动力锂电池管理系统的设计及SOC的估算

张丹明，周 彦

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

动力电池是影响电动汽车整车性能的关键因素，为确保电池性能良好，延长其使用寿命和制定良好的充放电控制策略，管理系统的研发尤为重要.［1］本文针对目前电池管理系统的应用需求设计BMS，主要实现三大功能：1）实时监测电池状态，采集单体电池电压、电流和温度等；2）在正确获取电池的状态后进行风扇热管理、电池均衡管理、故障报警等；3）建立有效的算法，对电池的SOC进行估计，从而对电池组采取合适的充放电控制策略.［2］

1 系统硬件设计

本系统采用5个磷酸铁锂电池模组，每个模组由24节单体电池串联而成，每节单体电池的额定电压为3.2V，电阻组的总额定电压约为384V.整个系统采用分布式结构，实现电池管理功能.每个电池组模块作为一个从控子模块，主从控系统间用CAN总线进行通信.系统硬件设计框图如图1所示，虚线框为从控子模块框图.

主控模块主要功能是采集电池组总压信号和电流信号，经过信号电路调理滤波输入到DSP的A／D口；通过软件算法实现对电池SOC值的估计；实现电压、电流、温度、SOC值等数据的存储和显示，同时为电池组提供必要接口以及与其它组件建立通信.

从控模块主要通过单片机发出指令，采集各个模组单体电池电压、温度等相关参数；通过采集到的电压信号对单体电池实行均衡控制；建立SPI通信，实时将数据传送至主机DSP.［3］

图1 系统硬件设计框图

1.1 CPU控制器

根据电池管理系统的设计要求，本文采用TI公司型号TMS320F2808PZA的DSP芯片，作为电池管理系统主控模块的MCU芯片.

从控模块MCU芯片采用MOTOROLA公司16位9S12DT128单片机，工作频率24MHz，128K片内FLASH，4K片内RAM，3路CAN控制器，112脚封装支持，背景调试模式和大容量存储器扩展，集成CAN，BDLC，SCI，SPI等多种接口，功能丰富，速度高、功耗低、性价比高、系统设计简单.

1.2 电压采集单元

电压采集单元采用多路通道模拟开关对单体电压进行巡回检测.采集原理是：通过模拟开关选通和电路滤波，差分电路将采集到的各单体电池电压，信号传送至单片机的A／D口，并显示电压值.电压巡检采集单元原理见图2.

差分放大电路选择价格低廉，具有高转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数的四输入运算放大器TL084.

多路开关选用CD4051，1片CD4051可完成1～8路模拟信号的输入选择与切换.通过地址控制位A、B、C和INH的二进制码实现多路控制.

图2 单体电压采集电路原理框图

1.3 均衡模块

本系统中，利用高频反激变压器和MOS开关切换控制方案实现均衡控制.变压器原边接24V直流源，副边侧每个线圈对应一节单体电池.电池均衡控制的基本原理为：当检测某单体电池电压过高时，先闭合该电池端变压器电路，再闭合24V变压器电路，进行放电；当检测某电池模块电压过低时，先闭合24V变压器电路，再闭合电池模块变压器电路，进行充电.通过单片机发出指令控制单体电池与副边绕组间的MOS管，实现对过电压或欠电压的均衡.利用直流电源对其充放电，两端电压精确可调（图3）.

理想情况下，均衡充电电压

其中，Vin为输入电压，N为原副边线圈在匝数比，D为MOS管占空比.

图3 多副边绕组变压

1.4 温度采集单元

电池组温度过高或过低会造成电池组不可逆转破坏.本系统温度单元采集用PWM温度传感器芯片TMP05.每个电池单体附近放置1个TMP05，采用菊花链状连接工作方式，当第一片TMP05的CONV／IN引脚接收到来自MCU产生的启动脉冲后，进行转换并测量输出，并为下一片提供启动脉冲.输出方波的高电平的持续时间（TH）是固定的，而低电平的持续时间TL却随着温度而变化.

