純電動汽車電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

蘇文芝+秦國防

摘要：近年來我國出現(xiàn)大面積的霧霾天氣，廣大人民群眾深受其害。造成霧霾天氣的主要原因之一就是汽車尾氣，尾氣使城市空氣中 PM2.5較高。當(dāng)下，節(jié)能減排成為國家治理空氣污染的首要目標(biāo)和人民的熱切期望。和傳統(tǒng)燃油汽車相比，新能源汽車能大大減少尾氣排放，成為交通領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保新方向。一套完整的電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池的狀態(tài)監(jiān)測、電壓電流監(jiān)測、剩余電量監(jiān)測等，確保電動汽車運行過程中電池能量安全、合理與高效的利用。

關(guān)鍵詞：電動汽車；新能源； BMS電池管理系統(tǒng)；電池狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0234-02

Abstract：In recent years， China has a large area of fog and haze， the majority of the people suffer.Fog and haze caused by one of the main reasons is the automobile exhaust， tail gas to the city air PM2.5 higher.At present， energy-saving emission reduction has become the first goal of national air pollution control and the people's earnest expectations.Compared with the traditional fuel vehicles， new energy vehicles can greatly reduce emissions， a new direction of energy conservation and environmental protection in the transport sector.A complete battery management system to achieve the battery status monitoring， information exchange， security protection， to ensure that electric vehicles running the process of energy security， reasonable and efficient.

Key words： New Energy； Electric Vehicle； BMS； Power Battery Management； Battery Condition Monitoring

新能源汽車時代即將來臨，新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)一直以來都是汽車行業(yè)發(fā)展的熱點問題。其中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）可稱其為關(guān)鍵技術(shù)。新能源汽車的能量大多來自動力電池，對其安全、有效的管理是其中的核心技術(shù)之一。

1 電池管理系統(tǒng)主要功能

電動汽車 BMS 主要包含以下幾個功能，如圖1所示。

1）電池信息采集功能：采集各電池組工作電壓、環(huán)境溫度、充放電電流等信息，借助采集板總線傳遞給主控芯片；

2）剩余電量估算SOC功能：采集板采集到的電池信息由主控芯片依據(jù)一定算法完成對動力電池組剩余電量（State of Charge， SOC）的估算，為駕駛者提供安全保護(hù)和續(xù)駛里程參考；

3）電氣控制管理功能：電動汽車的電池組在充放電過程中，動力電池組很可能會發(fā)生過充、電池間電量不均衡、過放等問題，大大影響到電池組的使用壽命、工作效率及將來的安全問題。即使問題發(fā)生，電池管理組系統(tǒng)能迅速做出反應(yīng)，有效執(zhí)行預(yù)定安全措施，如切斷充放電回路等，從而保證電池組的正常、安全使用。對于不同電池間電量不一致的問題，在排除電池固有差異外，可以通過搭建均衡電路配合控制算法來實現(xiàn)各單體電池之間的均衡。

4）電池安全保護(hù)功能：電動汽車電池組安全管理主要負(fù)責(zé)監(jiān)控電池在工作過程中是否出現(xiàn)工作異常。一旦發(fā)現(xiàn)問題系統(tǒng)應(yīng)能及時做出應(yīng)急響應(yīng)，保證電動汽車電池組的正常運行，防止發(fā)生爆炸等危險；

5）數(shù)據(jù)通信顯示功能：電池管理系統(tǒng)收集到的電池信息首先被送往電池管理系統(tǒng)BMS 主控芯片進(jìn)行SOC電量估算與均衡控制等處理，再將結(jié)果通過 CAN 總線發(fā)送給其他設(shè)備使用。同時，電池管理系統(tǒng)BMS 通過串口通信將信息顯示在上位機，方便駕駛員及維修人員對車輛信息有清晰的掌握和判斷。

2 電池管理系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

電池管理系統(tǒng)BMS 兩項關(guān)鍵技術(shù)—SOC電池組剩余電量估算算法與均衡控制技術(shù)。針對其軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計，電池管理系統(tǒng)BMS硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電池管理系統(tǒng)分為以下幾個部分：控制主板、電池信息采集板、電池組、均衡板等。其中，控制主板用來完成對總電壓、總電流的采集工作，SOC電池組剩余電量估算算法的運行，均衡策略的執(zhí)行以及設(shè)備間的通信等功能；采集板搭載專用電池監(jiān)控芯片，可實現(xiàn) 12 路單體電池電壓的數(shù)據(jù)采集和2路溫度采集，芯片之間支持 SPI（Serial Peripheral Interface）通信，從而具備了級聯(lián)功能；電池包的設(shè)計參考電動汽車實際運行需求和電池參數(shù)，先由2-3節(jié)單體電池并聯(lián)成電池組，再由若干電池組串聯(lián)形成電池包，均衡板是實現(xiàn)電池間能量遷移的物理通道。

主控制板根據(jù)實際需求，設(shè)計中包含了以下幾種硬件資源：

1）以 TMS320F2812 為核心的最小系統(tǒng)；2）2路 5V/5W隔離寬輸入供電電路、1路±12V/5W隔離寬輸入供電電路、1路3.3V/500mA 非隔離供電電路、2路5V/1W隔離供電電路；3）7路AD采集電路，包括2路大電流（0～500A）檢測，1路高電壓（0～500V）監(jiān)測，4路模擬量（0～3300mV）檢測；4）8路IO隔離輸出電路，選通128路溫度監(jiān)測；5）2路繼電器控制電路；6）帶隔離的 CAN 總線通訊電路；7）SPI通信電路。

3 電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1）控制主板硬件電路設(shè)計

電池管理系統(tǒng)控制主板集成了數(shù)字信號處理DSP 最小系統(tǒng)、電源供電電路、AD 采集電路、IO 輸出電路以及 CAN 通信電路、SPI 通信電路等。

2） DSP 最小系統(tǒng)

主控芯片是 32 位定點高速數(shù)字處理器，工作頻率可達(dá) 150MHz，具有 128K*16 位 FLASH，18K*16 位 SRAM，5K*16 位 ROOM，其強大的運算能力和大容量的存儲空間能夠滿足電池管理系統(tǒng)的各項需求，最小系統(tǒng)電路圖如 2 所示。

4 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1）BMS 軟件部分

BMS 軟件部分設(shè)計主要包含以下九大子程序：

① 電池管理系統(tǒng)BMS主程序；②系統(tǒng)初始化子程序；③電池總電壓和總電流采集子程序；④單體電池電壓采集子程序；⑤均衡控制子程序；⑥電池充電管理子程序；⑦ 電池剩余電量SOC 估算子程序；⑧電池安全監(jiān)控子程序；⑨數(shù)據(jù)存取子程序。

設(shè)計定位于電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，因此軟件設(shè)計部分主要涉及電池管理系統(tǒng)主程序。

2）電池管理系統(tǒng)主程序

純電動汽車 BMS 主程序流程圖如圖4所示。

5 小結(jié)

本文介紹了 BMS 軟硬件部分的設(shè)計，包括電路和程序流程等。首先對主控制板進(jìn)行了最小系統(tǒng)、電源模塊、AD 采集、IO 隔離輸出以及多種通信單元設(shè)計；其次對采集板進(jìn)行了電池電壓采集、SPI 通信等單元的設(shè)計；最后給出了電池管理系統(tǒng)主程序及各子程序流程圖，為代碼的具體實現(xiàn)提供參考。

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