基于SX5256DH434PHEV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車的電池管理系統(tǒng)淺談

宋少飛

（陜西重型汽車集團(tuán)公司，陜西 西安 710200）

基于SX5256DH434PHEV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車的電池管理系統(tǒng)淺談

宋少飛

（陜西重型汽車集團(tuán)公司，陜西 西安 710200）

在全球能源危機(jī)的情況下，隨著國際碳排放出口協(xié)定的實(shí)施，綠色清潔汽車已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家當(dāng)前汽車技術(shù)的發(fā)展方向，發(fā)達(dá)國家多數(shù)把鋰離子電池作為EV、HEV、PHEV的新能源。由于汽車的復(fù)雜工況和鋰離子電池電化學(xué)特性，一般需要完善的電池管理系統(tǒng)BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)，其作用是對(duì)鋰離子電池電壓、電流、溫度、容量、電池的SOC荷電狀態(tài)計(jì)量、電池與車體的絕緣狀態(tài)等多種電池參數(shù)以CAN通訊的方式與車控電腦實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交換，確保電池的能量發(fā)揮到極致，使駕駛者能夠隨時(shí)掌握電池的工作狀態(tài)，以保證電池的安全。BMS不僅是數(shù)字化智能電池系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，也是新能源汽車必不可少的關(guān)鍵部件。

混合動(dòng)力；電池管理系統(tǒng)；荷電狀態(tài)；主控單元

CLC NO.:U469.75Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-70-04

引言

近年來，隨著石油資源的消耗，人類生存環(huán)境的不斷惡化，發(fā)展綠色能源交通已刻不容緩。節(jié)約能源，低排放甚至零排放的電動(dòng)汽車成為解決問題的手段。而混合動(dòng)力汽車作為傳統(tǒng)汽車到純電動(dòng)汽車之間的過渡類型成為現(xiàn)階段新能源汽車的主力軍?；旌蟿?dòng)力汽車較傳統(tǒng)汽車有著良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，較低的油耗和良好的排放特性?；旌蟿?dòng)力汽車不同于傳統(tǒng)汽車的一大特點(diǎn)就在于在發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上引進(jìn)了動(dòng)力電池，通過發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池兩種能量源的協(xié)調(diào)工作，共同實(shí)現(xiàn)低污染、高經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，鑒于動(dòng)力電池在混合動(dòng)力汽車

中的重要地位，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行有效的管理是十分必要的，這就是電池管理系統(tǒng)的責(zé)任所在。

混合動(dòng)力電池管理系統(tǒng)是保證動(dòng)力電池性能的重要手段，它負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的各個(gè)參數(shù)，包括電壓、電流、溫度、容量、電池的SOC荷電狀態(tài)計(jì)量、電池與車體的絕緣狀態(tài)等，同時(shí)還為能量總成的控制提供必要的參數(shù)。

本文以陜西重型汽車集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的SX5256DH434 PHEV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車為基礎(chǔ)，全面介紹了混合動(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能，對(duì)于其良好的性能和市場經(jīng)濟(jì)性有積極的意義。

1、電池管理系統(tǒng)概述

電池管理系統(tǒng)又稱為智能電池測量系統(tǒng)，是一個(gè)全面測量電池參數(shù)，可以根據(jù)當(dāng)前電池狀態(tài)，完成相應(yīng)的控制動(dòng)作，并提供與其它系統(tǒng)的通訊能力的系統(tǒng)。帶有電池管理系統(tǒng)的電池稱為智能電池[1]。

對(duì)于智能電池的定義，不同的機(jī)構(gòu)有不同的闡述，著名的電池標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)SBSIF(Smart Battery System Implementer Forum)的定義是：至少要能提供電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)的電池。對(duì)于使用者來說除了SOC和電壓、電流之外還非常關(guān)心電池的使用壽命，電池的使用壽命用健康狀態(tài)(State of Health)來表示。常用的鋰電池的使用壽命為300到500個(gè)充放電循環(huán)。

