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(fā)展帶來了嚴重的環(huán)境污染，能源危機也愈加嚴重，國家已在戰(zhàn)略層面支持電動汽車的發(fā)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(tǒng)的研究刻不容緩。隨著環(huán)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(fā)展戰(zhàn)略［1］。與內(nèi)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(tǒng) （BMS）主要負責對動力電池的狀態(tài)采集、充放電控制和故障判斷等，該系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對整車安全性和續(xù)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(fā)了一款電池管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對動力電池狀態(tài)的采集，電池荷電狀態(tài)（SOC）、電池總壓和絕緣電阻的計算，能根據(jù)電池狀態(tài)判斷電池是否發(fā)生故障并對繼電器進行控制。

1 電池管理系統(tǒng)方案設(shè)計

在本文中，采用“一主多從”的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計電池管理系統(tǒng)。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(fā)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(zhí)行電池單體的被動均衡，從控通過內(nèi)CAN與主控通信。

2 電池管理系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計

2.1 單體電壓和溫度采集

根據(jù)實際需求，不同電池包內(nèi)單體數(shù)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(wěn)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(tài)出現(xiàn)異常，可以立即采取相應(yīng)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(jù)電池總壓范圍設(shè)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(jù)，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(guān)重要。

SOC是指電池的荷電狀態(tài)，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(jù)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(yīng)關(guān)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(jù)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(xiàn)“漏電”情況，對人的生命安全會產(chǎn)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(jù)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(guān)1，斷開開關(guān)2，測出③點電壓VP。

3）斷開開關(guān)1，閉合開關(guān)2，測出③點電壓VN。

根據(jù)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(fā)設(shè)備模擬整車控制器發(fā)出上下電指令，觀察繼電器動作、狀態(tài)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(jié)果如圖3所示。BMS充放電與SOC驗證試驗是使用充放電設(shè)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(jié)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(jù)整車控制器的上下電指令執(zhí)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(jié)論

本文設(shè)計了“一主多從”分布式結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)，根據(jù)實際使用設(shè)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(shè)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(shè)計功能的可行性。雖然該電池管理系統(tǒng)已經(jīng)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(chǎn)品來說，該部分功能的實現(xiàn)可能更具有意義，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究，開發(fā)出具有完整功能的電池管理系統(tǒng)。