电动汽车动力电池管理系统的设计探究

摘要：随着电动汽车的普及，动力电池成为电动汽车的核心部件之一。电池管理系统的设计对于电动汽车的性能和安全至关重要。据此，首先阐述了电动汽车动力电池工作原理，其次描述了电动汽车电池管理系统设计的三大技术支持，最后提出了电池管理系统的硬件设计研究及软件设计研究。研究结论可为电动汽车电池管理系统的开发和研究提供参考。

关键词：电动汽车；动力电池；电池管理系统；硬件设计；软件设计

中图分类号：U469.72 收稿日期：2023-04-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.004

1 电动汽车动力电池工作原理

电动汽车的动力电池是其关键部件之一，它负责储存电能，提供动力。动力电池的工作原理是基于化学反应实现的，将正极、负极等组成电池芯片，通过串联、并联等方式组成电池组，并通过电池管理系统实现对电池组的监测和管理[1]。

2 电动汽车电池管理系统设计的三大技术支持

2.1 参数检测与分析

参数检测与分析是电动汽车电池管理系统中的一个重要技术支持，它对电池的状态进行实时监测，并对其进行参数分析，以便及时发现问题并采取相应措施。在电动汽车电池管理系统中，参数检测主要涉及电池组的电压、电流、温度等参数的检测，以及对这些参数进行实时监测和记录。通过这些数据的分析和处理，可以实现电池组的状态估计、容量估算、SOC（State of Charge）估算、SOH（State of Health）估算等功能，进而提高电池组的使用寿命和性能表现。

在参数检测与分析技术的支持下，电池管理系统可以实现以下功能，实时监测电池组的状态，及时发现异常情况并采取相应措施，从而保证电池组的安全运行；通过对电池组电压、电流、温度等参数的检测和分析，实现对电池组状态的估算，为电池组的维护和管理提供依据；通过对电池组容量和SOC等参数的估算，可以为车辆续航里程的计算和预测提供基础；通过对电池组的均衡控制和热管理等功能，可以提高电池组的使用寿命和性能表现。

2.2 SOC初始值估算

SOC指的是电池的充电状态，即电池中已充电电量占总电量的比例。在电动汽车电池管理系统中，估算电池的SOC是十分重要的，它可以为车辆提供更加准确的续航里程信息，也可以保证电池的安全和寿命。为了估算电池的SOC，电池管理系统一般采用基于开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）和电池内阻的方法。其中，OCV指的是电池在不供电、不充电状态下的电压值，它与电池的SOC之间存在着一定的关系。

当电池的SOC较高时，OCV相对较高；当电池的SOC较低时，OCV相对较低。因此，通过测量电池的OCV值，可以大致估算出电池的SOC。在进行SOC估算时，还需要考虑电池内阻的影响。电池内阻会使得电池的OCV值发生变化，从而影响SOC的估算。因此，在估算SOC时，要考虑电池的内阻对OCV值的影响，并对其进行补偿。

另外，在电池使用过程中，由于电池的化学性质会随着充放电而发生变化，电池的OCV和内阻也会相应发生变化，因此还需要进行周期性的校准，以保证SOC的准确估算。

2.3 均衡控制设计研究

均衡控制是电动汽车电池管理系统设计的另一个重要技术支持，它是为了解决电池组充放电不均匀而进行的。在使用过程中，由于各个电池单体的内部结构、质量和使用环境等差异，电池单体之间往往会出现不同程度的容量衰减，导致电池组中的电池单体容量出现差异。若不进行均衡控制，则电池组中电池单体之间容量差异将越来越大，最终导致电池组整体性能下降，甚至引发电池组失效。均衡控制需要对电池组中各个电池单体的状态进行监测和控制，使得每个电池单体的容量得到平衡。

常见的均衡控制方法有被动均衡和主动均衡两种。被动均衡方法主要是通过在充电过程中加入平衡电阻等方式来消耗电池单体之间的电荷差异，使得电池单体的电荷状态逐渐趋于平衡。这种方法相对简单，但会消耗一定的能量，影响电池组整体效率。

主动均衡方法则是通过控制电池单体之间的充放电状态来实现均衡控制。在充电时，对于容量较小的电池单体，可以控制其放电速率比其他电池单体快一些，从而使得其充电时间更长，容量得到充分补充。在放电时，则可以控制容量较大的电池单体先放电，以使其电荷状态降低到与其他电池单体相同的水平。这种方法需要更为复杂的控制算法，但能够有效减少能量损失，提高电池组整体效率。

3 动力电池的性能要求

3.1 安全性要求

电动汽车动力电池的安全性是关键要素之一。电池组需要具备防爆、防火、防漏液等多重安全防护措施，以确保在各种极端情况下都能保持稳定安全的运行。

3.2 高能量密度要求

高能量密度是电动汽车动力电池的重要性能指标之一。高能量密度意味着能够储存更多的电能，从而实现更长的续航里程。

3.3 高功率密度要求

高功率密度是电动汽车动力电池的另一个重要性能指标。高功率密度意味着电池组可以在短时间内输出更大的功率，从而实现更好的加速和性能表现。

3.4 长寿命要求

电动汽车动力电池的寿命需要长达数年，因此需要具备较长的使用寿命。电池组的使用寿命受多个因素影响，包括电池化学、充放电方式、环境温度、使用条件等。因此，需要采用合适的设计和管理措施来延长电池组的使用寿命。

