何忠霖，彭憶強，丁宗恒

(西華大學汽車與交通學院，四川成都 610039)

0 引言

近年來，隨著汽車保有量越來越大，能源危機日益凸顯，環(huán)境污染日益嚴重，發(fā)展新能源汽車成為各國汽車行業(yè)解決這兩大難題的關鍵。純電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，已逐漸成為替代傳統(tǒng)化石燃料汽車，作為短距離出行交通工具的不二選擇。眾所周知，電動汽車動力電池組高成本是導致電動汽車價格居高不下的原因，其有限容量導致的低續(xù)駛里程問題也是制約純電動汽車大規(guī)模普及的技術瓶頸。BMS(Battery Management System，電池管理系統(tǒng))作為實現(xiàn)動力電池組能量管理、熱管理、重要參數(shù)(電壓、電流、溫度)信息采集、通信及存儲、SOC(State of Charge)估算、電池均衡、安全管理等功能的重要電控系統(tǒng)，其性能優(yōu)越與否也在一定程度上決定了純電動汽車的續(xù)駛里程及電池組的使用壽命。

BMS作為純電動汽車電控系統(tǒng)至關重要的一部分，其發(fā)展受到各個國家重視。美國、日本及歐洲各國對BMS的研究時間比我國早20年，他們對BMS的理論基礎和開發(fā)BMS的實驗設備投入了大量精力，建立了關于鋰電池不同的數(shù)學模型，做了大量實驗，對不同模型下的控制算法進行了研究。時至今日，國外已開發(fā)出了各種先進的BMS系統(tǒng)，具有代表性的是BADICHUQ系統(tǒng)、Smart Guard系統(tǒng)、Bat Opt系統(tǒng)、BATTMAN系統(tǒng)[1]。它們實現(xiàn)的方法不同，但基本功能幾乎一致。

雖然我國對BMS的研發(fā)起步較晚，但通過國家對新能源汽車發(fā)展的大力支持，再加上部分高校依托自身科技優(yōu)勢，與大的整車廠及電池生產(chǎn)商相合作的跨部分研發(fā)、生產(chǎn)方式，不斷縮短我國與國外先進BMS水平差距。如北京交通大學自1999年起，一直致力于BMS與電動汽車的研發(fā)工作。形成了包括電動汽車國家試運行示范區(qū)、北京121示范線、北京奧運電動大巴、北京公共交通控股有限公司等電動汽車電池管理系統(tǒng)[2]。BMS 作為電動汽車關鍵零部件之一，近年來雖然性能有很大提高，但在數(shù)據(jù)采集的可靠性、SOC估算精度、均衡技術和安全管理等方面還有待進一步改進和提高[3-4]。

1 BMS關鍵技術的基本組成及工作原理

BMS是一個含電池重要參數(shù)采集、電池狀態(tài)分析、能量控制管理、熱控制管理、電池安全保護、數(shù)據(jù)通信與儲存的協(xié)同處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)關鍵技術基本組成

BMS主要工作過程是通過對電池模組電壓、單體電池電壓、串聯(lián)電流、電池工作溫度等參數(shù)的采集，并建立合適的電池模型，運用一定算法，對電池SOC進行估算及實現(xiàn)對電池老化程度(State of Health，SOH)評判；同時電池安全保護系統(tǒng)通過判定電池在充電、放電過程中電壓、電流、溫度等參數(shù)是否超過預設閾值來實現(xiàn)動作，起到對電池的保護作用；當電池在充電、放電的過程中，能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)將啟動，能量管理系統(tǒng)通過優(yōu)化充電、放電時電流大小和對單體電池進行電壓均衡，保障電池在使用過程中高庫侖效率、充電效率和放電效率，增加電動汽車續(xù)駛里程，熱管理系統(tǒng)的作用是讓電池處于最佳工作溫度區(qū)間5～35 ℃，且電池組最大溫差不超過6 ℃,最大限度延長電池組使用壽命[5]。最后通過數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)與其他控制器間的信息傳遞，通過分析存儲的歷史數(shù)據(jù)能更高效地處理產(chǎn)生的故障。工作原理圖如圖2所示。

