純電動汽車電池管理系統(tǒng)九大功能

卜凡濤，劉木林（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽　110141）

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純電動汽車電池管理系統(tǒng)九大功能

卜凡濤，劉木林
（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽110141）

摘要：介紹電池管理系統(tǒng)在電動汽車上的主要功能，包括數(shù)據(jù)采集、SOC及SOH的預(yù)估、故障診斷、高壓環(huán)路互鎖、電池均衡、數(shù)據(jù)通信、電池絕緣監(jiān)測及繼電器管理；并對每一個功能提出其硬件設(shè)計的思路。

關(guān)鍵詞：電動汽車；電池管理系統(tǒng)；功能

隨著人們環(huán)保意識的增強以及能源的日趨緊張，電動汽車受到國家和民眾的廣泛關(guān)注［1］。國內(nèi)外OEM廠商投入了大量的人力和物力對電動汽車技術(shù)展開研究，現(xiàn)階段純電動汽車主要有三大核心控制器：電池管理系統(tǒng) （BMS）、整車管理系統(tǒng) （VMS）及電機控制單元 （MCU）。電池系統(tǒng)作為電動汽車的動力源，它的優(yōu)劣嚴重影響電動汽車的性能，由此電池管理系統(tǒng)就變得越來越重要。電池管理系統(tǒng)作為電池包的控制器，能夠?qū)崟r監(jiān)測電池包內(nèi)電池參數(shù)并估計其荷電狀態(tài) （SOC），為駕駛員提供剩余電量、續(xù)駛里程等信息；能防止電池過充、過放、過壓、過流、過高溫，其優(yōu)劣直接決定著動力電池組的使用壽命；一個合適的電池管理系統(tǒng)能夠在充分發(fā)揮電池優(yōu)越性能的同時，給予電池最佳的保護，保證電池性能，延長電池壽命，降低電動汽車運行成本［2］。電池管理系統(tǒng)原理如圖1所示，其功能如下。

1）數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)BMS的重要功能之一，采集精度和速率表征了BMS的優(yōu)劣。

①單體電池電壓采集。單體電池電壓是BMS控制策略中重要因素之一，要求采集精度較高，一般客戶要求誤差在3mV以內(nèi)。在硬件設(shè)計中，為了保證精度及速率，BMS生產(chǎn)廠家往往采用集成式電路方式。

②單體溫度信息采集。電池的性能受電池的溫度影響很大，當在電池溫度過高或過低進行充放電時會對電池的壽命有影響；對于精度要求并不高，一般客戶要求誤差在1℃。在硬件電路設(shè)計中往往選用NTC或DS18B20。

③電池包總電壓采集。電池包總電壓分為兩路電壓：包內(nèi)電壓與包外電壓。通過包內(nèi)與包外電壓的對比來判斷是否完成預(yù)充過程。對于采集精度不高，部分BMS廠家通過采集到的單體電壓累計得到，也有通過分壓電路采集得到。

④電流的采集。電池包充放電電流的采集對于預(yù)估SOC及充放電保護有重要的意義。在硬件電路中，往往采用霍爾電流傳感器或分流器采集電流，精度要求誤差在1%。為了保證采集數(shù)據(jù)的精度，有的OEM廠商通過設(shè)計兩路電流傳感器來互相校正。

圖1　　電池管理系統(tǒng)原理圖

2）SOC及SOH預(yù)估SOC的預(yù)估方法有開路電壓法、AH計量法、卡爾曼濾波法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，預(yù)估方法雖然多，但各有優(yōu)缺點。國內(nèi)的BMS廠商往往采用開路電壓與AH計量法結(jié)合來完成SOC的預(yù)估。電池SOH預(yù)測應(yīng)考慮電池老化 （容量）、電池單體差異性、電池濫用等因素，來預(yù)測電池健康狀態(tài)。

①AH計量法。AH計量法是最常用的SOC預(yù)估方法，通過電流在時間上的累加，估計當前電池組的剩余容量。AH計量法會受很多因素的影響，包括電流測量精度、充放電循環(huán)次數(shù)、自放電率、充放電倍率和溫度等，所以在運用AH計量法時會有修正算法來對各種因素進行量化，使得AH計量法預(yù)估SOC更加準確。

②開路電壓法。電池的開路電壓與SOC有一定的線性關(guān)系，但不能實時估測SOC。根據(jù)鋰電池的特性，開路電壓在靜置半小時后會恢復(fù)到常態(tài)，故開路電壓法往往會作為修正AH計量法的糾正系數(shù)之一。

