基于BMS的電動汽車電池管理系統(tǒng)控制

詹大琳 黃麗瑩 盧欣欣

關(guān)鍵詞：BMS系統(tǒng);電動汽車;電池管理系統(tǒng);控制

BMS的全稱是電池管理系統(tǒng)，屬于電動汽車中的一個子系統(tǒng)，主要作用是監(jiān)測和控制電動汽車運行狀況，并對儲能電池進(jìn)行有效管理。管理范圍包括電池溫度檢測、充電過程監(jiān)管、電量估算等方面。

電動汽車中的電池組相對復(fù)雜，在監(jiān)督控制方面存在一定難度，并且涉及到諸多關(guān)鍵技術(shù)，想要將影響電池組穩(wěn)定運行的潛在隱患和干擾因素控制在源頭，就要在了解電池管理重點、難點及關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮BMS系統(tǒng)控制作用，從而為電動汽車穩(wěn)定運行提供動力保障。

1 BMS系統(tǒng)概述

電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和電控技術(shù)是電動汽車的核心技術(shù)，統(tǒng)稱為“三電”，其技術(shù)水平直接影響電動汽車的速度、續(xù)航里程等情況。只有當(dāng)三種技術(shù)有效協(xié)調(diào)、相互配合，才能夠為電動汽車安全運行提供保障。一旦其中某一技術(shù)存在短板，將會直接降低車輛性能。其中電機(jī)技術(shù)和電池技術(shù)對電動汽車性能帶來的影響尤為顯著。如：汽車動力與電機(jī)功率大小息息相關(guān)，動力電池的儲存能力直接決定汽車?yán)m(xù)航里程。同為“三電”的電控技術(shù)為什么能夠與電池技術(shù)和電機(jī)技術(shù)相提并論，成為研究人員需要深入探索和分析的主要課題。

具體來說，電控技術(shù)是電池管理系統(tǒng)中的最核心功能，也稱為BMS系統(tǒng)，如果不具備該系統(tǒng)，將會大幅度降低動力電池充電、放電效率，同時縮短動力電池使用壽命。如果將電動汽車中的電池組比作一支軍隊，那么BMS系統(tǒng)就是帶領(lǐng)軍隊前進(jìn)的領(lǐng)導(dǎo)，其存在能夠使電池組運行達(dá)到事半功倍的效果。

將BMS系統(tǒng)應(yīng)用到電動汽車管理中，能夠保證所有電池在可運行范圍內(nèi)有序工作，避免電池組出現(xiàn)溫度過高、過充和過放等問題。電池中的單芯容量相對較低，想要確保電池具備較高的續(xù)航能力和運行水平，需要上百甚至上千電芯組成電池系統(tǒng)。為確保所有電芯在合適區(qū)間內(nèi)工作，需要依賴于BMS系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。

新時期背景下，我國汽車行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，促進(jìn)各種類型電動汽車應(yīng)運而生。但與此同時，電動汽車起火事故也隨之增多，引起了廣大消費者恐慌，并對電動汽車安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。當(dāng)前，與HEV電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，目前電動汽車大多應(yīng)用的BEV或PHEV電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時也對電池運行的安全性和續(xù)航力提出較高要求，為了滿足這一需求，需要優(yōu)先選擇使用BMS系統(tǒng)。所以，在我國電動汽車市場不斷拓展的同時.BMS系統(tǒng)也迎來了廣闊發(fā)展機(jī)遇。

2電動汽車中BMS系統(tǒng)的作用

BMS系統(tǒng)是電動汽車電池包中的重要組成部分，同時，電池包也是為電動汽車安全運行提供動力的核心能量源。其通過金屬殼體進(jìn)行包絡(luò)，并構(gòu)成完整的電池包。近年來，在科技迅速發(fā)展背景下，電池中的電芯組成結(jié)構(gòu)也積極采用了模塊化設(shè)計方式，并逐漸向集成化趨勢發(fā)展，通過對電池包進(jìn)行合理設(shè)計、仿真優(yōu)化，全面提高了其控制管理性能。另外，BMS系統(tǒng)中的電氣部件和線束能夠?qū)﹄姵剡B接路徑進(jìn)行監(jiān)督控制和安全保護(hù)，有利于提高電芯管理水平，實現(xiàn)電動汽車通訊目標(biāo)，并滿足信息交換需求。

