陶銀鵬

（海馬轎車有限公司）

1 前言

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）是在電動(dòng)汽車使用過(guò)程中具有檢測(cè)電池能量的消耗量并預(yù)測(cè)電池剩余電量等功能的綜合性電子控制系統(tǒng)。制約電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵因素是車載動(dòng)力電池技術(shù)的相對(duì)落后，尤其是BMS的相對(duì)落后[1]。實(shí)踐表明，在電動(dòng)汽車使用過(guò)程中，良好的BMS可以有效維護(hù)電池組的一致性，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確估算剩余電量等，還可向整車控制提供必要參數(shù)以便于對(duì)電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。本文綜合國(guó)內(nèi)、外的一些先進(jìn)成果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種分布式電池管理系統(tǒng)[2]。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本文的電池管理系統(tǒng)依據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 897-2011《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》設(shè)計(jì)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)與定義、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志等。

QC/T 897-2011標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)具有以下功能:

a.監(jiān)測(cè):對(duì)包括電壓、電流、絕緣阻抗、通斷情況、SOC等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及顯示。

b.計(jì)算:根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算電池的SOC、SOH（State of Health,健康狀態(tài)）、放電及充電功率限制、電池壽命、車輛剩余續(xù)駛里程等。

c. 通信:BMS內(nèi)部和外部都需要通過(guò)可靠的通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

d.保護(hù):涵蓋故障診斷和故障處理兩方面內(nèi)容，包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、低溫、高溫和短路，以及協(xié)調(diào)電池安全和車輛運(yùn)行安全。

e.優(yōu)化:電池組的平衡、電池容量計(jì)算和電池壽命優(yōu)化。

f.其他:高壓互鎖、絕緣檢測(cè)。

2.2 總體方案

車載動(dòng)力電池系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，常處于強(qiáng)電磁干擾及脈沖電流的干擾中，集中式電池管理系統(tǒng)無(wú)法滿足安全性和可靠性要求，需要采用分布式結(jié)構(gòu)，即多個(gè)分布子系統(tǒng)并聯(lián)，采用CAN總線進(jìn)行通信連接，組成一個(gè)統(tǒng)一可靠的電池管理系統(tǒng)[3]。

根據(jù)電池管理系統(tǒng)的功能、可靠性和安全性，可將其分為主控模塊板、高壓模塊板和分布測(cè)量模塊板，各模塊間采用CAN總線通信，如圖1所示。

整個(gè)電池管理系統(tǒng)分散布置，模塊間利用CAN總線互相連接，保證了對(duì)電池包電壓和電流的同步測(cè)量，且分布測(cè)量模塊的數(shù)量可隨電池模塊數(shù)量的變化隨意調(diào)整，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 電路設(shè)計(jì)

主控模塊包括系統(tǒng)電源、輸入檢測(cè)、繼電器控制和通信接口等電路[4]，采用Microchip的PIC24HJ256 GP610作為處理器；電源部分使用TPS5420D和NCP565D2T33G作為電源芯片，為系統(tǒng)提供正常工作所需的電壓；使用光耦A(yù)B26S作為外圍輸出控制的隔離；此電路有3路CAN接口，采用CTM1040作為CAN收發(fā)器模塊，使用MCP2515作為CAN收發(fā)器與處理器間的通信轉(zhuǎn)換，分別與整車控制器、監(jiān)控上位機(jī)、高壓模塊控制板和分布測(cè)量模塊板進(jìn)行CAN通信，并為高壓模塊控制板和分布測(cè)量模塊提供3路12VDC電源。

3.1.2 SOC算法

由于電池包處于不同狀態(tài)時(shí)，的剩余電量特性差別很大，本系統(tǒng)采用開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法相結(jié)合的SOC估算方法，使用卡爾曼濾波法進(jìn)行修正，估算精度誤差控制在5%以內(nèi)[5]。

