這些單體電池在生產(chǎn)時(shí)就存在著一定的差異。在電動(dòng)車的實(shí)際使用過(guò)程中，連續(xù)的充放電會(huì)導(dǎo)致單體電池存在差異，使得單體電池的電量快速地衰減，導(dǎo)致這些電池在使用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)有所不同，產(chǎn)生電池性能不一致的問(wèn)題。（3）電動(dòng)汽車的剩余可用電量的估計(jì)是電動(dòng)汽車估計(jì)剩余行駛路程的基礎(chǔ)，所以電動(dòng)汽車剩余電量的準(zhǔn)確估計(jì)非常重要。剩余電量的SOC是電動(dòng)車動(dòng)力電池的一個(gè)參考系數(shù)，可以用來(lái)判斷電動(dòng)汽車是否過(guò)充放電。但是目前的技術(shù)不能夠準(zhǔn)確地測(cè)出電池的剩余電量。并且影響剩余電量的因素有很多種，所以對(duì)剩余電量的估計(jì)問(wèn)題也是一個(gè)難題。

新時(shí)期下我們要研發(fā)使用循環(huán)次數(shù)比較多、無(wú)污染且能夠準(zhǔn)確估計(jì)剩余電量的動(dòng)力電池。要防止電池組的過(guò)充放電問(wèn)題，減少一些不利因素對(duì)電池的損壞。

1 智能動(dòng)力電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案構(gòu)建

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）的功能需求和數(shù)據(jù)需求如圖1所示，從圖中可以看出本系統(tǒng)主要針對(duì)的是動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷以及本地化程序升級(jí)等功能，采集的數(shù)據(jù)主要是獲取的車輛運(yùn)行時(shí)動(dòng)力電池各單體電池的電壓、電流及溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

根據(jù)BMS的功能需求和數(shù)據(jù)需求，構(gòu)建電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。BMS基于MDK-ARM Microcon-troller Development 4.73集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言及部分匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫，再編譯成相應(yīng)的執(zhí)行文件格式，通過(guò)SWD協(xié)議下載到MCU上執(zhí)行。按照穩(wěn)定、高效、低功耗等技術(shù)參數(shù)及要求，預(yù)設(shè)本電池管理系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)信息采樣、電管理、熱管理、均衡管理、數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)管理及系統(tǒng)自檢7個(gè)功能體系構(gòu)成，從7個(gè)方面對(duì)電池能量系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、耐用性及易用性進(jìn)行管理。

2 智能BMS關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 SOC估算算法

SOC表示荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。其定義為：

SOC=QC÷QE （1）

式（1）中QC代表電池的剩余電量，表示在特定的溫度和放電電流條件下電池所能釋放的電量。QE代表電池的總?cè)萘浚硎驹诤蚎C定義中相同狀態(tài)下（相同的溫度和放電電流）動(dòng)力電池的總?cè)萘俊腟OC的定義可以看出，SOC不能直接測(cè)量出來(lái)，只能通過(guò)動(dòng)力電池的狀態(tài)參數(shù)來(lái)對(duì)SOC進(jìn)行估算，現(xiàn)在對(duì)新能源汽車的剩余電量估計(jì)仍然有一定的難度系數(shù)，因?yàn)橛绊戨姵厥褂玫囊蛩赜泻芏喾N，一些過(guò)充放電、電池內(nèi)阻的大小和環(huán)境問(wèn)題都會(huì)損壞動(dòng)力電池的使用。

電動(dòng)汽車在行駛的過(guò)程中有很多不確定性因素，這些因素使得電池逐漸表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)也不盡相同，這就加大了電池和電狀態(tài)的難度。SOC常用的估計(jì)方法有：開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法、安時(shí)法及負(fù)載電壓法等。

2.2 電池組的均衡技術(shù)

電池組的均衡技術(shù)是指對(duì)串聯(lián)的電池包中的不同電池進(jìn)行差分電流的使用。在串連電池包的每個(gè)電池的電量大多數(shù)都是相同的，但是串連電池組在充放電的過(guò)程中由于電池的容量或者電池的電阻大小使彼此電壓的差異越來(lái)越大，所以，應(yīng)給電池包增加一些額外的電路元件或者電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的均衡。僅當(dāng)電池包中的電池處于串聯(lián)的狀態(tài)并且串連電池等于或者大于三級(jí)時(shí)才考慮電池的均衡問(wèn)題。目前主要的電池組均衡技術(shù)有：

2.2.1 電阻的并聯(lián)均衡技術(shù)

電阻并聯(lián)的均衡技術(shù)是指在電池單體兩端并聯(lián)功率電阻，通過(guò)功率電阻來(lái)消耗一些電池組中比較高的能量單體。如圖2所示，通過(guò)控制對(duì)大功率MOSFET的通斷，可以接通電池單體中能量比較高的單體能量。如果BAT2所對(duì)應(yīng)的能量比其他的單體要高，那么就要開(kāi)通T2，讓電阻R2來(lái)消耗那些比較高的能量。

2.2.2 電容的并聯(lián)均衡技術(shù)

