電動汽車電池管理系統設計與研究

柳曉東，袁 清

（濰柴動力股份有限公司新科技研究院，山東 濰坊 261000）

汽車的快速發展帶來了嚴重的環境污染，能源危機也愈加嚴重，國家已在戰略層面支持電動汽車的發展以緩解目前暴露的各項問題。動力電池作為電動汽車的主要能量源，對電動汽車的綜合性能起著決定性作用，因此，對電池管理系統的研究刻不容緩。隨著環境污染與能源危機越來越嚴重，中國已將電動汽車作為國家的重大發展戰略［1］。與內燃機汽車不同，電動汽車以動力電池為整車的主要能量來源，對于純電動汽車來說，動力電池更是整車的唯一能量來源。電池管理系統 （BMS）主要負責對動力電池的狀態采集、充放電控制和故障判斷等，該系統性能的優劣對整車安全性和續駛里程等起著決定性作用［2-3］。

本文以三元鋰電池為研究對象，開發了一款電池管理系統，可以實現對動力電池狀態的采集，電池荷電狀態（SOC）、電池總壓和絕緣電阻的計算，能根據電池狀態判斷電池是否發生故障并對繼電器進行控制。

1 電池管理系統方案設計

在本文中，采用“一主多從”的分布式結構設計電池管理系統。主控 （BCU）主要功能包括采集電池總壓和總電流、計算絕緣電阻、SOC和控制高壓上下電，發送電池的各項信息至上位機，滿足上位機的顯示需要；從控 （BMU）用來采集單體電壓和溫度，并執行電池單體的被動均衡，從控通過內CAN與主控通信。

2 電池管理系統各模塊功能設計

2.1 單體電壓和溫度采集

根據實際需求，不同電池包內單體數量各有不同，從幾串、十幾串甚至到幾百串，為了保證電池包及整車能安全穩定地運行，必須對單體電壓和溫度進行精確采集，當BMS判斷電池單體狀態出現異常，可以立即采取相應的處理措施［4］。

在本文中，BMU單體電壓和溫度采集功能的流程如圖1所示。

圖1 單體電壓和溫度采集流程圖

2.2 動力電池總壓計算

電動汽車動力電池總壓高達幾百伏，而一般芯片的模擬量采集電壓不超過5V，因此，在本文中采用電阻分壓法來采集電池總壓，采用高精度電阻根據電池總壓范圍設計分壓電路，使接入芯片的電壓滿足使用要求，在程序中對采集到的電壓值按分壓電阻比例進行還原計算，即可得到動力電池的總壓值。

2.3 動力電池總電流和SOC計算

電流不僅可以作為電池過放電或過充電的依據，更重要的是目前Ah積分法計算SOC直接使用該電流值，因此，保證電流測量精度至關重要。

SOC是指電池的荷電狀態，一般使用電池實際剩余容量占額定容量的百分比來表示［5］。目前，SOC的計算一般采用安時積分法，通過對電流進行積分即可求得電池實際充電或放電容量，再依據額定容量值即可求出電池的SOC。

開路電壓法是利用電池開路電壓與SOC的對應關系，在電池靜置一段時間采集到單體電壓后對電池SOC進行修正。

在本文中，采用了安時積分法作為SOC計算的基本算法，在進行安時積分時，根據電池健康程度和電池溫度作為補償，并使用開路電壓法作為SOC修正。

2.4 絕緣電阻計算

電動汽車的高壓可達幾百伏，若行駛過程中出現“漏電”情況，對人的生命安全會產生巨大威脅，因此，BMS必須具備電動汽車絕緣電阻計算功能［6］。在本文中，計算絕緣電阻的原理如圖2所示。

圖2 絕緣電阻計算原理

根據圖2，絕緣電阻計算步驟如下。

1）以動力電池搭鐵點②為參考，測出動力電池電壓VB。

2）閉合開關1，斷開開關2，測出③點電壓VP。

3）斷開開關1，閉合開關2，測出③點電壓VN。

根據測量的VB、VP、VN和定值電阻R，即可求得RP、RN（即是正極和負極對車架的絕緣電阻值）。

3 測試仿真

BMS高壓上下電試驗是使用CAN報文收發設備模擬整車控制器發出上下電指令，觀察繼電器動作、狀態和電壓變化情況來確認功能是否正常，BMS高壓上下電試驗結果如圖3所示。BMS充放電與SOC驗證試驗是使用充放電設備控制電池先放電一段時間，再充電同樣時間，觀察電流和SOC變化確認功能是否正常，BMS充放電與SOC驗證試驗結果如圖4所示。

從圖3可以看出，電池總壓采集正常，BMS可以根據整車控制器的上下電指令執行正確的上下電動作。

從圖4可以看出，在恒流充、放電的工況下，BMS可以進行正確的電流采集和SOC計算。

圖3 BMS高壓上下電試驗

圖4 BMS充放電與SOC驗證試驗

4 結論

本文設計了“一主多從”分布式結構的電池管理系統，根據實際使用設計了包括電池電壓采集、電流采集、SOC計算、絕緣電阻計算等功能。使用充放電設備和三元鋰電池搭建了BMS測試臺架，完成了臺架試驗，驗證了所設計功能的可行性。雖然該電池管理系統已經通過了臺架試驗，但在電池熱管理和故障診斷方面還有較大欠缺，對于成熟的產品來說，該部分功能的實現可能更具有意義，后續應繼續研究，開發出具有完整功能的電池管理系統。