新能源汽車鋰電池管理系統研究與設計解析

李杰才

摘 要：隨著我國經濟的發展，人們對于汽車的需求逐步提高，這極大促進的汽車行業的發展。能源的枯竭使得新能源汽車逐步走進我們的視野。電池管理系統（BMS）是新能源汽車重要組成部分，在確保行車安全的同時，提高運行效率，進而提升鋰電池使用壽命。

關鍵詞：新能源汽車；鋰電池；管理系統

一、新能源汽車鋰電池管理系統簡述

新能源汽車有四大組成部分，包括驅動電機及控制組、整車控制技術、汽車供電電池組和鋰動力電池管理系統。新能源汽車鋰電池管理系統（BMS）俗稱電池保姆或電池管家，是連接車載動力電池和電動汽車的重要樞紐。主要功能就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。

二、新能源汽車鋰電池管理系統特點

電池管理系統無論在車輛運行過程中還是在充電過程中都要可靠的完成電池狀態的實時監控和故障診斷，并通過總線的方式告知車輛集成控制器或充電機，以便采用更加合理的控制策略，達到有效且高效使用電池的目的。一個成功的電動汽車電池管理系統需要具備以下一些基本特點：

（1）完善的系統功能

BMS具備電池狀態的實時監控、數據處理、故障分析和定位、SOC 估算、數據傳輸、運行數據存儲、數據轉儲和數據庫管理等功能。

（2）檢測精度高

電壓檢測方面，BMS采用浮地的電壓檢測結構和采用專用雙積分ATD芯片，充分考慮充電時電網的交流紋波影響，有效地解決了共地的問題，避免了累積誤差，使得電壓檢測的精度達到0.5%；溫度檢測方面，在保證溫度誤差在±0.5℃的范圍內的前提下還充分考慮溫度傳感器的可擴展性；電流檢測方面，采用全范圍、等精度的傳感器和高精度專用集成芯片，滿足電流檢測和能量累積的需要，使得電流檢測的精度達到0.5%。

（3）接口簡單

為便于用戶使用，BMS在保證上述功能的同時，對外輸出接口進行了簡化，對外連接只包括電源線和通訊線。

（4）齊備的輔助設備

為了簡化用戶的操作和增強系統的直觀性，電池管理系統設計了便攜式故障診斷和數據存儲儀，實現了故障的診斷和定位，大大增強了現場解決電池故障的能力。

三、新能源汽車鋰電池管理系統檢測指標

一般要實現以下幾個功能：首先，準確估測動力電池組的荷電狀態，即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態。

其次，動態監測動力電池組的工作狀態。在電池充放電過程中，實時采集電動汽車蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發生過充電或過放電現象。同時能夠及時給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性，使剩余電量估計模型的實現成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進一步優化和開發新型電、充電器、電動機等提供資料，為離線分析系統故障提供依據。

最后，實現單體電池間的均衡，即為單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。均衡技術是目前世界正在致力研究與開發的一項電池能量管理系統的關鍵技術。

四、新能源汽車鋰電池管理系統硬件結構設計

鋰電池在使用過程中，工作溫度、電流、電壓要控制在合理范圍內，并實時關注鋰電池狀態參數。過放電或過充電都會對其使用壽命產生負面影響，并帶來一定的安全隱患。鋰電池管理系統應具備以下功能：狀態估計、故障診斷、數據顯示、安全管理、熱管理（溫度控制）、數據采集（溫度、電壓、電流）、能量管理（充電機、負載）、數據通訊（上位機、整車控制器）等。

為了使鋰電池能在相對安全的環境下運行，特別是數量較多的電池進行串聯時，對鋰電池管理系統來說，就提出了更高要求。要能夠精確采集電壓、電流數據。系統穩定性要強，且具備一定的抗干擾能力。系統響應時間要盡肯能短，并能夠對電池進行實時保護。當所需處理的數據較多時，鋰電池管理系統要具備強大的處理功能。

在對能源汽車鋰電池管理系統硬件結構進行設計時，上層的主控制器為DSP，實現對系統的控制與計算任務，主要包括報警處理、數據處理、充放電控制、均衡管理、計算荷電狀態以及對鋰電池的電壓、電流溫度進行實時采集等。

底層的控制器則由單片機組成。單片機主要負責對均衡單元、電壓以及溫度進行采集，并將實時采集信息通過CAN通訊傳送到主控制器DSP中。主控制器DSP根據所傳的單體電池狀態、鋰電池電壓及電流溫度、電池電量等數據，對下層的控制器進行控制，對運行過程及充放電情況進行實時監測。

鋰電池管理系統中的開關量較多，為了確保控制器系統和低邊開關系統能夠有效隔離和電平匹配，要將微控制器XMC4500指令先通過SN74LV4245進行轉換，再進入TLE6220的輸入端進行繼電器的控制。

結束語

新能源汽車鋰電池管理系統是新能源汽車技術的重要組成部分，能夠直接影響新能源汽車的安全運行。將電池電壓溫度、充放電控制、計算主控制器荷電狀態進行分離控制，能有效實現鋰電池管理系統監測，并使新能源汽車產業更加快速的發展。

（作者單位：湖南人文科技學院）