動力電池管理系統(tǒng)技術(shù)研究概述

申曉康，張超，朱譜

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

動力電池管理系統(tǒng)技術(shù)研究概述

申曉康，張超，朱譜

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

文章主要就動力電池管理系統(tǒng)的主要技術(shù)進(jìn)行概述，如檢測單元的設(shè)計(jì)、SOC的估計(jì)以及能量均衡等。通過對各個技術(shù)要點(diǎn)的分析，總覽動力電池管理系統(tǒng)的基本功能模塊及各個功能模塊的設(shè)計(jì)方法。

電池管理系統(tǒng)；檢測單元；SOC；能量均衡

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-19-03

1、電池管理系統(tǒng)（BMS）研究意義

隨著人們對環(huán)境污染問題以及能源危機(jī)問題的重視，電動汽車逐步走入人們的視野，并漸漸走進(jìn)人們的家庭。而電動汽車的相關(guān)技術(shù)也在迅猛的發(fā)展。其中，動力電池作為電動汽車的能量來源，其性能相當(dāng)程度上決定了電動汽車的性能。而電池管理系統(tǒng)（battery management system，簡稱BMS）的優(yōu)劣又直接決定了動力電池組的性能[1]。

BMS的主要功能有：

（1）電池狀態(tài)監(jiān)測與分析。包括對電壓、電流、溫度的監(jiān)測；對電池剩余電量的估計(jì)；對電池老化狀態(tài)的估測等等。

（2）電池安全保護(hù)。包括過流保護(hù)，過充過放保護(hù)，過溫保護(hù)等等。

（3）能量控制管理。包括電池的充電控制管理，放電控制管理以及能量均衡管理等等。

2、電池管理系統(tǒng)的組成

電池管理系統(tǒng)包括主控單元、監(jiān)測單元等[2]。其基本結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1

3、監(jiān)測單元的設(shè)計(jì)

監(jiān)測單元的主要任務(wù)是對單體電池的電壓、電流以及溫度進(jìn)行檢測，保證電壓采集的精度是電池管理系統(tǒng)了解電池狀態(tài)的基礎(chǔ)。對于同一種電池來說，在一定溫度下，其開路電壓（OCV）與電池的荷電狀態(tài)（SOC）之間有著明確的函數(shù)關(guān)系[3]，所以精確的電壓的監(jiān)測對于我們進(jìn)行SOC估算，以及均衡管理有著重要的意義。

其中電壓的檢測方法包括：

3.1 電阻分壓法

即通過采集分壓電阻上的電壓信號，來計(jì)算單體電池的電壓，如圖2。 這種方法簡單易行，成本比較低，但由于分壓電阻的精度問題，導(dǎo)致采集的電壓精度不一致，影響電池的均衡；并且分壓回路會消耗動力電池的電量。

圖2

3.2 繼電器開關(guān)陣列及差分運(yùn)放法

即通過繼電器陣列控制接在單體電池兩端的開關(guān)，循環(huán)采集電壓信號在經(jīng)過差分運(yùn)放將信號傳遞給AD轉(zhuǎn)換器，如圖3。這種方法優(yōu)點(diǎn)在于解決了電阻分壓的能量消耗問題，差分運(yùn)放也可以一定程度上消除高壓共模信號的影響，但是傳統(tǒng)的繼電器存在壽命短、體積大等問題，而如果采用性能良好的光電繼電器則會帶來成本上的負(fù)擔(dān)。

圖3

3.3 專用集成芯片

前面兩種方案都存在共同的問題，就是需要大量的連線，所以會存在電磁干擾，絕緣保護(hù)等問題，因此，專用集成芯片很好的解決了這一問題，現(xiàn)今很多廠商有針對電動汽車電池管理系統(tǒng)的IC產(chǎn)品，如Linear（凌力爾特）、TI（德州儀器）、ADI（亞德諾）、Infineon（英飛凌）、O2 Micro（凹凸科技）、Maxim（美信）等等。

4、SOC的估計(jì)

SOC, state of charge，即電池的荷電狀態(tài)。 SOC是BMS系統(tǒng)的重要參數(shù)，精確的SOC估測對汽車的安全性能及使用性能有重要的意義。

