純電動汽車分布式電池管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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）是在電動汽車使用過程中具有檢測電池能量的消耗量并預測電池剩余電量等功能的綜合性電子控制系統(tǒng)。制約電動汽車普及的關鍵因素是車載動力電池技術的相對落后，尤其是BMS的相對落后[1]。實踐表明，在電動汽車使用過程中，良好的BMS可以有效維護電池組的一致性，實時監(jiān)控電池的運行狀態(tài)，準確估算剩余電量等，還可向整車控制提供必要參數以便于對電動汽車的運行工況進行智能調節(jié)。本文綜合國內、外的一些先進成果，設計并實現(xiàn)了一種分布式電池管理系統(tǒng)[2]。

2 總體方案設計

2.1 設計標準

本文的電池管理系統(tǒng)依據汽車行業(yè)標準QC/T 897-2011《電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術條件》設計，該標準規(guī)定了電動汽車用電池管理系統(tǒng)的術語與定義、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志等。

QC/T 897-2011標準要求電動汽車電池管理系統(tǒng)具有以下功能:

a.監(jiān)測:對包括電壓、電流、絕緣阻抗、通斷情況、SOC等相關參數進行監(jiān)測及顯示。

b.計算:根據檢測到的數據計算電池的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內部和外部都需要通過可靠的通信方式發(fā)送數據。

d.保護:涵蓋故障診斷和故障處理兩方面內容，包括過壓、欠壓、過流、低溫、高溫和短路，以及協(xié)調電池安全和車輛運行安全。

e.優(yōu)化:電池組的平衡、電池容量計算和電池壽命優(yōu)化。

f.其他:高壓互鎖、絕緣檢測。

2.2 總體方案

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

根據電池管理系統(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量模塊板，各模塊間采用CAN總線通信，如圖1所示。

整個電池管理系統(tǒng)分散布置，模塊間利用CAN總線互相連接，保證了對電池包電壓和電流的同步測量，且分布測量模塊的數量可隨電池模塊數量的變化隨意調整，增強了系統(tǒng)的適應性。

3 電池管理系統(tǒng)設計

3.1 主控模塊設計

3.1.1 電路設計

主控模塊包括系統(tǒng)電源、輸入檢測、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AB26S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換，分別與整車控制器、監(jiān)控上位機、高壓模塊控制板和分布測量模塊板進行CAN通信，并為高壓模塊控制板和分布測量模塊提供3路12VDC電源。

3.1.2 SOC算法

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

根據電池狀態(tài)分別采用相應的SOC計算方法。當電池停止工作后，電流為零，無極化現(xiàn)象，其SOC值與開路電壓有很好的對應關系，可直接獲得SOC值[6]；當電池進入充、放電狀態(tài)后，以靜止狀態(tài)時的SOC相關參數作為基數，采用安時積分法計算SOC值。在軟件設計時，根據高壓模塊實時測量的電壓和電流數據計算電池釋放或充入的安時數，以此來進行SOC估算。當電池模塊的單體電壓下降到放電截止電壓時，SOC復位為0；當電池模塊的單體電壓上升到充電截止電壓時，認為電池已經充滿，此時SOC 置為 100%[6]。

由于電池靜止狀態(tài)和充、放電狀態(tài)之間的轉換狀態(tài)是一個緩慢的過程，采用安時積分法和開路電壓法來計算狀態(tài)轉換時SOC值有較大誤差，故需要對狀態(tài)轉換時的SOC進行校正[7]。

SOC計算流程如圖2所示。

3.2 高壓模塊設計

高壓模塊包括總電壓檢測、電流檢測、絕緣阻抗檢測和通信接口等電路。高壓模塊采用PIC33FJ128GP804作為處理器；電壓檢測使用電壓跟隨器電路將測得的信號通過運放LTC2464傳輸給處理器；電流檢測使用差分放大器電路將測得的信號通過運放LTC2464傳輸給處理器；采用CTM1040作為CAN收發(fā)器模塊用來和主控模塊通信；絕緣阻抗檢測電路設計在高壓模塊上。

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電路。

3.3 分布測量模塊設計

3.3.1 電路設計

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

3.3.2 均衡策略

電池模塊的均衡策略分為充電均衡、放電均衡和動態(tài)均衡3種。充電均衡是在充電過程中、后期，單體電壓達到或超過截止電壓時，均衡電路開始工作，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，通過補充電能限制單體電壓不低于預設的放電終止電壓。與充電均衡和放電均衡不同，動態(tài)均衡不論在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)，還是浮置狀態(tài)，都可以通過能量轉換的方法實現(xiàn)組中單體電壓的平衡，實時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的充放電強度和深度的一致性，漸進達到共同的壽命終點。本系統(tǒng)采用動態(tài)均衡策略。

圖6以錳酸鋰電池為例來說明分布測量模塊利用LTC6802進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:在對電池包進行充、放電時，若電池模塊最大電壓不超過4 V，分布測量模塊不啟動均衡功能；當電池模塊最大電壓超過4 V時，啟動均衡功能；當電池模塊的最大電壓與最小電壓之差大于20 mV時，啟動LTC6802的均衡功能，通過放電電阻對電壓最大的電池模塊進行放電，直至最大模塊間最大壓差縮小至20 mV時停止均衡。

3.4 充電管理

3.4.1 充電通信管理

在電池包充電過程中，需要電池管理系統(tǒng)完成對充電機及整個充電過程的控制，以便安全的進行充電管理。本系統(tǒng)設計遵照電動汽車充電接口及通信協(xié)議4項國家標準要求，電池管理系統(tǒng)和充電機之間采用CAN總線通信協(xié)議進行通信。

在充電過程中，電池管理系統(tǒng)和充電機的CAN總線必須實時保持通信，當電池管理系統(tǒng)的充電允許位為低電平時，嚴禁啟動充電功能，若充電機已經啟動，則立即停機；若通信中斷時間>10s則認為通信中斷，不允許充電，充電機停止工作；當電池的最高溫度超過最高允許溫度后，充電機也應立即停止充電；若充電機發(fā)生故障，充電機進行自身保護，也會停止工作。

3.4.2 充電控制策略

根據動力鋰電池特性，電池管理系統(tǒng)對充電過程采用先恒流再恒壓的方法進行充電。

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

在充電過程中，充電機需要接收電池管理系統(tǒng)發(fā)送的當前數據（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（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），并進行比較，當電壓達到充電截止電壓后，充電機進入恒壓充電過程，降低充電電流，保障充電過程不過壓；當充電機的充電電流小于電池管理系統(tǒng)設定充電截止電流時，充電機停止充電。

3.5 BMS監(jiān)控界面

圖7為分布式BMS的上位機監(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程狀態(tài)。

4 結束語

實際應用表明，所設計的系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可擴充性好，對電池組的SOC狀態(tài)預測準確；能夠準確的進行絕緣電阻檢測，有效控制高壓線路的通斷，保證用電安全性和可靠性；能夠有效進行電池模塊的一致性維護，提高電池包的使用壽命；能夠有效完成與充電機的通信控制，保證電池包不會發(fā)生過充、過放現(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 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎.第3版.北京:高等教育出版社，2000.

5 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計.第3版.北京:北京航天航空大學出版社，2003.

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

7 朱元，韓曉東，等.電動汽車動力電池SOC預測技術研究.電源技術，2008.1:153～156.

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