電池管理系統(tǒng)控制著電池的充電和放電，負(fù)責(zé)精確的估算任意時(shí)刻電池的狀態(tài)和容量，估算電池的SOC是電池管理系統(tǒng)的主要職責(zé)之一[2，3]，電池管理系統(tǒng)的另外的功能是有效的利用可回收能量，增加電池系統(tǒng)的可靠性和使用壽命[4]，電池管理系統(tǒng)在新能源汽車系統(tǒng)中的作用如下圖所示：

2、電池管理系統(tǒng)功能

動(dòng)力電池組是混合動(dòng)力汽車的能量來源之一，管理好動(dòng)力電池對(duì)于混合動(dòng)力汽車來說是至關(guān)重要的，因此相當(dāng)數(shù)量的研究人員把精力集中在動(dòng)力電池充放電特性的研究上。為了充分利用混合動(dòng)力動(dòng)汽車上每一節(jié)動(dòng)力電池的能量，就要求對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行合理的管理。SX5256DH434PHEV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車對(duì)動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)在功能方面的基本要求主要包括以下幾個(gè)方面：

CAN信息交互：系統(tǒng)通過CAN總線與整車控制器VCU、充電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通訊，給整車控制提供及時(shí)、可靠的依據(jù)。CAN總線是一種多主總線系統(tǒng)，本電池管理系統(tǒng)CAN通信采用雙絞線通信介質(zhì)，通信速率最高為1Mbps，支持CAN2.0B協(xié)議，并根據(jù)整車要求的CAN協(xié)議與VCU交互；

數(shù)據(jù)采集：從控單元SU可采集各路電池電壓和溫度數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組中各單節(jié)電池的電壓和電池箱體內(nèi)溫度，電壓采樣周期<100ms，采樣精度<10mv，溫度采樣周期為1s，采樣精度±0.5℃；SOC估測單元實(shí)時(shí)采集電池組充放電電流，以安時(shí)積分法為基礎(chǔ)內(nèi)建多種SOC補(bǔ)償修正模型，對(duì)SOC進(jìn)行比較精確的估測；

SOC、SOH電池診斷：準(zhǔn)確估測動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)，動(dòng)態(tài)估測電池健康度（State of Health，SOH），及時(shí)提供電池壽命的相關(guān)信息。保證電池組工作在理想的工作狀態(tài)，防止過充電或過放電對(duì)電池的損傷，實(shí)時(shí)將電池相關(guān)的信息上傳到VCU，以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)，達(dá)到有效保護(hù)電池組的作用；

安全控制：本電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組與車體間的安全絕緣電阻狀態(tài)，絕緣異常時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警并通知VCU，防止因絕緣達(dá)不到要求而引發(fā)的設(shè)備和人身安全。通過對(duì)絕緣電阻的測量和放電預(yù)充電、預(yù)放電控制，保證車輛的正常運(yùn)行；

電池均衡：根據(jù)電池組單體電池的狀態(tài)，進(jìn)行電池間動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)移均衡，使整個(gè)電池組中每節(jié)電池荷電狀態(tài)都達(dá)到更加接近程度，以提高整組電池的一致性。能量轉(zhuǎn)移均衡技術(shù)是一項(xiàng)電池非能量耗散型均衡技術(shù)，均衡電流可達(dá)到1A，可解決因電池自放電、容量、內(nèi)阻等差異造成電池地較長時(shí)間誤差積累帶來的狀態(tài)失衡。與耗能均衡方式相比，能量轉(zhuǎn)移均衡能夠根據(jù)電池的使用情況，科學(xué)、有效的進(jìn)行平衡，且不浪費(fèi)電池組的電能。兩種均衡模式能量消耗對(duì)比如下圖所示：

故障報(bào)警：通過數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組的性能，并實(shí)現(xiàn)故障診斷和報(bào)警功能，本電池管理系統(tǒng)MU通過數(shù)據(jù)匯總，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，出現(xiàn)故障、報(bào)警時(shí)，電池管理系統(tǒng)不僅本身作出報(bào)警，還根據(jù)整車要求，及時(shí)作出相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，有效的保護(hù)車輛正常運(yùn)行，保證司機(jī)的人身安全。