SOC的估測方法：

4.1 電流積分法（CC法）

這是計(jì)算SOC最常用的方法，即電流對時間積分即為釋放的電量。此方法的缺陷在于因?yàn)殡娏魇菧y量量，存在誤差，隨著時間的推移，誤差積累會越來越大。

4.2 開路電壓法（OCV法）

OCV與SOC有明確的函數(shù)關(guān)系，因此理論上可以用單體電池的OCV-SOC曲線來估測SOC。然而，此方法并不現(xiàn)實(shí)：

首先，開路電壓是在電流為零的前提下，而電動汽車汽車在使用過程中是始終有電流存在的。

其次，即使電動汽車在使用過程中有短暫的停留，并且忽略掉部分用電器的微弱電流，由于鋰電池電壓有滯回特性（即電壓有一段時間的回彈），所以這時候如果用直接測量的電壓來估測SOC也會存在偏差。

4.3 一種折中的方法

即在電動汽車行駛過程中用電流積分法，并設(shè)置一個電流門限值及時間閾值，當(dāng)電流小于電流門限值的時間大于時間閾值時，就通過測量的“OCV”進(jìn)行SOC校正。

但是，這同樣存在問題。即會產(chǎn)生SOC的跳變，如果直接顯示的話，需要相應(yīng)的提示，否則當(dāng)駕駛員不了解釋的話，會以為出了故障。

4.4 基于電池模型的一些算法

這些方法在于利用測量的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算、優(yōu)化來估算SOC的最優(yōu)值。包括模糊控制算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以及卡爾曼濾波等。

5、能量控制與均衡

均衡的意義：

同一種電池有其共性，但是每一塊電池又有其個性，所以每一塊電池的老化程度，包括其充放電特性會有不同，所以就會存在“短板效應(yīng)”。即會出現(xiàn)充電過程可能存在一個充滿，其他不滿；放電過程，一個放到閾值，其他還有很多的的現(xiàn)象。這嚴(yán)重影響了充放電效率及能量利用率!并且如果不進(jìn)行均衡，其不一致性會越來越明顯，“短板效應(yīng)”則會越來越嚴(yán)重！因此，均衡是很必要的。但實(shí)際上品質(zhì)較高的同一批量的電池的一致性較好，所以有人采用實(shí)時均衡的方案，也有的采用非實(shí)時均衡的方案。

均衡的方法：

從均衡的意義可以看出，我們實(shí)際要均衡的是電池的SOC。單體電池的OCV與SOC有明確的函數(shù)關(guān)系，因此我們可以通過控制單體電池的OCV來進(jìn)行均衡。

5.1 耗散式均衡

即給電池并聯(lián)電阻，將電壓高的單體電池進(jìn)行放電，從而實(shí)現(xiàn)SOC的一致。這種方法簡單易行，但會造成電量的浪費(fèi)，并且有發(fā)熱問題。

5.2 非耗散式均衡

即利用電感、電容等儲能元件，將電壓高的單體電池的電量轉(zhuǎn)移給電壓低的單體電池。這樣有效地避免了電量浪費(fèi)，但其邏輯控制電路較復(fù)雜。常用的非耗散式均衡如DC-DC轉(zhuǎn)換器法，即通過變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓的控制。

6、結(jié)束語

以上是電池管理系統(tǒng)的總要功能模塊的概述，然而一個好的BMS還要包括精確的熱管理系統(tǒng)，良好的信息通訊系統(tǒng)，以及對電池老化狀態(tài)（SOH,State of Health）進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)等等[4]。同時，良好的電池pack的設(shè)計(jì)有利于BMS的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[5]。

因此，電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到方方面面，只有把每一部分都做好，才能保證BMS做到精確控制，從而提高整車性能。

[1] 毛俊.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)的開發(fā)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[2] 毛旭彤，耿海州，董峰.集中式電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2015.07.011.

[3] 譚曉軍.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].廣州:中山大學(xué)出版社,2011.

[4] 譚曉軍.電池管理系統(tǒng)深度理論研究[M].廣州:中山大學(xué)出版社,2014.

[5] 譚易.動力型鋰電池成組技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué),2013.

Overview of power battery management system technology

Shen Xiaokang, Zhang Chao, Zhu Pu
( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

A This paper mainly summarize the major technologies of BMS,such as the design of the monitor unit,the estimation of SOC and the energy balancing,and so on.Taking an overview of the basic function modules of the BMS and knowing about the design methods of the modules.

BMS; monitor unit; SOC; energy balancing

U462.1

A

A1671-7988(2017)01-19-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.008

申曉康，（1991.12）男，碩士學(xué)位，長安大學(xué)汽車學(xué)院在讀研究生。