电动汽车电池管理系统设计与研究

柳晓东，袁 清

（潍柴动力股份有限公司新科技研究院，山东 潍坊 261000）

汽车的快速发展带来了严重的环境污染，能源危机也愈加严重，国家已在战略层面支持电动汽车的发展以缓解目前暴露的各项问题。动力电池作为电动汽车的主要能量源，对电动汽车的综合性能起着决定性作用，因此，对电池管理系统的研究刻不容缓。随着环境污染与能源危机越来越严重，中国已将电动汽车作为国家的重大发展战略［1］。与内燃机汽车不同，电动汽车以动力电池为整车的主要能量来源，对于纯电动汽车来说，动力电池更是整车的唯一能量来源。电池管理系统 （BMS）主要负责对动力电池的状态采集、充放电控制和故障判断等，该系统性能的优劣对整车安全性和续驶里程等起着决定性作用［2-3］。

本文以三元锂电池为研究对象，开发了一款电池管理系统，可以实现对动力电池状态的采集，电池荷电状态（SOC）、电池总压和绝缘电阻的计算，能根据电池状态判断电池是否发生故障并对继电器进行控制。

1 电池管理系统方案设计

在本文中，采用“一主多从”的分布式结构设计电池管理系统。主控 （BCU）主要功能包括采集电池总压和总电流、计算绝缘电阻、SOC和控制高压上下电，发送电池的各项信息至上位机，满足上位机的显示需要；从控 （BMU）用来采集单体电压和温度，并执行电池单体的被动均衡，从控通过内CAN与主控通信。

2 电池管理系统各模块功能设计

2.1 单体电压和温度采集

根据实际需求，不同电池包内单体数量各有不同，从几串、十几串甚至到几百串，为了保证电池包及整车能安全稳定地运行，必须对单体电压和温度进行精确采集，当BMS判断电池单体状态出现异常，可以立即采取相应的处理措施［4］。

在本文中，BMU单体电压和温度采集功能的流程如图1所示。

图1 单体电压和温度采集流程图

2.2 动力电池总压计算

电动汽车动力电池总压高达几百伏，而一般芯片的模拟量采集电压不超过5V，因此，在本文中采用电阻分压法来采集电池总压，采用高精度电阻根据电池总压范围设计分压电路，使接入芯片的电压满足使用要求，在程序中对采集到的电压值按分压电阻比例进行还原计算，即可得到动力电池的总压值。

2.3 动力电池总电流和SOC计算

电流不仅可以作为电池过放电或过充电的依据，更重要的是目前Ah积分法计算SOC直接使用该电流值，因此，保证电流测量精度至关重要。

SOC是指电池的荷电状态，一般使用电池实际剩余容量占额定容量的百分比来表示［5］。目前，SOC的计算一般采用安时积分法，通过对电流进行积分即可求得电池实际充电或放电容量，再依据额定容量值即可求出电池的SOC。

开路电压法是利用电池开路电压与SOC的对应关系，在电池静置一段时间采集到单体电压后对电池SOC进行修正。

在本文中，采用了安时积分法作为SOC计算的基本算法，在进行安时积分时，根据电池健康程度和电池温度作为补偿，并使用开路电压法作为SOC修正。

2.4 绝缘电阻计算

电动汽车的高压可达几百伏，若行驶过程中出现“漏电”情况，对人的生命安全会产生巨大威胁，因此，BMS必须具备电动汽车绝缘电阻计算功能［6］。在本文中，计算绝缘电阻的原理如图2所示。

图2 绝缘电阻计算原理

根据图2，绝缘电阻计算步骤如下。

1）以动力电池搭铁点②为参考，测出动力电池电压VB。

2）闭合开关1，断开开关2，测出③点电压VP。

3）断开开关1，闭合开关2，测出③点电压VN。

根据测量的VB、VP、VN和定值电阻R，即可求得RP、RN（即是正极和负极对车架的绝缘电阻值）。

3 测试仿真

BMS高压上下电试验是使用CAN报文收发设备模拟整车控制器发出上下电指令，观察继电器动作、状态和电压变化情况来确认功能是否正常，BMS高压上下电试验结果如图3所示。BMS充放电与SOC验证试验是使用充放电设备控制电池先放电一段时间，再充电同样时间，观察电流和SOC变化确认功能是否正常，BMS充放电与SOC验证试验结果如图4所示。

从图3可以看出，电池总压采集正常，BMS可以根据整车控制器的上下电指令执行正确的上下电动作。

从图4可以看出，在恒流充、放电的工况下，BMS可以进行正确的电流采集和SOC计算。

图3 BMS高压上下电试验

图4 BMS充放电与SOC验证试验

4 结论

本文设计了“一主多从”分布式结构的电池管理系统，根据实际使用设计了包括电池电压采集、电流采集、SOC计算、绝缘电阻计算等功能。使用充放电设备和三元锂电池搭建了BMS测试台架，完成了台架试验，验证了所设计功能的可行性。虽然该电池管理系统已经通过了台架试验，但在电池热管理和故障诊断方面还有较大欠缺，对于成熟的产品来说，该部分功能的实现可能更具有意义，后续应继续研究，开发出具有完整功能的电池管理系统。