3.5 成本合理控制要求

电动汽车动力电池的成本是一个重要考虑因素。需要采用合适的材料、制造工艺和设计方案来控制电池组的成本，以确保电动汽车的市场竞争力和可持续发展性。此外，也需要考虑电池组的回收和再利用，以降低整个电动汽车生命周期的环境成本[2]。

4 电池管理系统的硬件设计研究

4.1 中央控制单元设计

电动汽车动力电池管理系统中的中央控制单元（Battery Management System，BMS）是电池管理系统的核心部分，负责电池组的状态监测、控制和保护。中央控制单元一般由微处理器、存储器、通信接口、电源管理电路、硬件保护电路等组成，可以实现对电池组的监控、控制和通信。

在中央控制单元的设计中，需要考虑以下因素：a.处理器选型，选择适合电池管理系统应用的处理器，并考虑处理器的性能、功耗和可靠性等因素；b.存储器，选择适合应用场景的存储器类型，如闪存、EEPROM等，并考虑存储器的容量和可靠性等因素；c.通信接口，选择适合应用场景的通信接口，如CAN总线、LIN总线、RS232、RS485等，并考虑通信速率、带宽和可靠性等因素；d.电源管理电路，为处理器、存储器和通信接口等提供稳定的电源，并考虑功耗和效率等因素；e.硬件保护电路，考虑电池组的安全性和可靠性，设计适当的硬件保护电路，包括过流、过压、过温等保护功能。

总之，中央控制单元的设计需要考虑处理器选型、存储器、通信接口、电源管理电路和硬件保护电路等多个因素，以确保电池管理系统的稳定、可靠和安全。

4.2 电池电流与电压采集电路设计

电池电流与电压采集是电池管理系统中的重要功能之一，它能够实时监测电池组的电流和电压，从而实现对电池组状态的实时监测和控制。因此，设计合适的电池电流与电压采集电路对电池管理系统的正常运行至关重要。在电池电流与电压采集电路的设计中，需要考虑以下因素：

a.采集电路的精度和灵敏度。采集电路的精度和灵敏度直接影响到电流和电压的采集精度，因此需要选择高精度、高灵敏度的电路组件，如高精度模拟运算放大器和ADC芯片等。电流7giFI74z2yLUTI/39BCnpQ==采集电路的设计中，电流采集电路需要使用高精度的电流传感器，并考虑传感器的额定电流范围和灵敏度等因素。同时，电流采集电路还需要考虑对电池组的影响，如电池内阻等。电压采集电路的设计中，电压采集电路需要使用高精度的电压测量电路，可以使用分压电路或者差分放大电路等，同时需要考虑对电池组的影响，如电压测量电路的负载等。

b.采集电路的滤波和去抖动。采集电路需要考虑对噪声和抖动的过滤，可以使用低通滤波器和去抖动电路等。

c.采集电路的耐受性和安全性，采集电路需要具备一定的耐受性和安全性，能够承受电池组的过流、过压等异常情况，同时需要考虑电路的绝缘和防护等。总之，电池电流与电压采集电路设计需要考虑电路的精度、灵敏度、耐受性和安全性等多个因素，以确保采集电路能够稳定、可靠和安全地工作，实现对电池组状态的准确监测和控制。

4.3 热管理电路设计

热管理电路设计是电池管理系统中不可或缺的部分。电池在工作时会产生大量热量，如果不能及时散热，会影响电池的性能和寿命，甚至引发安全事故。因此，设计一个有效的热管理系统对于保证电池的安全和稳定运行至关重要。热管理电路通常由温度传感器、控制芯片、风扇、散热片等组成。温度传感器可以实时监测电池组的温度，控制芯片可以根据温度变化调节风扇的转速来加强或减弱散热效果，散热片则可以将电池组的热量快速散发出去。在设计热管理电路时，需要考虑以下几个因素：

a.散热效果，需要根据电池组的功率和温度等参数来确定散热片的尺寸和材质，以确保散热效果良好。

b.电路的稳定性，需要考虑温度传感器和控制芯片的精度和稳定性，以避免误差对电池组的影响。

c.系统的安全性，需要在电路中加入保险丝、过压保护、过流保护等安全措施，以确保在异常情况下能够及时切断电路，避免安全事故的发生。总之，设计一个高效、稳定、安全的热管理电路对于电池管理系统的正常运行至关重要。

