电动客车电池管理系统技术

尹志刚,龙宇舟,彭再武，刘文哲

(1.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410000;2.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南 株洲 412000)

电动客车中电池管理系统(BMS)对动力电池性能提升起关键作用。BMS主要功能：采集电池单体温度、单体电压，对单体电压进行均衡控制，对电池单体进行过压、欠压、过温保护；采集电池系统总电流、总电压，计算绝缘阻值、判断电池系统继电器粘黏状态；估算SOX状态；实时对电池系统进行主动保护及充放电控制；传递电池信息至整车控制单元、显示单元、远程监控单元进行显示及后台数据处理。

1 电池数据采集及状态估算

电动客车BMS需要采集的电池数据有：电池单体温度/电压、电池系统电流、电池总压及继电器后端电压，从而计算电池系统绝缘阻值，并估算电池SOC和SOH状态参数。

1.1 电池单体电压及温度采集

电池单体电压与温度采集存在两种方式：集成式芯片采集和模拟电路采集。

1.1.1 集成式芯片采集

现使用的主流采集芯片有LTC68XX系列和NXP33771X系列，国内BMS使用最多的为LTC6811，其主要特点有：采集路数多，一块芯片可测量多达12串电池单体电压、4个温度值；测量时间短，290 μs可完成所有电池单体测量；16位AD转换模块；涵盖GB/T 34590.2—2017《道路车辆功能安全 第二部分：功能安全管理》[1]安全性要求设计。

出于成本考虑，现BMS多数做成单体24串、36串、48串或60串集成式从控板，不同串的从控板之间直接连接采用SPI通信，从控板与主控板之间通过CAN通信。但集成式从控板灵活性差，多数适用于电池单体串数小于60串的标准箱，不适用于单体串数更多的非标准电池箱。

从灵活性考虑，部分BMS直接以采集芯片为单元设计成小体积的从控板，该方案从控板外围电路元器件少，通常电路板体积非常小，常用于直接采集一个模组(模组中的电芯通常先并后串)中的单体信息，从控板与从控板、从控板与主控板之间采用SPI通信。在多串数单体的非标准电池箱，可采用一个模组配置一块从控板方案，具有单元化强、箱内线束少等优点。但该方案从控板数量多，成本相对较高，且SPI通信稳定性较CAN通信差，易受干扰，存在丢帧现象。

1.1.2 模拟电路采集

从降本角度考虑，有BMS采用多通道模拟电路进行电池单体信息采集。以一路差分电路为主体，通过多路选择开关分时采集每个单体信息[2-4]。该方案与使用集成式芯片采集相比，成本较低，但有采集时间长、温度采集电路与低压电路未隔离设计等缺陷。目前标准的电池箱单模组多数采用柔性电路板(FPC)替代采样线束采集单体电池信息。温度采集电路与低压电路未隔离则会造成电池系统耐压测试时，FPC管脚之间将承受耐压测试电压的冲击，易导致FPC插头部位耐压击穿。

1.2 电池系统电流采集

BMS中SOC的估算通常采用安时积分法。电流传感器采集误差是直接影响安时积分法估算SOC精度的关键因素，因此准确实现电流采集至关重要。现电池系统电流采集主要有霍尔电流传感器与分流器两种方式。其中霍尔传感器又分数字信号与模拟信号两种电流传感器。数字信号电流传感器通过CAN报文传送电流值，精度高、误差小、成本高。模拟信号电流传感器通过电流或电压量传送电流值，精度较高、误差中等、成本中等。分流器通过电流流经电阻的电压量换算出实际电流值大小，精度低、误差大、成本低，因此多数电动客车不使用分流器采集电池系统电流。

1.3 电池总电压测量及绝缘电阻计算

电动客车电池总电压测量及绝缘电阻计算主要分不平衡电桥法与信号注入法。

1.3.1 不平衡电桥法

不平衡电桥法在整车高压系统与整车接地之间并联一个已知的电阻，通过等效电路的电压来计算出整车等效绝缘电阻。文献[5]中定义REESS(可充电的且可提供电能储能系统)高压总正与总负对电平台有不同的绝缘电阻Rp和Rn，如图1所示。从安全角度考虑，取REESS阻值Rp和Rn中较小的一个为绝缘电阻[5]。

文献[5]针对绝缘电阻设计了不平衡电桥测试法[6-7]，其绝缘电路如图1中虚线部分，其中R0、R1为固定电阻；S1、S2为开关部件。

图1 不平衡电桥法绝缘检测电路

Rp和Rn为电池系统高压总正和总负与整车接地之间的等效绝缘阻值，E为电池总压。

1)开关S1、S2同时闭合，得到电压Up1和Un1：

(1)

(2)

2)只闭合开关S2，得到电压Un2：

(3)

3)只闭合开关S1，得到电压Up2：

(4)

通过上述得到Up1、Un1、Up2和Un2的实际测量值，代入公式(1)～(4)后，可计算求出Rp和Rn，取其中较小值作为电池系统的绝缘阻值。

1.3.2 信号注入法

信号注入法绝缘检测仪为传递函数[8-9]，绝缘检测仪自身电压源为激励信号，激励信号经过绝缘检测电路求得响应信号，响应信号通过转换求出被测对象R(绝缘电阻)。当被测对象R变化时响应信号也会随之变化，两者呈现函数关系，从而不断求出实时绝缘电阻R。其原理示意图如图2所示。

