電池管理系統均衡策略測試方法

楊法松，吉 祥，曾國建，占禮葵

（1.安徽銳能科技有限公司，安徽 合肥 230009；2.中國科學院 合肥技術創新工程院，安徽 合肥 230009）

能源大量耗費與環境污染是本世紀的兩大難題。為了減輕能源和環境污染的負擔，我國大力發展新能源汽車，其中主要就是發展電動汽車。電動汽車的三個核心部分中，電池管理系統（Battery Management System, BMS）可以說是三個核心中最重要的部分。電池均衡管理是通過控制單體電池之間電壓差在很小數值的方式，以實現延長電池組整體壽命。因此電池的均衡邏輯成為當前BMS研究的重要組成部分。

很多工程師針對電池的均衡策略進行研究，胡浪、喬俊叁在充電模式下鋰離子電池組主動均衡控制方法研究中提出充電模式下基于雙向Buck-Boost拓撲結構的主電路主動均衡控制系統；張人杰、李聰在鋰電池組新型分層均衡控制策略中設計提出了一種新型均衡控制策略，該控制策略把電池組分為2層，分別為底層和頂層,底層和頂層使用不同的控制策略，且底層和頂層控制策略是相互獨立的。底層為多電平橋臂電路和單體電池并聯的方式，頂層是以電感作為能量轉移載體的均衡方式。賈佳鵬、吳文金、胡志冬在電池組均衡電路的真正作用及新方法中提出一種由大電流開關器件逐個切除已放電完畢的衰減單體的電路結構，具有簡單高效、低成本的特點。

由此，BMS均衡邏輯的測試成為驗證這些策略是否實現邏輯功能的必要手段。

1 BMS均衡測試方案

本文為了詳細闡述均衡邏輯的測試方法，在此選擇當前比較流行的被動均衡邏輯為測試對象。

1.1 均衡策略

BMS采用被動式均衡方案，通過功率電阻釋放容量偏高的電池電量。硬件設計方面，板上每個均衡回路上共有4個30 Ω，0.25 W的功率電阻以及2個1 Ω，0.25 W的防浪涌電阻，回路等效均衡電阻為32 Ω，均衡電流峰值可達100 mA，實際使用過程中通過脈沖寬度調制（Pulse With Modulation, PWM）控制技術使均衡電流控制在30 mA～50 mA。均衡金氧半場效晶體管（Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）為MAX17823片內集成 MOS（MOSFET），具備 MOS短路故障診斷功能，均衡的開啟采用奇偶開啟方式，每12 s單體最多開啟6 s。

充電均衡，當單體電壓大于3.5 V時，開始更新單體電池均衡信息，超過3.5 V且高于平均電壓的電池被記錄在帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable read only memory,EEPROM）中，并且根據單體電壓與平均電壓的差大于0.3 V開啟均衡。放電階段均衡，在放電階段，導入被存儲在EEPROM中的均衡電池信息，結合靜置上電后的均衡信息，單體荷電狀態（State of Charge, SOC）低于平均SOC的不需要再均衡，高于平均SOC的單體電池開啟均衡。均衡關閉條件為：

1.單體電壓低于3.2 V時，對應電池均衡關閉；

2.單體電壓低于平均電壓值，對應電池均衡關閉；

3.均衡板溫度高于65 ℃，對應電池管理單元（Battery Management Unit, BMU）的均衡功能關閉；

4.檢測到 BMS硬件故障（含 BMU/內網通信故障）時，則所有均衡功能關閉；

5.單次連續均衡的時間超過3小時，則暫停均衡；

6.整車供電電壓低于9 V時，暫停均衡。

1.2 均衡測試方法總體框架

為了實現電池均衡功能的觸發，必須給BMS一個完整的工作環境，本方案采用硬件在環（Hardware In the Loop, HIL）測試機柜給BMS搭建工作所需的硬件和總線閉環的工作環境。

如圖1所示，BMS控制器與下位機的控制器局域網絡總線（Contrcller Area Neark, CAN）板卡、I/O板卡、電阻板卡、單體板卡相連；上位機控制下位機仿真CAN信號、I/O信號，電阻信號和單體電壓信號給BMS接收；上位機通過下位機采集BMS發出的總線信號；上位機控制程控電源給BMS和板卡供電。為了實現 BMS正常工作，可以進充電和放電，通過模型控制實現BMS的控制閉環，如圖2所示。

圖1 均衡測試方法總體框架

圖2 BMS控制閉環模型

模型Power Control模塊控制BMS所需的供電；BMS_IO模塊控制BMS所需的電子鎖、單體電壓、溫感、高壓信號給 BMS，同時采集 BMS控制的繼電器信號；BMS_CAN_BUS模塊仿真VCU、充電樁、MCU等模塊的總線報文，同時采集 BMS發送的總線報文；Model模塊實現 BMS所需電氣環境和Soft ECU閉環。

1.3 BMS功能的實現

搭建完成的 BMS_HIL測試平臺需要驗證可以實現BMS的功能，然后才能測試驗證均衡功能。圖3為BMS進入放電功能時，主負、預充和主正繼電器吸合時序，可見在進入放電過程中先吸合主負，然后吸合預充，當預充吸合一段時間總壓穩定，吸合主正斷開預充繼電器，完成放電流程。

圖3 BMS進入放電功能時序圖

圖4為BMS進入充電功能時，控制和繼電器響應時序，可見在觸發充電過程中先吸合主負，然后吸合慢充繼電器，完成充電流程。

圖4 BMS進入充電功能時序圖

2 BMS均衡邏輯測試驗證

根據被動均衡邏輯，編寫被動均衡測試用例見表1，然后根據表1的測試用例執行測試，驗證均衡邏輯。

表1 被動均衡測試用例

根據測試用例，針對BMS的被動均衡進行測試，測試結果如圖5所示。由圖5可知，當單體1單體電壓3.53 V時，與其他單體電壓壓差達到0.3 V時進入充電；單體 1開啟均衡；可以看到均衡電流44 mA左右；可以驗證均衡開啟條件和均衡電流是否符合要求。

圖5 被動均衡條件測試結果

進入均衡后，將開啟均衡的單體電壓降低，使與平均單體電壓小于0.3 V，如圖6所示。開啟均衡的單體關閉均衡，均衡電流降低到10 mA。

圖6 被動均衡控制測試結果

3 結論

本文介紹了當前新能源發展和主流的電池均衡研究方向，以此開展開研究，選取一種均衡策略進行研究測試方法。通過制定測試方案和編寫測試用例，進而對該方法進行驗證，發現該方法能夠準確的實現對均衡邏輯的測試驗證。后期可以完善測試用例和工程可以實現對其他均衡方向邏輯的測試驗證，因此具有較好的理論價值和實際意義。