外接顯示：電池的主要信息可通過外接顯示終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。直觀地了解電池系統(tǒng)的詳細(xì)狀況；本車要求通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到駕駛室CAN儀表，以滿足整車的整體設(shè)計(jì)要求；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：系統(tǒng)內(nèi)建存儲(chǔ)器件，可根據(jù)需求存儲(chǔ)電池的歷史數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步優(yōu)化和開發(fā)新型電池、控制充電器、電動(dòng)機(jī)等提供數(shù)據(jù)，為離線分析系統(tǒng)故障提供可靠依據(jù)。

3、電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SX5256DH434PHEV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車采用磷酸鐵鋰電池組，電池組由180個(gè)單體電池串聯(lián)而成，每個(gè)電池正常工作電壓為3.2V。為保證系統(tǒng)的安全及電池的可靠工作，必須對(duì)每節(jié)單體電池配備一個(gè)專用的電壓均衡電路板，均衡電路對(duì)其所管理的單體電池的電壓、容量進(jìn)行檢測并通過CAN總線通知電池管理單元，同時(shí)均衡電路也對(duì)所管理的電池的充電及放電電量進(jìn)行控制，防止動(dòng)力電池產(chǎn)生過充和過放的情況發(fā)生，以保證系統(tǒng)的安全。電池管理單元由較高級(jí)的微處理器和必要的外圍電路構(gòu)成，本單元通過總線與整車的中心管理單元進(jìn)行通信，收集各電池的當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)：電壓、容量、溫度，并將這些信息進(jìn)行處理后通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)通知多能源管理單元，同時(shí)也會(huì)將電池組的SOC計(jì)算結(jié)果傳送到CAN儀表進(jìn)行顯示。

SX5256DH434PHEV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車電池管理系統(tǒng)為主從分布式系統(tǒng)，內(nèi)部總線采用CAN串行通訊總線，有效地支持系統(tǒng)高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制，主要構(gòu)成部分為：主控單元（Master Unit，MU）、從控單元（Slave Unit，SU）、SOC估測單元（SOC Unit）、高壓控制模塊（HighPower Control Module，HPCM）、充電機(jī)控制模塊（Charger Control Unit，CCU）、絕緣測量模塊（Insulation Resistance Meters，IRM）、顯示模塊、高壓接觸器模塊、DC/DC電源模塊，系統(tǒng)內(nèi)部通信采用CAN總線連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

主控單元：主控單元是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心單元，它主要是通過CAN 總線從各個(gè)測控單元提取每節(jié)電池的電壓、電池箱體的溫度、電池組充放電電流等信息；并統(tǒng)計(jì)出管理系統(tǒng)所需的各種參數(shù)，如平均電壓、單節(jié)最高電壓、單節(jié)最低電壓、最高溫度和最低溫度等。上位機(jī)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析后，按各種保護(hù)門限值作出相應(yīng)的動(dòng)作，及時(shí)響應(yīng)其他設(shè)備的要求，結(jié)構(gòu)如下圖所示：

從控單元：從控單元的主要功能是采集對(duì)應(yīng)電池箱中各單節(jié)電池的電壓信息和箱體中電池的溫度，每個(gè)從控單元最多可采集16 節(jié)電池的電壓和兩個(gè)溫度探頭的溫度信息，從控單元數(shù)量可根據(jù)電池組實(shí)際情況進(jìn)行配置。電池均衡功能在從控單元執(zhí)行，均衡的控制策略是通過CAN 總線由上位機(jī)進(jìn)行控制，從控單元結(jié)構(gòu)如下圖所示：

SOC估測單元：SOC估測單元傳感器采用LEM公司的電流互感器，LEM電流互感器是基于霍爾效應(yīng)的閉環(huán)(帶補(bǔ)償?shù)?多量程電流傳感器，采用單極性電壓供電，具有出色的精度、良好的線性度、無插入損耗、最佳的反應(yīng)時(shí)間和電流過載能力。在25℃下的測量精度可達(dá)±0.2%；通過采集充放電電流，除了可以對(duì)電池提供實(shí)時(shí)的過流保護(hù)外，還要通過電流積分估計(jì)SOC值；更高的測量精度和更快的采樣速度更有效地提高系統(tǒng)SOC估計(jì)的精度，SOC估測單元結(jié)構(gòu)如下