在電動汽車運行中，BMS系統(tǒng)的主要功能是對電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督和控制，其主要監(jiān)控任務(wù)包括以下幾個方面：a.盡可能規(guī)避電池包或電芯受各種因素影響被損壞;b.保證電池在合適溫度和電壓范圍內(nèi)有序工作;c.在保證電池運行穩(wěn)定、安全基礎(chǔ)上，為電動汽車運行提供保障。

3電動汽車中BMS系統(tǒng)的運行原理

無論電動汽車應(yīng)用哪種鋰離子電池，都需要通過串聯(lián)、并聯(lián)兩種方式將單體電池組成電池組，使其形成動力電池，以此來為電動汽車運行提供動力支撐。在電池組實際運行中，只有確保所有單體電池穩(wěn)定運行，才能夠充分發(fā)揮電池組儲能作用。例如：特斯拉電動汽車在生產(chǎn)制造中主要使用18650鋰離子電池，其中“18650”代表單體電池的規(guī)格，其長度和直徑分別為65mm和18mm。一輛每小時消耗85kW功率的的特斯拉電動汽車搭載的動力電池，至少需要7000節(jié)單體電池提供動力。

一輛電動汽車的動力電池由如此多的單體電池組成，其中每節(jié)單體電池都需要單獨制造。加上電化學(xué)特征的影響，導(dǎo)致部分二次鋰離子電池投入使用后儲存性能存在一定差異。在動力電池充電過程中，需要從一個充電口為所有電池充電，如何能夠在所有電池充滿的情況下不損害電池性能，成為汽車制造行業(yè)需要深入研究和探索的重要課題，而采用BMS系統(tǒng)能夠有效解決以上困惑。

結(jié)合BMS系統(tǒng)運行情況來看，一般需要通過控制模塊和檢測模塊對電池組進(jìn)行管理。其中檢測模塊工作內(nèi)容較為簡單，即通過傳感器，對電池使用過程中的單體電池或電池組電流、電壓、溫度等信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從而為電池組管理提供準(zhǔn)確依據(jù)?？梢哉f沒有這些準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)信息作為支撐，那么電池系統(tǒng)管理也就如同紙上談兵，沒有實質(zhì)意義。

結(jié)合傳感器收集到的各種數(shù)據(jù)，能夠使BMS系統(tǒng)根據(jù)不同單體電池的實際情況，對電池充電進(jìn)行合理分配，在充電過程中如果某一單體電池電量充滿，可以及時停止，避免持續(xù)充電對電池造成損害。同時，在BMS系統(tǒng)運行中，還能夠采用狀態(tài)估算方式，掌握所有電池單體的運行狀態(tài)，通過SOH、SOC等管理方式有效提高電池利用率。雖然這一管理過程通過文字?jǐn)⑹鰜砜摧^為簡便，但足以突出BMS系統(tǒng)的精華和特點，這也是當(dāng)前BMS廠家致力于攻克的技術(shù)難關(guān)。

現(xiàn)階段，電動汽車的電池管理系統(tǒng)主要有兩種模式，一種為主動式均衡管理模式，另一種為被動式均衡管理模式。兩種管理模式具備各自的優(yōu)勢和缺陷，管理方式都是通過采集單體電池或電池組電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)信息，將其傳送給預(yù)算模塊.而后經(jīng)過處理形成運行指令，并通過CAN通訊系統(tǒng)傳送到電動汽車中央控制單元，以此完成控制管理工作。

當(dāng)前，我國主流電動汽車使用的BMS系統(tǒng)大多具備被動均衡管理技術(shù)，同時兼具主動均衡技術(shù)儲備。BMS廠家所提供的配置單中，主動均衡技術(shù)通常為“選配”功能。這是因為被動均衡技術(shù)本身具有裝機(jī)量大的特點，在主流汽車市場占據(jù)地位較高，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出主動均衡技術(shù)。由于我國汽車行業(yè)起步較晚，所以目前生產(chǎn)的電動汽車依然以中低端產(chǎn)品為主，從配置和成本等角度進(jìn)行分析，使用被動均衡技術(shù)更加劃算。隨著汽車產(chǎn)品性能、質(zhì)量的不斷提高，對BMS系統(tǒng)的要求也越來越高，這也意味著未來發(fā)展中主動均衡技術(shù)勢必會成為主流。