根據(jù)電池狀態(tài)分別采用相應(yīng)的SOC計(jì)算方法。當(dāng)電池停止工作后，電流為零，無(wú)極化現(xiàn)象，其SOC值與開(kāi)路電壓有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接獲得SOC值[6]；當(dāng)電池進(jìn)入充、放電狀態(tài)后，以靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的SOC相關(guān)參數(shù)作為基數(shù)，采用安時(shí)積分法計(jì)算SOC值。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)高壓模塊實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓和電流數(shù)據(jù)計(jì)算電池釋放或充入的安時(shí)數(shù)，以此來(lái)進(jìn)行SOC估算。當(dāng)電池模塊的單體電壓下降到放電截止電壓時(shí)，SOC復(fù)位為0；當(dāng)電池模塊的單體電壓上升到充電截止電壓時(shí)，認(rèn)為電池已經(jīng)充滿，此時(shí)SOC 置為 100%[6]。

由于電池靜止?fàn)顟B(tài)和充、放電狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換狀態(tài)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，采用安時(shí)積分法和開(kāi)路電壓法來(lái)計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)SOC值有較大誤差，故需要對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的SOC進(jìn)行校正[7]。

SOC計(jì)算流程如圖2所示。

3.2 高壓模塊設(shè)計(jì)

高壓模塊包括總電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、絕緣阻抗檢測(cè)和通信接口等電路。高壓模塊采用PIC33FJ128GP804作為處理器；電壓檢測(cè)使用電壓跟隨器電路將測(cè)得的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放LTC2464傳輸給處理器；電流檢測(cè)使用差分放大器電路將測(cè)得的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放LTC2464傳輸給處理器；采用CTM1040作為CAN收發(fā)器模塊用來(lái)和主控模塊通信；絕緣阻抗檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在高壓模塊上。

圖3、圖4和圖5分別列出了高壓模塊的總電壓采集電路、總電流采集電路和絕緣阻抗檢測(cè)電路。

3.3 分布測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 電路設(shè)計(jì)

分布測(cè)量模塊主要實(shí)現(xiàn)單體電壓測(cè)量、溫度測(cè)量、均衡管理和通信接口等功能。分布測(cè)量模塊采用PIC24F16KA101作為處理器；采用凌特公司的LTC6802專用芯片進(jìn)行電壓采集、溫度采集和均衡管理；采用CTM1040作為CAN收發(fā)器模塊用來(lái)和主控模塊通信。每個(gè)分布測(cè)量模塊可最多進(jìn)行12路信號(hào)采集、12路均衡控制和2路溫度監(jiān)測(cè)。

3.3.2 均衡策略

電池模塊的均衡策略分為充電均衡、放電均衡和動(dòng)態(tài)均衡3種。充電均衡是在充電過(guò)程中、后期，單體電壓達(dá)到或超過(guò)截止電壓時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作，減小單體電流，以限制單體電壓不高于充電截止電壓。放電均衡是在電池組輸出功率時(shí)，通過(guò)補(bǔ)充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓。與充電均衡和放電均衡不同，動(dòng)態(tài)均衡不論在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)，還是浮置狀態(tài)，都可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)組中單體電壓的平衡，實(shí)時(shí)保持相近的荷電程度，盡管單體之間初始容量有差異，工作中卻能保證相對(duì)的充放電強(qiáng)度和深度的一致性，漸進(jìn)達(dá)到共同的壽命終點(diǎn)。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)均衡策略。

圖6以錳酸鋰電池為例來(lái)說(shuō)明分布測(cè)量模塊利用LTC6802進(jìn)行電池包的均衡管理策略。本系統(tǒng)采用的均衡控制策略為:在對(duì)電池包進(jìn)行充、放電時(shí)，若電池模塊最大電壓不超過(guò)4 V，分布測(cè)量模塊不啟動(dòng)均衡功能；當(dāng)電池模塊最大電壓超過(guò)4 V時(shí)，啟動(dòng)均衡功能；當(dāng)電池模塊的最大電壓與最小電壓之差大于20 mV時(shí)，啟動(dòng)LTC6802的均衡功能，通過(guò)放電電阻對(duì)電壓最大的電池模塊進(jìn)行放電，直至最大模塊間最大壓差縮小至20 mV時(shí)停止均衡。

