电动汽车电池管理系统的研究

庞春虎

(河北化工医药职业技术学院，河北石家庄050035)

汽车为人们的出行带来了前所未有的便捷，但是也造成了石油资源严重损耗以及由此而产生的环境问题，电动汽车便由此进入到人们的视野之中。其实电动汽车最早在1873年由英国人罗伯特·戴维森发明，这比汽油发动机的汽车发明还要早十余年。但是汽油汽车轰轰烈烈地发展起来，而电动汽车却在一百多年间鲜有发展，这其中最大的问题便是电池技术的限制。

随着电池技术的跨越性发展，电动汽车行业迎来了发展的浪潮。本文通过研究整合现有的电池管理系统，深入分析其优缺点，提出一套关于电池管理系统的设计方案。该方案主要包括电池信息的采集、主电路的保护和充电单体之间的均衡电路设计三部分，基本实现了对于汽车电池的管理，在一定程度上改善了电池的运行环境，降低了各种原因引起电池短路的概率，从而达到安全稳定和提高寿命的目的。

1 电池管理系统的整体设计思路

电池管理系统之所以发展缓慢，是因为存在着许多困难，归结起来主要包括：

(1)电池管理系统是一个跨学科的系统设计，包括电池化学试剂、现场控制设计以及现场通信的设计等；

(2)电池管理系统是一个有多变量影响的系统，除去现场突发变量的影响，还包括电压、电流、温度等影响；

(3)系统模块之间具有强的连系性，耦合程度也高，最主要的影响就是一个现象的出现很有可能是多个模块的共同影响；

(4)电池组的不一致性，每个电池即使出自同一个厂家，由于生产工艺的限制，各个电池也会出现一些微小的差别，而这些差别会在使用中被放大，最终造成电池电量的不均衡。

本文做出了针对性的设计，整体设计如图1所示。

图1 电池管理系统整体设计

2 硬件电路设计

对于整个管理系统的设计而言，硬件电路设计是其核心部分。设计的主要任务是通过硬件电路实现对整个电池系统的管理控制，主要涉及了信息采集、数据的处理分析、电池的整体管理等环节。按照功能分类，该系统主要分为ECU控制单元、电池电压电流的信息采集、对于主回路电路的短路保护和电池单体均衡电路四部分。

2.1 ECU控制单元

ECU控制单元是整个系统的控制处理核心。本设计采用XC164微控制器对系统进行控制，主要完成的任务为：接收到温度、电流电压等物理信息并对其进行分析处理；对电池荷电状态(SOC)的估算，分析剩余电量；发送运行命令进行控制以及实现通信。由于控制单元整体模块化，在此不做详细的电路说明。

2.2 电池电流和电压采集电路

电流的大小是检测电池容量的主要参数，本设计的电流采集电路要实现高精度、高抗扰性、零漂移的目的。为了实现这个目的，需要选择一个合适的电流传感器，通过对市面上的大多数电流传感器进行分析对比，采用具有军工技术与制造工艺的FC-2分流器。该分流器具有满足复杂工作环境、价格相对便宜、耐高温、受温度影响小以及测量电路相对简单的优点[1]。

电流采样电路的设计中分流器置于主回路之中，通过采样放大电路对微弱电压信号放大采集，并通过ADC实现数模转换后送往微处理器进行分析处理。具体的采样放大电路如图2所示。

图2 电流放大检测电路

电压的采集电路与电流采集电路的原理类似。值得一提的是，与普通的电压采集电路不同，该电压采集电路是针对一个串联的电池组进行数据采集，在设计过程中用到了多路电压采集技术。

2.3 供电主回路短路保护电路

在汽车的电池管理系统之中，由于汽车内温度较高，并且平时维护可能不及时，容易造成汽车电路的潜在危险，严重的线路短路极易引发汽车自燃。针对这一问题，本设计在供电主回路中添加了短路保护系统，将可能发生的危险降到最低。

本设计使用微控制器以及外围电路设计了短路保护电路，避免因短路对气体电子设备造成伤害。短路保护电路的设计原理为：当整个保护电路中运行正常、没有短路现象时，三极管中没有电流通过，只起隔离作用；而当电路运行不正常、有短路现象发生时，三极管导通，与三极管相连的电阻有电流通过，从而使Ne555的工作状态为单稳态，这样就会发送脉冲信号给微控制器。微控制器经过处理分析信号，从而关闭供电电路。具体的电路设计如图3所示。

2.4 电池单体均衡电路

图3 供电主回路短路保护电路

供电系统中并不是一块电池，而是很多块电池串联而成的电池组。受到制造工艺的影响，每块电池之间总会存在这样那样的差别从而造成存储、放电过程的不均衡性，一方面对电池很容易造成损害，另一方面还会使整个供电系统越来越脆弱。为了解决这一问题，就要对电池组进行均衡化设计。

该设计的原理是将高电量电池中的能量转移到低电量的电池中去，实现电量的均衡管理。主要方法是利用一个变压器系统，变压器的初级线圈和次级线圈分别连接到电池组和电池单体上，从而实现电量的转换。具体的电路设计如图4和图5所示。

图4 初级线圈电路设计

图5 次级线圈电路设计

3 总结

电动汽车是汽车行业发展的必然趋势。本设计对现有的电动汽车电池管理系统进行了整合分析，设计出一套相对更加高效的电池管理系统，系统中既包括电池信息的采集，还包括电路保护功能，提高了电池组的工作可靠性，从而保证电动汽车的安全运行。

[1]潘磊，姜久春，李景新，等.电动汽车智能无源接地检测装置的研制[J].电气传动自动化，2003，25(4)：47-50.