当CONV／IN引脚设置为低或者浮置时，T／℃＝421－751×（TH／TL）若设置为高电平，则T／℃＝421－93.875×（TH／TL）.其中，TH和TL的值可以通过微处理器的定时／计数口很容易地读取，然后编程即可实现上述算法，从而得到所测温度值.这种菊花链式接法可以减少I／O口使用，其连接方式见图4.

图4 温度传感器电路

2 系统软件设计

硬件电路确定后，电池管理系统的主要功能将依赖于系统软件功能的实现.

2.1 系统软件流程

电池管理系统的主要功能是检测电池组的电流、电压、过电流、漏电流、温度等数据，同时在运行过程中估计电池的剩余容量，同时控制风扇和热管的启动，并做出各种错误报警；将重要数据信息通过CAN总线报送液晶显示器显示，建立主从控模块间的 SPI通信［4］.

本电池管理系统的软件设计主流程见图5，首先对系统初始化，对相关参数进行赋值，进入主循环，采集蓄电池组总压及充放电电流信号；单片机控制子模块采集单体电压、温度；进入SOC估算子程序，完成蓄电池SOC的估算；建立系统SPI通信和CAN 通信；数据存储与显示.［4－5］

2.2 SOC算法验证

SOC描述动力电池的剩余电量，其值的大小直接反映出动力电池的状态，是保证电池正常工作的重要参考依据.将Ah积分方法和等效电路模型的动态空间形式相结合来建立滤波体系，从而实现Ah计量法、开路电压法与非线性滤波法三者有机结合的复合估算方法.本实验采用脉冲放电方式对电池进行放电，放电曲线见图6.

卡尔曼滤波器用于估计离散时间过程的状态变量，其系统状态方程为

定义系统测量变量yk∈Rn，得到测量方程

改进后的Ah法用到卡尔曼滤波器中.ωk、υk分别为过程激励噪声和观测噪声，为正态分布的白色噪声［6］.将Ah积分方程作为系统状态方程，SOC通常作为系统的状态量xk，uk包括动力电池电流、温度及放电倍率等变量参数的影响因素.开路电压uoc作为观测变量，其值为系统的输出量.

利用电流积分计算动态过程中SOC的变化量计算公式：

其中，SOC（t0）为电池初始状态下的SOC值，Qe为电池额定电量，η分别为温度、放电倍率和循环次数等修正系数［7］.

采用开路电压法，建立蓄电池模型，其关系式为

其中，R为电池内阻（非定值），K1为极化效应的等效内阻，K2、K3和K4是模型匹配参数.

根据以上分析，复合法以电池端电压的估计值与测量值之间的误差，与卡尔曼滤波器的增益值，作为误差修正值，从而更新下一时刻的SOC估算值.同时基于卡尔曼滤波原理，为保证最佳估计，需保证误差协方差估算值最小.利用matlab／simulink工具，对锂电池放电系统建立数学模型.卡尔曼滤波法估计动力蓄电池SOC值仿真结果见图7.

图7 蓄电池SOC仿真曲线

3 结束语

本文通过实验仿真，电池管理系统硬件设计保证了系统的稳定性和精确度，可以实现在线监测和标定.改进的复合SOC算法实现最佳估计，能使该电池管理系统具有较高的SOC估算精度，保证整个电池的工作性能和寿命，具有良好的应用价值.

［1］成 涛，王军平，陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用［J］.电池，2004，34（5）：34－45.

［2］李 娜.微型纯电动汽车电池管理系统的设计［D］.南京：南京航天航空大学图书馆，2010.

［3］Wei Xuezhe，Sun Zechang，Zou Guangnan.A modularized li－ion battery management System for HEVs［J］.Automotive Engineering，2004.26（6）：629－631.

［4］Lim D，Anbuky A.A distributed industrial battery management network［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（6）：1 181－1 193.

［5］夏超英.电动汽车电池管理系统设计与均衡充电方案研究［D］.天津：天津大学，2006.

［6］鲍齐克 M S.数字滤波与卡尔曼滤波［M］.凌云旦译.北京：科学出版社.1984.

［7］Gregory L.Plett.Extended Kalman filtering for bat－tery management systems of LiPB－based HEV battery packs Part 2［J］.Modeling and identification，Power Sources，2004，134（2）：262－276.