4.4 单体电池均衡电路

单体电池均衡电路是电池管理系统中非常重要的一部分，它可以有效地解决电池组单体电池之间电性能不一致的问题，提高整个电池组的性能表现。单体电池均衡电路的基本原理是将每个电池单体的电量控制在相同的水平上，以确保电池组中每个电池单体的使用寿命相同。在电池组充电和放电的过程中，不同单体电池的电压、电流、温度等参数都会发生变化，均衡电路就是通过控制这些参数，使得所有单体电池的电量保持在相同的水平上。

均衡电路的实现方式主要包括被动均衡和主动均衡两种。被动均衡是通过在电池组中串联电阻或开关来实现，但这种方法的效率较低，均衡效果也不太理想。主动均衡则是通过控制电池组中的电路，将电池组中电量低的单体电池放电，将电量高的单体电池充电，从而实现均衡的效果。单体电池均衡电路的设计需要考虑多个因素，包括均衡的效率、成本、可靠性、功耗等。同时，均衡电路的设计也需要根据电池组的不同特点进行针对性的优化，以实现最佳的均衡效果。

5 电池管理系统的软件设计研究

5.1 软件设计中的控制实现

在电动汽车动力电池管理系统中，软件设计的控制实现是至关重要的。电池组的充放电过程需要严格的控制和管理，以确保电池组的安全和稳定性。控制实现的方法可以采用各种控制算法，如PID控制、模糊控制和神经网络控制等。

在软件设计中，需要考虑多种因素，包括电池组的温度、SOC等。这些因素的变化会影响电池组的充放电特性，因此需要根据实际情况进行调整和优化。控制实现的过程需要对电池组进行精确的监控和控制，以保证电池组的性能和寿命。通过合理的控制算法和参数设置，可以实现最佳的控制效果，并最大限度地提高电池组的效率和性能。

此外，在软件设计中，还需要考虑软件的稳定性和可靠性。软件应该能够在各种工作环境下正常运行，并且能够快速响应各种异常情况，保证电池组的安全和稳定性。因此，在软件设计中，需要对软件进行充分的测试和验证，以确保软件的稳定性和可靠性。

5.2 软件设计中的电量检测

在电动汽车的电池管理系统中，电量检测是至关重要的功能。电量检测的主要任务是实时监测电池组的电量，提供准确的电量信息，以保证驾驶员能够及时掌握电池组的状态并做出相应的驾驶决策。电量检测通常通过采集电池组的电压、电流和温度等参数，结合电池组的特性曲线以及电池组内部的均衡控制算法，计算出电池组的电量信息。

在软件设计中，需要设计相应的算法，实现电量计算功能，并确保算法的准确性和稳定性。此外，在电量检测的过程中，需要考虑到各种异常情况的处理，如电池组单体电池失效、电压异常等。对于这些异常情况，需要在软件设计中设置相应的保护机制，避免电池组受到损害。

总的来说，电量检测在电动汽车的电池管理系统中起着至关重要的作用，要求软件设计具备高度的精准性和可靠性，同时还需要具备强大的异常处理能力，以保证电池组的安全和稳定运行。

5.3 软件设计中上位机软件的设计关注点

在电动汽车电池管理系统中，上位机软件的设计关注点是非常重要的，它承担着与用户进行交互的重要角色。下面列出了几个上位机软件设计的关注点：

a.上位机软件需要支持实时数据的显示，例如电池组的电量、电压、电流等信息。此外，还需要支持历史数据的查看，以便用户对电池组的运行状态进行更全面的了解。其次，上位机软件需要支持对电池管理系统进行控制和调节，例如控制均衡电路的开关、调整充电和放电电流等。这样用户可以根据需要对电池组进行细致的控制，以达到更好的性能和寿命。

b.上位机软件还需要支持故障诊断和报警。当电池组出现异常情况时，上位机软件应该及时发出警报并提供详细的故障诊断信息，以便用户及时采取措施。

c.上位机软件应该具备友好的用户界面和操作方式，让用户可以轻松地掌握和使用系统的各项功能。同时，也需要支持多语言和多平台的使用，以满足不同用户的需求[3]。

6 结语

电动汽车电池管理系统是电动汽车的重要组成部分，对于提高电动汽车的性能、安全性以及使用寿命有着至关重要的作用。本文系统地介绍了电动汽车电池管理系统的设计和关键技术，包括参数检测与分析、SOC初始值估算、均衡控制设计、硬件设计和软件设计等方面。在电池管理系统的设计中，安全性、高能量密度、高功率密度、长寿命和成本合理控制等性能指标都需要得到充分考虑和保障。本文的研究结论可为电动汽车行业的从业人员和相关技术爱好者提供良好的参考价值。

参考文献：

[1]柴业鹏，孔为，赵国华，等.纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统研究[J].现代制造技术与装备，2021，57（4）：110-112.

[2]郭伟伟.电动汽车动力电池管理系统常见故障及处理方法[J].技术与市场，2020，27（5）：95-96.

[3]钱超.浅谈电动汽车动力电池管理系统[J].汽车博览，2022（14）：127-129.

作者简介：

任崇，男，1992年生，助理工程师，研究方向为汽车设计。