图2 信号注入法原理示意图

1.4 继电器后端电压及粘黏检测

文献[10]要求充电时必须对电池系统充电继电器进行粘黏检测。BMS对继电器粘黏检测通常采用电压比较法，即采集电池系统总压、继电器后端电压进行比较。在每次需闭合继电器前，判断继电器后端电压是否大于90%电池系统总压，若大于则判定继电器为粘黏，并上报粘黏故障；若不粘黏，则按正常逻辑闭合继电器。

1.5 电池系统状态估算

1.5.1 电池SOC估算

电池SOC计算公式：

SOC=Cr/Ct×100%

(5)

式中：Cr为电池系统剩余容量；Ct为电池系统当前状态下可用总容量。

现BMS仍主要采用开路电压法和安时积分法[11-13]进行SOC估算。开路电压法确定SOC初值，安时积分法进行容量累加。为提高SOC估算精度，通常考虑电池环境温度、循环次数对电池可用总容量的影响，根据电芯原始数据实时修正电池系统可用总容量，以提高电池系统SOC估算精度。

1.5.2 电池SOH估算

电池健康状态(SOH)指某些直接可测或间接计算得到的性能参数的当前值Nn与初始值Ni的比值，用来衡量电池的健康程度。性能参数包括循环次数、放电容量、放电能量、峰值功率、直流内阻等，计算公式如下：

SOH=Nn/Ni×100%

(6)

2 电池系统控制

2.1 均衡控制

随着电池系统的使用，其电芯的一致性差异愈发明显，致使电池系统出现短板效应，容量最低的电芯导致整个电池系统充不满、放不空。若某一电芯一致性差异持续增大，将使其他电芯的一致性差异一同增大，最终导致整个电池系统容量快速衰减[14]。因此，通过电芯均衡控制减小电芯一致性差异至关重要。现均衡控制方法主要有被动式均衡和主动式均衡。

1)被动式均衡。被动均衡就是对模组中电压很高的电芯进行放电，使其与其他电芯电压尽量保持一致。通过从控板对每个电芯并联一个电阻、一个开关器件构成均衡回路，由开关器件周期性通断对需均衡的电芯进行放电，从而减小最高单体电压与最低单体电压的差距。均衡策略：在前一个周期内由主控板计算出需要均衡的电芯，下发均衡开启指令至从控板，从控板收到指令后在下一个周期中的均衡时间对电芯开启均衡，均衡完毕后继续采样，若未到达均衡关闭条件，主控板将持续对需均衡电芯发送均衡开启指令，直至满足均衡关闭条件。

目前，被动均衡的水平通常可达到同时开启一个从控板1/4至1/2采集电芯均衡路数，均衡能力只有100 mA左右。若在电池系统的放电与充电过程均开启被动均衡，可减小电芯一致性差异的效果。被动均衡因均衡电路简单、均衡器件成本低，通常其从控板成本为同串数主动均衡从控板成本的1/2。

2)主动式均衡。其电路由电容、电感、开关器件构成。通过控制开关器件周期性将电压高的电芯能量转移至电压低的电芯，均衡能力可达500 mA～2 A。主动式均衡从控板可同时开启的均衡路数通常为其电芯采集路数的1/4。由于主动均衡成本高，在电动客车电池系统中常不被采用。

2.2 充电控制

为实现电池系统高效率充电，充电过程通常采用三段式充电方式：先恒流后恒压再涓流。在恒流阶段，BMS会根据电池系统在不同温度与不同SOC下的充电接受能力调整充电电流大小。电池电压上升至某一值后，电池系统进入恒压充电方式，通常恒压充电时间非常短。恒压充电阶段，充电电流会逐渐下降，当下降至某一特定值时，电池系统进入涓流充电方式。涓流充电一段时间，电池系统单体电压达到某一特定值，充电全过程结束。

2.3 电池系统安全控制

BMS采用在线故障检测、远程故障预警、24 h监控方式进行电池安全控制。

1)在线故障告警项目通常有：单体过压/欠压/过温/低温，总压过压/欠压，电流过流，SOC过低，系统绝缘，通信故障，火灾报警，散热系统故障等。常将电池故障分等级处理，一般分成三级：一级轻微，提示性故障或限功率处理；二级中等，进一步限功率处理；三级严重，主动切断对应继电器，禁止使用电池。

2)远程故障预警主要有两方面功能：①及时推送电池系统实时故障；②利用后台大数据系统预测电池故障趋势，提前预判电池故障，以便利用电池闲置时间进行电池维护。

3)24 h监控。采用电池系统配置的DC/DC模块，将动力电池高压电转换为24 V低压电供BMS工作，实时采集电池系统信息，实现24 h监控功能。24 h监控实现方式为电源DC/DC模块自带时钟电路，在车辆运行时或充电结束下电时，由BMS下发周期性DC/DC唤醒时间，DC/DC收到唤醒时间后自动计时到第一次唤醒时间，DC/DC模块以固定时间工作向BMS输出24 V低压电，后续若车辆未进入运行或充电状态，则DC/DC模块继续计时，DC/DC模块将以周期性时间进行唤醒向BMS输出低压电，供BMS监控电池系统信息。若车辆进入运行或充电状态，则DC/DC模块停止计时，退出24 h监控模式。

3 结束语

电动客车的动力电池系统需实现安全、无故障、高效率的使用，其中BMS起着核心控制作用。文章介绍了电动客车BMS的构成，阐述了其主要功能。