圖2 BMS工作原理圖

2 BMS關鍵技術現(xiàn)狀分析

2.1 軟件BPM

軟件BPM是美國某公司對純電動汽車電池管理系統(tǒng)的概念定義，其主要功能是采集和檢測電池模組和單體電池電壓，對電池電流進行采集處理，通過溫度傳感器對電池溫度進行采集。通過上述測量參數(shù)實現(xiàn)SOC估算和電池老化程度評估，同時完成對采集數(shù)據(jù)的不同處理，如向駕駛員提供電池狀態(tài)信息、警告信息，向其他控制器傳遞電池參數(shù)數(shù)據(jù)，通過保存電池歷史狀態(tài)信息便于對電池進行管理維護等，軟件BPM是BMS的心臟。

2.1.1 電池重要參數(shù)采集

一般來講，電池重要參數(shù)包括電池模組電壓、單體電池電壓、串聯(lián)電池模組電流、電池極柱溫度、SOC、 SOH、 自放電率、電池循環(huán)使用壽命。需要精確測量的是電壓、電流、溫度，其他參數(shù)可通過特定算法或大量充、放電實驗獲取。

常見的電池電壓采集檢測芯片有ADI公司推出的AD7280芯片，Linear公司推出的LTC6802、 LTC6803芯片，美信公司推出的MAX11068芯片。電流可通過霍爾傳感器測得，溫度可通過熱敏電阻測得。

2.1.2 SOC估算方法

目前，常見的SOC估算方法有：

(1)開路電壓法。依據(jù)SOC與開路電壓OCV(Open Circult Voltage)之間的單調關系。在標準條件下(25 ℃，1個標準大氣壓，相對濕度15%～90%)，以較小的充、放電倍率進行充放電，通過大量實驗，測得SOC-OCV曲線。因此，只需測取電池組OCV大小，根據(jù)此前已獲取的標準SOC-OCV曲線，即可讀取SOC。該法的局限性是：① SOC-OCV曲線易受到溫度干擾；② OCV必須在電池完全靜置下測得。

(2)安時積分法。這是估算SOC的基本方法，其計算公式如下：

(1)

式中：C為電池額定容量；η為充、放電效率。通過精確測量k-1到k時刻電池流經(jīng)電流，即可計算出該段時間的容量百分比，再與前一時刻SOCk-1相加(充電電流符號為正，放電電流符號為負)，即可得到當前荷電狀態(tài)SOCk。該方法的缺陷是：由于需要精確計量SOC初始值，但實際電池充、放電電流大小并不恒定，導致累積誤差的產(chǎn)生，該誤差會隨時間推移逐漸增大，不能消除。因此常與開路電壓法聯(lián)合使用，采用開路電壓法確定SOC初值SOC0，提高估算精度。

(3)狀態(tài)觀測器法。實質上是構造一個電池系統(tǒng)的等效模型，將與原系統(tǒng)相同的電流、溫度等參數(shù)輸入到新模型，可測得新模型的輸出量，原系統(tǒng)與新模型輸入量一致，構造一定算法將兩系統(tǒng)輸出量差值不斷修正直至接近誤差允許范圍，此時新系統(tǒng)與原模型完全等價。新系統(tǒng)已知狀態(tài)量(通常是SOC)也等效于原模型狀態(tài)量。狀態(tài)觀測器法需保證狀態(tài)變量一定收斂，因此，在設計階段需要較多控制理論知識。

(4)卡爾曼濾波法。 卡爾曼濾波采用預測和校正的思想來估計系統(tǒng)的狀態(tài)。首先，根據(jù)建立的模型計算出狀態(tài)的預測值，然后根據(jù)預測值計算模型輸出值與實際系統(tǒng)輸出量的差值來修正預測值，進而得到較為準確的狀態(tài)估計值[6]。鋰離子電池常采用擴展卡爾曼濾波對電池組SOC進行實時估算。擴展卡爾曼濾波是通過系統(tǒng)狀態(tài)空間模型將動力電池非線性系統(tǒng)進行線性化，然后再利用標準卡爾曼濾波算法的原理對狀態(tài)變量做最優(yōu)估計。為方便理解，給出了如圖3所示方框圖。