電容的均衡技術(shù)是利用電容的儲(chǔ)能原理設(shè)計(jì)的。電容均衡技術(shù)是高能量電芯的部分能量暫時(shí)存放在電容中，利用電能的儲(chǔ)能原理，實(shí)現(xiàn)電能在電池單體中的轉(zhuǎn)移。如圖3所示，如果BAT 1的電壓比較高，那么要先接通K1和K2左側(cè)的觸點(diǎn)，將BAT 1中的能量暫時(shí)存放在C1中，然后在接通K1和K2右側(cè)的觸點(diǎn)，將C1中存放的能量轉(zhuǎn)移到C2，以此類推。

利用變壓器可以作為能量轉(zhuǎn)換器是變壓器均衡技術(shù)的主要原理。變壓器的均衡是一種能量非散型的技術(shù)。他的工作原理是指將利用反激式變換器的原理，在電池組和單體電池之間進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移過(guò)程。變壓器均衡充電時(shí)電流比較大，而且能量的轉(zhuǎn)移效率比較高，適合一些電流比較大的電池管理系統(tǒng)。

通過(guò)分析上述幾種均衡技術(shù)并且結(jié)合新能源電動(dòng)車在實(shí)際工作中的運(yùn)行特點(diǎn)，本項(xiàng)目實(shí)施的是變壓器的均衡方案。變壓器均衡方案的能量轉(zhuǎn)移效率比較高并且有比較大的均衡電流，充電式均衡技術(shù)在電池單體電壓比較高的情況下能量轉(zhuǎn)移效率比較低，所以變壓器的均衡更加適合該方案。該方案的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

初級(jí)的線圈是對(duì)每一組的單體電池配備一個(gè)均衡變壓器，讓變壓器連接單體線圈。次級(jí)線圈是指變壓器連接到整組電池的線圈。在電池工作過(guò)程中，如果BATn的電壓比較低，那么可以啟動(dòng)這一組的充電平衡。第一步要開(kāi)通次級(jí)線圈的MOSFET，讓Rno來(lái)測(cè)量次級(jí)線圈中的電流，當(dāng)其中的電流達(dá)到預(yù)先設(shè)置的電流時(shí)，要斷開(kāi)次級(jí)線圈的MOSFET，并且要打開(kāi)初級(jí)線圈的MOSFET，讓次級(jí)線圈的能量轉(zhuǎn)移到初級(jí)線圈中，讓初級(jí)電路對(duì)電池單體進(jìn)行充電。如果BAT（n-1）電池單體的電壓比較高，那么就要啟動(dòng)這一組電池單體的放電平衡。首先要打開(kāi)初級(jí)線圈中的MOSFET，讓R（n-1）i來(lái)測(cè)出初級(jí)線圈的電流，當(dāng)達(dá)到設(shè)置的電流時(shí)，再切斷初級(jí)線圈中的MOSFET，這時(shí)初級(jí)先前的能量就會(huì)轉(zhuǎn)移到次級(jí)線圈，再通過(guò)次級(jí)電路對(duì)整組電池進(jìn)行充電。

3 研究總結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)目前常用估算方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)場(chǎng)合進(jìn)行分析，本項(xiàng)目采用的SOC估算方法為安時(shí)法結(jié)合開(kāi)路電壓法。安時(shí)法的精度比較高，是比較常用的SOC估計(jì)方法。而開(kāi)路電壓法可以彌補(bǔ)安時(shí)法的不足之處，提供電池充放電停止的指示。所以，將這兩種方法結(jié)合起來(lái)可以準(zhǔn)確地估算電池在各種情況下的SOC值，既安全又可靠。（2）通過(guò)對(duì)這些均衡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)的分析，要根據(jù)電池組運(yùn)行的實(shí)際情況來(lái)選擇是否可以進(jìn)行充放電雙向均衡技術(shù)，來(lái)達(dá)到平衡電池組不一致的情況。這些均衡技術(shù)可以彌補(bǔ)電阻放電技術(shù)中放電不足和變壓器只能單向充電的問(wèn)題，并且均衡電流可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行設(shè)定，大大提高了均衡效率。

4 研究意義

通過(guò)研究設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓和溫度、工作電流、絕緣電阻的檢測(cè)、對(duì)電池組動(dòng)態(tài)均衡、SOC、SOH的估測(cè)、以及電池故障分析和在線報(bào)警、與車載控制器通訊等功能，能夠較好地解決因電池使用過(guò)程中電壓過(guò)大、電流過(guò)大以及溫度過(guò)高導(dǎo)致電池壽命急劇衰減的問(wèn)題，防止出現(xiàn)電池著火或者爆炸等嚴(yán)重威脅駕乘人員人身安全等問(wèn)題，對(duì)進(jìn)一步提高動(dòng)力電池的安全性，延長(zhǎng)使用壽命，減少使用和維護(hù)成本有很重要的意義，也增加了經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：馮勇（1974-），男，漢族，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，本科。研究方向：新能源汽車、汽車電控技術(shù)。