電池管理系統(tǒng)研究概述

薛行貴 謝躍輝 蔡華杰

【摘要】 在全社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)能減排和綠色環(huán)保的號(hào)召下，電動(dòng)汽車(chē)以其“零排放”；的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件有著不可替代的作用，本文就重點(diǎn)介紹了電池管理研究意義，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)的組成及使用的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 電池管理系統(tǒng) SOC估值 電池均衡

一、BMS的研究意義與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1研究意義

在電動(dòng)汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中，BMS作為實(shí)現(xiàn)該功能的管理系統(tǒng)，其性能的好壞將直接影響著電動(dòng)汽車(chē)的性能和使用壽命。BMS的功能主要包括以下三個(gè)方面：

（1）實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確的估計(jì)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，包括電池組的電壓、電流，從而為駕駛員提供可靠的剩余電量，以及可行駛的剩余里程數(shù)等一系列重要信息，提醒駕駛員對(duì)電池進(jìn)行充電；同時(shí)保證電池組始終保持在最佳的工作狀態(tài)。

（2）對(duì)電池的溫度進(jìn)行監(jiān)控和管理。溫度管理是電池管理系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán)，其主要作用是檢測(cè)電池工作時(shí)的溫度，而后通過(guò)吹分機(jī)或散熱片來(lái)確保電池工作在最佳的溫度區(qū)間。

（3）實(shí)現(xiàn)電池的均衡管理，由于出廠制造的誤差以及后續(xù)使用過(guò)程中存在通風(fēng)性差異，電化學(xué)能轉(zhuǎn)換差異等造成電池的單體間的不一致性，所以要對(duì)電池單體進(jìn)行電壓和剩余容量的檢測(cè)，防止電池的過(guò)充過(guò)放，當(dāng)檢測(cè)到電池異常時(shí)，便于及時(shí)更換。

1.2發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)各高校和科學(xué)研究機(jī)構(gòu)從上個(gè)世紀(jì)九十年代開(kāi)始，就著手對(duì)電動(dòng)車(chē)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，目前，在電池BMS系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)通信、安全管理以及電池壽命的預(yù)測(cè)等方面都取得了一定成績(jī)：北京交通大學(xué)在電池SOC的估算、電池利用率、快速充電方法、硬件架構(gòu)、通信協(xié)議等方面都有突出研究成果，通信協(xié)議上升為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；北京理工大學(xué)形成了動(dòng)力電池成組應(yīng)用理論，；中國(guó)科學(xué)院電工研究所對(duì)電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信中的CAN總線協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，并取得了很好的成果。國(guó)外整車(chē)廠及第三方電子廠商都致力于電池管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出幾種經(jīng)典的電池管理系統(tǒng)，比較有代表性：1）BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)2）BATTMAN系統(tǒng)3）電動(dòng)汽車(chē)EVI上的電池管理系統(tǒng)4）SmartGuard系統(tǒng)5）BatOpt系統(tǒng)

二、BMS系統(tǒng)的基本組成

基本的BMS系統(tǒng)框架如圖1所示，該系統(tǒng)主要組成包括：主控模塊、通信總線設(shè)計(jì)、電池檢測(cè)回路設(shè)計(jì)、液晶顯示設(shè)計(jì)等模塊，下面就BMS系統(tǒng)的各組成部分及涉及的關(guān)鍵技術(shù)做以闡述與介紹。

2.1主控模塊

主控模塊主要由主控芯片、采集模塊、通信模塊、液晶屏及外接存儲(chǔ)器組成。系統(tǒng)利用主控模塊完成對(duì)電池組總電流、電壓的實(shí)時(shí)采樣，采集的數(shù)據(jù)作為電池組上報(bào)給VCU狀態(tài)依據(jù)以及反饋給駕駛員的顯示內(nèi)容；主控芯片通過(guò)CAN總線與整車(chē)控制器進(jìn)行通信，并通過(guò)CAN總線控制與電池單體并聯(lián)的繼電器；通過(guò)RS232與電腦相連，完成系統(tǒng)的調(diào)試工作；通過(guò)SPI總線與BMC通信以獲得單體電池電壓、支路電流及溫度等信息，單體電池電壓、電流信息在MCU中處理后，得到電池的SOC值，并據(jù)此進(jìn)行均衡控制及故障排除。當(dāng)信息量比較大，可外接存儲(chǔ)器，用于記錄電壓、電流、SOC值、故障等信息。

2.2通信總線設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要使用了CAN總線作為系統(tǒng)的控制總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和整體控制，并且利用SPI總線輔助主控模塊進(jìn)行高精度的信號(hào)采集.