其中f( , )為非線性轉移函數(shù)，g( , )為非線性測量函數(shù)，vk為過程噪聲，用來描述狀態(tài)轉移過程中的加性噪聲及誤差的過程噪聲變量，wk為觀測噪聲，用來表述系統(tǒng)輸入量測量時產(chǎn)生的噪聲和誤差。vk、wk均為高斯隨機白噪聲。

圖3 非線性離散時間狀態(tài)模型

(5)神經(jīng)網(wǎng)絡法。神經(jīng)網(wǎng)絡法的核心是基于功能層面，模擬人自組織、自學習能力的一種數(shù)學算法。從結構上可分為輸入層、中間層和輸出層，通過不斷組織并行結構和訓練學習，可以無限逼近鋰離子電池在實際使用過程中的非線性系統(tǒng)。 模型精度受訓練數(shù)據(jù)和訓練方法影響較大。

2.1.3 數(shù)據(jù)通信及存儲方法

BMS必須滿足能和上位機進行通信的功能，通常采用串口方式進行通信。汽車常選用控制器局域網(wǎng)CAN(Control Area Network)串行通信方式。純電動汽車的動力電池管理系統(tǒng)CAN由三部分組成：整車CAN、快充CAN、內網(wǎng)CAN。整車CAN 是指整車控制器與電池管理單元之間的信息傳遞交互；快充CAN是指充電機管理模塊與電池管理單元之間的通信；內網(wǎng)CAN則是指電池管理單元與電機控制管理模塊之間的通信。動力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)儲存在BMS主控制器芯片的程序存儲器中，方便調用和查找。同時，也會在主控制器中設置相關程序周期性清除歷史數(shù)據(jù)，便于存儲實時跟新的參數(shù)。

2.2 能量管理系統(tǒng)

電池組的能量管理包括充電控制管理、放電控制管理和均衡控制管理。充電管理系統(tǒng)設置是否合理關系到電池充電飽滿程度及充電效率，須保證在盡量短時間內以合理的充電方式以及適合的充電倍率將電充滿。放電管理系統(tǒng)的功能主要是匹配純電動汽車行駛過程中不同工況時放電倍率，保證盡可能長的續(xù)駛里程。對串聯(lián)動力電池組而言，其性能是由構成模組的性能最低單體電池決定的，因此電池均衡管理是為了確保充、放電時各單體電池電量基本相等，提高動力電池的整體性能。純電動汽車常用多分組能量管理方式進行充、放電管理。

2.2.1 多分組能量管理

將串聯(lián)電池模組分為不同電池小組，以小組為單位進行管理。劃分規(guī)則是：小組內各單體電池型號相同，容量大致相等。這種能量管理方式的關鍵點在于：

(1)確定參加充、放電小組數(shù)目。串聯(lián)小組數(shù)目是由負載端電壓確定的，并聯(lián)小組數(shù)目是由負載所需電流和小組放電電流決定的，LI等[7]給出了確定串、并聯(lián)電路中參與充、放電電池數(shù)目的具體算法，并引入波動系數(shù)對負載波動導致參與充、放電的電池數(shù)量進行了修正。

(2)各小組充、放電順序的確定。每個小組的剩余電量ρSOC是決定充、放電順序的關鍵因素。表1所示為SOC界定表。

表1 SOC界定表

注：UB為電池小組端電壓，Ucut為電池小組截止電壓。

各小組中F狀態(tài)最多且R狀態(tài)最少時，為放電最理想狀態(tài)；反之，若各小組中R狀態(tài)最多且F狀態(tài)最少時，為充電最佳狀態(tài)。因此，各小組放電優(yōu)先級為：F、G 、Y 、R；充電優(yōu)先級為：R、Y、 G、 F。