3.4 充電管理

3.4.1 充電通信管理

在電池包充電過(guò)程中，需要電池管理系統(tǒng)完成對(duì)充電機(jī)及整個(gè)充電過(guò)程的控制，以便安全的進(jìn)行充電管理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵照電動(dòng)汽車充電接口及通信協(xié)議4項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)之間采用CAN總線通信協(xié)議進(jìn)行通信。

在充電過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)的CAN總線必須實(shí)時(shí)保持通信，當(dāng)電池管理系統(tǒng)的充電允許位為低電平時(shí)，嚴(yán)禁啟動(dòng)充電功能，若充電機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，則立即停機(jī)；若通信中斷時(shí)間>10s則認(rèn)為通信中斷，不允許充電，充電機(jī)停止工作；當(dāng)電池的最高溫度超過(guò)最高允許溫度后，充電機(jī)也應(yīng)立即停止充電；若充電機(jī)發(fā)生故障，充電機(jī)進(jìn)行自身保護(hù)，也會(huì)停止工作。

3.4.2 充電控制策略

根據(jù)動(dòng)力鋰電池特性，電池管理系統(tǒng)對(duì)充電過(guò)程采用先恒流再恒壓的方法進(jìn)行充電。

在恒流段充電過(guò)程中，當(dāng)電池的最高允許充電電流大于充電機(jī)的最大輸出電流時(shí)，按照充電機(jī)的最大輸出電流充電；當(dāng)電池管理系統(tǒng)提供的最高允許充電電流小于或等于充電機(jī)的最大輸出電流時(shí)，按照電池管理系統(tǒng)的最大允許充電電流充電。

在充電過(guò)程中，充電機(jī)需要接收電池管理系統(tǒng)發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)（包括端電壓、最高電池模塊電壓和最高溫度）和充電限制參數(shù)（包括最高允許充電端電壓、電池模塊最高允許充電電壓和最高允許溫度），并進(jìn)行比較，當(dāng)電壓達(dá)到充電截止電壓后，充電機(jī)進(jìn)入恒壓充電過(guò)程，降低充電電流，保障充電過(guò)程不過(guò)壓；當(dāng)充電機(jī)的充電電流小于電池管理系統(tǒng)設(shè)定充電截止電流時(shí)，充電機(jī)停止充電。

3.5 BMS監(jiān)控界面

圖7為分布式BMS的上位機(jī)監(jiān)控顯示界面，可以分別監(jiān)控顯示系統(tǒng)的CAN總線、分布模塊、主控模塊和高壓模塊的工作過(guò)程狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可擴(kuò)充性好，對(duì)電池組的SOC狀態(tài)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確；能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，有效控制高壓線路的通斷，保證用電安全性和可靠性；能夠有效進(jìn)行電池模塊的一致性維護(hù)，提高電池包的使用壽命；能夠有效完成與充電機(jī)的通信控制，保證電池包不會(huì)發(fā)生過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象。

1 Cheng K W E，Divakar B P,et al.Battery Management System （BMS） and SOC Development for Ele-ctrical Vehicles.IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.60， no.1， pp.76-88，Jan.2011.

2 Gould C R，Bingham C M，et al.New battery model and state-of-health etermination through subspace parameter estimation and state-observer techniques.IEEE Trans.Veh.Technol.， vol.58，no.8，pp.3905-3916， Oct.2009.

3 Lee Y J，Khaligh A， et al.Advanced integrated bidirectional AC/DC and DC/DC converter for plug-in hybrid electric vehicles， IEEE Trans.Veh.Technol.，vol.58，no.8，pp.3970-3980，Oct.2009.

4 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第3版.北京:高等教育出版社，2000.

5 馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).第3版.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2003.

6 張巍.純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究:[學(xué)位論文].北京:北京交通大學(xué)，2008.

7 朱元，韓曉東，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池SOC預(yù)測(cè)技術(shù)研究.電源技術(shù)，2008.1:153～156.

8 陳清泉，等.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.