隨著汽車電氣化水平的不斷提高，BMS系統(tǒng)也會在HEV電池、低壓啟動電池、PHEV電池等電池系統(tǒng)中廣泛使用。由于低高壓系統(tǒng)之間存在較大差異，并且不同車場、不同應(yīng)用平臺的電池系統(tǒng)不盡相同，加上不同企業(yè)具備自己的風(fēng)格和設(shè)計理念，所以在未來發(fā)展中高低壓系統(tǒng)之間的相似性也會日益突出。

4 BMS系統(tǒng)的主要構(gòu)型

4.1集中式BMS系統(tǒng)

集中式BMS管理系統(tǒng)是將所有采集電壓、溫度等參數(shù)的裝置集中在一塊BMS板中，使其對電動汽車的繼電器控制盒進(jìn)行直接控制。當(dāng)前，絕大多數(shù)的HEV都是這種集中式結(jié)構(gòu)。結(jié)合實踐來看，集中式BMS結(jié)構(gòu)具有成本低、集成化特點，并且將設(shè)備集中在一起，能夠為通信提供便利。但與此同時也存在一定缺陷，就是單體采樣線束較長，為采樣工作增加難度，增加了導(dǎo)線設(shè)計復(fù)雜程度。

4.2分布式BMS系統(tǒng)

分布式BMS系統(tǒng)是將電池組不同功能分離開來，使整個系統(tǒng)形成不同控制器形式，即S-Box控制器、整車控制器、電池管理控制器、單體管理單元等形式。例如：日系的Outlander和Model S及德系的13、18等就是典型的分布式BMS系統(tǒng)。

5基于BMS的電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計方法

5.1BMS系統(tǒng)整體設(shè)計思路

電動汽車的電池管理系統(tǒng)主要由主控模塊、顯示模塊、采集模塊和均衡模塊構(gòu)成。在整體設(shè)計中，可以遵循以下思路：

a.采集模塊。需要在電池箱中安裝相應(yīng)數(shù)量的單體電池和風(fēng)扇控制裝置，并設(shè)置溫度測量點。

b.均衡模塊。如果電池箱中的單體電池電壓存在差異，并且超出標(biāo)準(zhǔn)值，同時充電電池低于規(guī)定值時，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行自動化均衡控制。

c.主控模塊。該模塊主要對下層面進(jìn)行監(jiān)督控制，即對電池組總電壓和總電流進(jìn)行監(jiān)督、檢測和控制。并使用CAN總線與其他模塊相連接，實現(xiàn)快速通信、信息傳遞基本目標(biāo)。

d.顯示單元。選擇合理尺寸的顯示器，借助主芯片實施控制方案，確保能夠通過顯示器實時監(jiān)督電池組運行狀況，使其始終在穩(wěn)定環(huán)境下安全運行。

5.2硬件設(shè)計方法

a.采集模塊硬件設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)是BMS系統(tǒng)的核心部分，想要充分發(fā)揮其控制作用，就要合理選擇硬件設(shè)施。

具體來說：在CPU選擇過程中，可以選擇CAN控制模塊中的DSPIC30F等芯片，同時選擇型號為MCP2551的CAN收發(fā)器，利用CAN總線，將控制系統(tǒng)連成一體，為快速通信提供保障。

另外，在電池電壓取樣過程中，可以擇優(yōu)選取12位精度的ADS7841，通過差分采樣方式，盡可能規(guī)避各種干擾因素。差分采樣方式能夠使電動汽車的電池組和檢測電路相互分離。為了保證溫度測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，可以選擇型號為DS18820型號的溫度傳感器，并對電箱中的溫度測試點進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

對于電動汽車而言，由于其運行過程中所處環(huán)境不盡相同，所以用電環(huán)境也存在復(fù)雜性特點，經(jīng)常會受到電磁波干擾，容易影響在線監(jiān)督檢測效率和質(zhì)量，導(dǎo)致BMS系統(tǒng)無法正常作業(yè)。對此，可以將高速光耦隔離器設(shè)置在CAN收發(fā)器和CPU芯片之間，如此能夠增設(shè)瞬變二極管，使二者共模供電。