定義多分組能量管理方式的控制策略：

①需要確定小組的充、放電數(shù)目。

②對各電池小組進行編號，同時各小組根據(jù)SOC優(yōu)先級得到充電優(yōu)先列表和放電優(yōu)先列表。

③按充、放電優(yōu)先級列表遞減的順序對各小組進行充、放電。當優(yōu)先級相同時，充、放電順序由編號順序確定。

④監(jiān)視各小組SOC，并返回到②。

2.2.2 電池均衡技術研究

電池容量均衡是提高電池組性能、保持電池健康、延長純電動汽車續(xù)駛里程的重要環(huán)節(jié)。按均衡過程可分為充電均衡、放電均衡和動態(tài)均衡；按能量消耗情況，可分為耗散型均衡和非耗散型均衡。

(1)耗散型均衡法。電路結構通常比較簡單，每個耗散模塊由能量消耗電阻和多路控制開關組成。其原理是：當某單體電池電壓高于其他電壓時，開關閉合，電池、開關、電阻形成閉合回路，電池能量被電阻消耗，電壓降低，從而達到均衡目的。這種均衡方式電路結構簡單，但均衡效率低，耗能較高。均衡電路如圖4所示。

圖4 開關控制式均衡電路

(2)非耗散型均衡。常用電容、電感、DC-DC轉換器等具有儲能能力的元器件完成能量在單體電池之間的轉移。比較常見的是開關電容型和Buck-Boost型，開關電容型與電阻耗散型均衡法結構類似，使用電容替代電阻實現(xiàn)非耗散功能，由多路開關完成控制。因此，對DC-DC轉化器法進行具體分析。DC-DC轉化器法按結構可分為集中式和分散式兩種。

①集中式變壓器均衡法。集中式變壓器均衡法的原理是利用多副邊繞組變壓器，以整個電池小組的能量作為電壓源，當監(jiān)測系統(tǒng)判定某組分為低壓單體電池后，通過多副邊繞組對該單體電池進行額外的能量補充，完成均衡[8]。根據(jù)繞組原邊和副邊作用方式的不同，可分為正向激勵和反向激勵兩種。能量均衡過程無能量損耗，且均衡速度較快，但缺點是由于副邊繞組匝數(shù)很難精確匹配，因此均衡精度受到限制。

②分散式均衡法。分散式均衡法是給每個單體電池都配置一個均衡電路，目的是通過均衡電路將能量較高的單體電池的能量轉移到整個電小組或能量較低的單體電池，因此整個系統(tǒng)主要是通過能量的吸收和釋放來區(qū)分[9]。由于給每個單體電池配置的均衡電路結構基本一致，因此整個均衡電路比較容易模塊化，但缺點是整個電路會顯得臃腫復雜。根據(jù)變壓器在均衡電路中拓撲結構可分為隔離型和非隔離型兩種。原理圖如圖5所示。

圖5 分散式均衡法原理圖

2.3 熱管理系統(tǒng)

2.3.1 熱管理系統(tǒng)功能

對于熱管理系統(tǒng)，需具備的一般功能應有：①單體電池和電池模組溫度的監(jiān)測。②當電池組工作環(huán)境溫度過低，電池組實際容量會降低，工作效率降低，系統(tǒng)應對動力電池組進行預熱，直至達到能正常使用的溫度范圍，即系統(tǒng)應具有加熱功能。③當外界溫度過高時，電池組自身充、放電會讓溫度進一步升高，此時電池內部某些活性物質會與電解質發(fā)生不可逆轉的化學反應，電池極板微結構遭到破壞，導致電池容量衰減，加速電池老化，同時充、放電過程產(chǎn)生大量的熱可能會導致電池起火等不安全因素，因此系統(tǒng)應具有制冷功能。④電池組內部各單體電池溫度應盡量保持一致，從而提高電池使用性能和延長電池壽命。⑤能對電池組在使用過程中可能產(chǎn)生的有害氣體進行通風排除。常見的熱管理系統(tǒng)有自然風冷系統(tǒng)、主動式風熱/風冷系統(tǒng)、主動式液熱/液冷系統(tǒng)。

2.3.2 熱管理系統(tǒng)關鍵技術

熱管理系統(tǒng)關鍵技術在于：①熱管理加熱/冷卻形式確定。②決定系統(tǒng)熱管理控制策略。③設計熱管理系統(tǒng)結構組成及完成對執(zhí)行器的選型[10]。④電池箱溫度預測及熱場計算。