圖所示：

高壓控制模塊：高壓控制模塊主要功能是為了防止電池組外部回路中短路時(shí)的上電保護(hù)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)預(yù)充電不能達(dá)到某電壓門限，則認(rèn)為外部回路中有短路，不開啟放電的主回路，同時(shí)報(bào)警,高壓控制模塊還包括絕緣阻抗測量儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池與箱體之間的絕緣狀態(tài)，分別提供20KΩ、80KΩ兩級(jí)絕緣故障報(bào)警，結(jié)構(gòu)如下圖所示：

B+：電池組總正；B-：電池組總負(fù)；P+：電機(jī)正；P-：電機(jī)負(fù)；CHG+：充電機(jī)正;12V/CAN：高壓模塊12V電源/系統(tǒng)CAN通信；R：絕緣測量接口；

4、結(jié)語

在電池技術(shù)沒有完全解決的今天，混合動(dòng)力汽車作為一種完滿的解決方案已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。優(yōu)秀的混合動(dòng)力汽車結(jié)合了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，成功的改善了汽車的尾氣排放，提高了燃油效率，降低了油耗。并且不需要充電站等純電動(dòng)車所需的配套措施。這些優(yōu)點(diǎn)完全適應(yīng)了燃油緊張的今天，是一種準(zhǔn)綠色汽車。

混合動(dòng)力汽車用電池的壽命、充放電效率、內(nèi)阻等都要受電池放電深度、充放電電流大小以及具體的汽車行駛工況等諸多因素的影響。而且，目前國內(nèi)還局限于電池恒流放電特性或僅考慮了放電過程的變流放電特性研究，這些對(duì)建立一個(gè)符合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池實(shí)際使用狀況的能量管理模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。研究考慮諸多因素的電池充放電特性，以便建立一個(gè)符合電池實(shí)際使用環(huán)境的電池能量管理系統(tǒng)，并為載荷均衡控制裝置提供可靠的控制參數(shù)，是目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車研究開發(fā)中必須解決的問題。

本文以陜西重型汽車集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的SX5256DH434PH EV型混合動(dòng)力重型環(huán)衛(wèi)車為基礎(chǔ)，全面介紹了其電池管理系統(tǒng)BMS的主要功能，對(duì)BMS結(jié)構(gòu)的主要單元做出了說明，但如何更有效的對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行利用，未來要走的路還很長。

[1] 齊國光,李建民,張小平.電動(dòng)汽車電量計(jì)量技術(shù)的研究.清華大學(xué)學(xué)報(bào).1997,(3):46～49.

[2] H.J.Bergveld,W.S.Kruijt,P.H.L.Notten.Electronic Network Modelling of Rechargeable NiCd Cells and Its Application to the Design of Battery Management Systems.Journal of Power Sources.1999, (77):143～158.

[3] H.J.Bergveld,W.S.Kruijt,P.H.L.Notten.Battery Management Systems: Design by Modelling.Kluwer Academic Publisher,2002:189～191.

[4] Rudi Kaiser.Optimized Battery Management System to Improve Storage Lifetime in Renewable Energy Systems.Journal of Power Sources. 2007,(3):200～201.

Battery management system of type hybrid heavy sanitation vehicle

Song Shaofei
(Shaanxi Automobile Group Limited Company, Shaanxi Xi’an 710200)

In the global energy crisis, with the implementation of the international carbon export agreement, green vehicle has become the development direction of the automotive technology in developed countries, the developed countries the majority of the lithium ion batteries as new energy EV, HEV, PHEV. Because of complicated and lithium ion battery electrochemical characteristics, needs the perfect battery management system BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM), and its role is insulated and other parameters of the battery of lithium ion battery voltage, current, temperature, capacity, battery state of charge measurement, SOC battery and the vehicle body by CAN communication mode and vehicle control computer real-time information exchange, ensure the battery energy into full play, so that the driver can at any time to master the working status of the battery, in order to ensure the safety of the battery. BMS is not only the central nervous digital smart battery system, the key component is the new energy automotive essential.

Hybrid Power；Battery Management System；State of Charge；Master Unit

U469.75

A

1671-7988(2014)07-70-04

宋少飛，就職于陜西重型汽車集團(tuán)公司。