2.2.1電池檢測(cè)回路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化集中監(jiān)測(cè)電池使用狀態(tài)信息的設(shè)計(jì)，這樣不但可以大大減少電路的復(fù)雜程度，而且當(dāng)需要擴(kuò)展或縮小電池容量時(shí)，只需在電力總線上并聯(lián)上相同的支路或裁減一定數(shù)量的支路，硬件的改動(dòng)小，操作簡(jiǎn)單易行。

2.2.2電壓、電流、溫度采集

電壓采集：對(duì)每一塊電池裝配上具有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，或電壓檢測(cè)芯片，這些單片機(jī)和電壓檢測(cè)芯片統(tǒng)一由主控模塊控制，收集到的電壓數(shù)據(jù)通過(guò)光耦隔離傳遞給主控模塊。

電流采集：電流采集為剩余電量的估算，以及充放電控制等提供數(shù)據(jù)依據(jù).由于動(dòng)力鋰離子電池組的電流比較大，電流的檢測(cè)一般采用霍爾電流傳感器。

溫度采集：旨在實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)電池組的工作溫度，智能化溫度傳感器具有測(cè)量準(zhǔn)確度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間快，在線編程便捷，可多點(diǎn)并聯(lián)測(cè)量，方便檢測(cè)和安裝等優(yōu)點(diǎn)，是溫度測(cè)量元件的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.3液晶顯示設(shè)計(jì)

液晶屏顯示是一種簡(jiǎn)潔直觀的輸出，很大程度上提高了用戶的體驗(yàn)，及時(shí)反應(yīng)汽車(chē)當(dāng)前的行駛狀況，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

三、SOC估值技術(shù)

SOC估值技術(shù)，用來(lái)反映電池的剩余電量，預(yù)測(cè)其剩余的行駛里程，同時(shí)也是防止電池過(guò)充過(guò)放，延長(zhǎng)電池組壽命的重要依據(jù)，是系統(tǒng)均衡算法、故障判斷的重要參數(shù)。目前，對(duì)SOC估計(jì)的方法運(yùn)用較多的有內(nèi)阻法、電荷積累法、開(kāi)路電壓法、負(fù)載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法等。但內(nèi)阻法幾乎是不可能在電動(dòng)汽車(chē)上使用，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻不僅僅與SOC有關(guān)，還與溫度、電池劣化程度等因素有關(guān)，因此一個(gè)內(nèi)阻狀態(tài)不能與SOC值嚴(yán)格對(duì)應(yīng)；對(duì)于系統(tǒng)精度要求高的，較好的選擇即為電荷積累法，而電荷積累法的關(guān)鍵為后期的校正，后期校正常用的是電壓法；現(xiàn)階段研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法檢測(cè)精度會(huì)進(jìn)一步提高，但由于算法的復(fù)雜程度高，目前還未得到具體應(yīng)用。

四、均衡技術(shù)

電池管理系統(tǒng)中的均衡控制是為了更加合理的管理電池，延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高循環(huán)使用次數(shù)，降低電池成本。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，BMS系統(tǒng)在理論與技術(shù)上已經(jīng)日趨成熟，尤其近十年來(lái)，隨著神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，BMS理論技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，在各領(lǐng)域的巨大成就展示了其無(wú)限的應(yīng)用潛力。

本文從主控模塊、通信總線模塊、液晶顯示模塊和電池檢測(cè)回路等模塊系統(tǒng)地介紹了BMS，并對(duì)各部分涉及到的常用關(guān)鍵技術(shù)做了簡(jiǎn)單介紹。然而，BMS技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段，相信在研究者們的共同努力下，BMS技術(shù)將日漸成熟，在不久的將來(lái)造福于人類(lèi)。