2.3.3 熱管理系統(tǒng)控制策略

以溫度為控制對象和目標，采用多溫度區(qū)間對應不同熱管理模式的控制策略。某純電動汽車主動式間接液熱/液冷熱管理系統(tǒng)控制策略如表2所示。

表2 熱管理系統(tǒng)控制策略 ℃

若環(huán)境溫度較高，致使汽車啟動時電池箱溫度在55～65 ℃區(qū)間，溫度傳感器檢測到高溫電池箱后，熱管理系統(tǒng)進入“限功率+制冷”模式，限制電池組大倍率放電的同時，制冷元器件介入工作，制冷的冷卻液流經(jīng)電池箱達到降溫效果。當檢測到電池箱溫度在5～35 ℃時，液冷系統(tǒng)停止工作。為防止熱管理系統(tǒng)在不同模式間頻繁切換，通常給系統(tǒng)設定某溫度區(qū)間的滯回閥值，如±5 ℃，當溫度處于某閾值范圍內時，不進行模式切換，當超過閾值極限時自動轉換模式。低溫時熱系統(tǒng)處理模式與高溫時類似。

2.4 電池安全保護系統(tǒng)

鋰電池使用過程中可能出現(xiàn)的過流、過充、過放、過溫均是潛在的不安全因素。鋰離子電池可以短時間過流，但長時間過流會致使電池使用性能降低，安全性也得不到保障。過充、過放會對電池產(chǎn)生不可逆轉的損傷，甚至可能導致電池產(chǎn)生起火、爆炸等危險。溫度對動力電池影響尤大，由于鋰電池具有在非連續(xù)放電條件下，電池內部活性物質將重新分布使電荷達到平衡狀態(tài)的自恢復效應[11]。因此常溫下鋰電池以某放電倍率放出的電量，是低溫下以相同放電倍率放出的電量與由低溫恢復至常溫后，以相同放電倍率繼續(xù)放電放出電量之和。

電池充電、放電、能量均衡由能量管理系統(tǒng)控制，工作溫度由熱管理系統(tǒng)控制。它們協(xié)調工作，盡量讓電池在最佳環(huán)境下工作。但純電動汽車實際行駛時工況多樣，應有安全保護系統(tǒng)作為電池安全工作的最后屏障。設計安全保護系統(tǒng)的流程如圖6所示。

圖6 故障診斷流程圖

3 結束語

BMS作為電動汽車電控核心之一，已經(jīng)逐漸從純電動汽車發(fā)展到插電式混合動力、增程式混合動力等多型電動汽車。隨著電動汽車的普及，BMS的發(fā)展也會進一步朝著集成化、通用化方向發(fā)展，發(fā)展過程中亟待解決的問題有：

①SOC估算精度。SOC估算通常是基于電池模型和估算算法，但隨著電池的正常使用，電池模型相關參數(shù)會發(fā)生非線性的動態(tài)變化，若始終使用同一模型和不變的算法，沒有任何補償措施，致使估算精度下降。因此，應盡量找到相關模型變化規(guī)律，減小估算誤差。

②可移植性差。不同類型鋰離子動力電池BMS不通用，如三元鋰電和磷酸鐵鋰BMS存在差異。不同類型電動汽車不通用，混合動力和純電動汽車電池工作模式不同，BMS也不同。因此，研究通用性更強的BMS是目前各BMS研究部門發(fā)展的方向。

③能量均衡管理。應向非能量耗散型轉化，同時避免過于復雜的均衡電路，降低成本，提高能量利用效率。

④缺乏對電池SOH和老化程度的精確測試和評價，需掌握更多電池內部運行規(guī)律，摸清電池不同使用時期的老化程度，增加電池使用壽命，降低整車使用成本。

⑤優(yōu)化充、放電控制算法?，F(xiàn)在BMS充、放電功能大多以電壓為控制目標，容易導致電池產(chǎn)生過充、過放，對電池造成不可逆轉的損傷，希望以后充放電控制算法能將SOC控制和電池端電壓控制相結合，提高充、放電效率，避免在充、放電時對電池造成損傷。