此外，單片機(jī)工作電源在運行過程中，需要與地線隔離開來，如此可以有效規(guī)避地線竄擾事故發(fā)生。

b.主控模塊硬件設(shè)計。主控模塊主要包括兩部分：第一，與上文分析的采集模塊相通，為了避免各種干擾因素，需要在硬件設(shè)計中采用各種防干擾措施，確保電池在各種環(huán)境下依然安全運行;第二，對電源總電流進(jìn)行合理采樣，并進(jìn)行二檔設(shè)計，確保將電流控制在合理范圍內(nèi)，測量精度應(yīng)在0.5%范圍內(nèi)。

主要設(shè)計方式如下：選擇DC24 V士30%供電電源，電壓測量范圍的精度為0-750 V，允許誤差范圍在0.5%以內(nèi);SOC估算精度控制在8%以內(nèi)，運行溫度控制在-25～70范圍內(nèi)。

c.顯示模塊硬件設(shè)計。顯示模塊的硬件設(shè)計需要從三個方面分析：第一，選擇型號為SAM9263的芯片，該芯片屬于汽車級別芯片，能夠充分保證BMS系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，同時全面落實ARM方案，對電源進(jìn)行重新設(shè)計;第二，在上位PC之間連接CAN總線，通過光耦隔離器做好防干擾工作，同時分別設(shè)計主板與核心板;第三，顯示器選擇真彩觸摸屏，并進(jìn)分辨率高，且易于操作。

d.電池采集樣路。該環(huán)節(jié)是BMS系統(tǒng)設(shè)計中的主要環(huán)節(jié)之一，可以通過差分輸入方式設(shè)置電池電壓，同時安裝光耦繼電器完成切換工作。電路設(shè)計相對于其他設(shè)計而言較為簡單，并且能夠提高測量精度。在溫度取樣過程中，可以選擇總線方式進(jìn)行設(shè)計，并盡可能少的使用傳感器設(shè)備，以節(jié)約設(shè)計成本。

5.3軟件設(shè)計方法

5.3.1主控模板設(shè)計方法

系統(tǒng)供電后，需要設(shè)計人員做好系統(tǒng)初始化設(shè)計工作，并結(jié)合實際情況設(shè)置各種參數(shù)，同時對外設(shè)進(jìn)行初始化和科學(xué)設(shè)置。完成后進(jìn)入主循環(huán)，在此過程中要準(zhǔn)確檢測電流，并對SOC進(jìn)行科學(xué)計算，對總電壓進(jìn)和絕緣性能進(jìn)行檢測，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，判斷是否存在故障情況，將相關(guān)數(shù)據(jù)儲存。

5.3.2數(shù)據(jù)處理設(shè)計方法

對SOC進(jìn)行估算，該工作能夠直接決定數(shù)據(jù)處理結(jié)果是否準(zhǔn)確。從整體方面進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)處理和SOC估算對整個BMS系統(tǒng)運行起到?jīng)Q定作用。

具體包括以下內(nèi)容：充分了解溫度、電壓、電流、充放電功率的最大值和最小值，這需要設(shè)計人員通過準(zhǔn)確計算得出具體數(shù)據(jù)。對于SOC估算而言，需要采用按時計量方式，運用電池的OCB和SOC相連形成的曲線，對SOC進(jìn)行校正。

5.3.3從控模板設(shè)計方法

系統(tǒng)上電完畢后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對其中的重要參數(shù)進(jìn)行賦值。對于各種外設(shè)，在將其設(shè)置在合理位置的基礎(chǔ)上，也要做好初始化工作。完畢后在主循環(huán)單元完成以下操作，首先對電壓進(jìn)行檢測，而后進(jìn)行均衡控制，接下來檢測溫度，并完成熱管理工作。

6結(jié)語

當(dāng)前我國涉及到BMS的企業(yè)越來越多，在一定程度上增加了市場競爭的壓力。結(jié)合企業(yè)發(fā)展情況來看，呈現(xiàn)出兩級分化嚴(yán)重的問題，并且大部分企業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。對此，需要企業(yè)加大創(chuàng)新力度，進(jìn)一步創(chuàng)新BMS系統(tǒng)，使其在電動汽車中發(fā)揮更大作用。