3）故障診斷功能故障診斷是電動汽車各個控制器所必不可少的功能之一，由于現(xiàn)有的電動汽車技術(shù)并不成熟，在電動汽車研發(fā)及測試階段不可避免地會出現(xiàn)各種問題，而通過故障診斷可方便發(fā)現(xiàn)問題。

4）熱管理控制電池溫度是影響電池性能的重要因素之一，而電池的性能優(yōu)劣對于電動汽車的續(xù)航里程有重要影響，因此可通過熱管理控制使得電池始終工作在最佳狀態(tài)。

5）高壓環(huán)路互鎖在電池包的動力輸出端需要通過高壓插接件連接到動力線纜，BMS的高壓環(huán)路互鎖功能可檢測此插接件是否有松動現(xiàn)象，如果檢測到插接件松動會做相應(yīng)的處理。BMS控制器會發(fā)送HVIL信號 （方波或高電平信號）同時接收此信號，如果接收成功即證明環(huán)路互鎖正常，反之有異常。

6）電池均衡功能當多節(jié)電池組成電池包時，由于電池的不一致性，必須要進行均衡處理來使得包內(nèi)各節(jié)電池間的壓差較小，以更好地的延長電池包的使用壽命。電池均衡分為主動均衡與被動均衡，主動均衡是一種無損方式的均衡，將單體電池能量高的轉(zhuǎn)移到能量低的；被動均衡是一種有損方式的均衡，通過在每一節(jié)單體電池并聯(lián)一個電阻把多余的能量消耗掉。由于主動均衡技術(shù)并未成熟，應(yīng)用范圍不廣，因此在國內(nèi)的OEM廠商中往往采用被動均衡方式。

7）數(shù)據(jù)通信在電池的運行過程中，需要按照要求將電池電壓、SOC、SOH等電池運行時的相關(guān)狀態(tài)進行上報。對于多節(jié)電池組串并聯(lián)使用的系統(tǒng)來說，這種信息的上報包含兩方面：一方面是指上報信息到電池管理系統(tǒng)之外，為其他系統(tǒng)提供所需的數(shù)據(jù)，同時接受其他系統(tǒng)提供的信息，為制定合理的電池管理方案提供依據(jù)；另一方面是指各電池組之間的數(shù)據(jù)交互。針對這些信息的交互，采用何種通信方式、制定何種通信協(xié)議，對于實時了解電池的容量和性能、保證電池安全可靠的運行，以及為電池系統(tǒng)提供可信的依據(jù)，成為電池管理系統(tǒng)中一個關(guān)鍵問題［1］。國內(nèi)的BMS廠商一般會選用CAN-BUS的通信方式。

8）電池絕緣監(jiān)測功能絕緣監(jiān)測功能是保證電池包安全的重要功能之一，電池包內(nèi)通常有幾百伏的高壓，如果出現(xiàn)漏電現(xiàn)象對于乘客及駕駛員有安全隱患，所以絕緣監(jiān)測功能就顯得相當重要。BMS會監(jiān)測總正和總負對車身搭鐵的絕緣阻值，如果出現(xiàn)阻值低于閾值，則上報故障并斷開高壓電。

9）繼電器管理功能繼電器是電池包內(nèi)的主要部件之一，BMS通過管理繼電器可完成對電池包內(nèi)各個電路的控制，進而達到充放電及熱管理等的實現(xiàn)。

電動汽車技術(shù)是一新興產(chǎn)業(yè)，電池管理系統(tǒng)的廠商也是近幾年才相繼出現(xiàn)，由于缺乏經(jīng)驗及電池數(shù)據(jù)作為支撐，在很多功能方面仍有欠缺。相信經(jīng)過數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的累積，對以上九大功能的完善，電池管理系統(tǒng)會越來越完善。

參考文獻：

［1]于良杰，喬昕，張許峰，等.電池管理系統(tǒng)在電動汽車中的應(yīng)用［J］.山東科學(xué)，2010：86-88.

［2]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002：238-248.

（編輯文珍）

中圖分類號：U463.633

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0067－02

收稿日期：2015-12-03；修回日期：2015-12-21

Nine Functions of Battery Management System for Pure EV

BU Fan-tao，LIU Mu-lin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute，Shenyang 110141，China）

Abstract：The main functions of battery management system on EV are introduced here，including data acquisition，SOC and SOH estimation，fault diagnosis，HVIL，battery balance，data communication，battery insulation monitoring and relay management.The hardware design thought for each function is also proposed.

Key words：EV；battery management system（BMS）；function