纯电动汽车分布式电池管理系统的设计与实现

陶银鹏

（海马轿车有限公司）

1 前言

电池管理系统（Battery Management System，BMS）是在电动汽车使用过程中具有检测电池能量的消耗量并预测电池剩余电量等功能的综合性电子控制系统。制约电动汽车普及的关键因素是车载动力电池技术的相对落后，尤其是BMS的相对落后[1]。实践表明，在电动汽车使用过程中，良好的BMS可以有效维护电池组的一致性，实时监控电池的运行状态，准确估算剩余电量等，还可向整车控制提供必要参数以便于对电动汽车的运行工况进行智能调节。本文综合国内、外的一些先进成果，设计并实现了一种分布式电池管理系统[2]。

2 总体方案设计

2.1 设计标准

本文的电池管理系统依据汽车行业标准QC/T 897-2011《电动汽车用电池管理系统技术条件》设计，该标准规定了电动汽车用电池管理系统的术语与定义、要求、试验方法、检验规则、标志等。

QC/T 897-2011标准要求电动汽车电池管理系统具有以下功能:

a.监测:对包括电压、电流、绝缘阻抗、通断情况、SOC等相关参数进行监测及显示。

b.计算:根据检测到的数据计算电池的SOC、SOH（State of Health,健康状态）、放电及充电功率限制、电池寿命、车辆剩余续驶里程等。

c. 通信:BMS内部和外部都需要通过可靠的通信方式发送数据。

d.保护:涵盖故障诊断和故障处理两方面内容，包括过压、欠压、过流、低温、高温和短路，以及协调电池安全和车辆运行安全。

e.优化:电池组的平衡、电池容量计算和电池寿命优化。

f.其他:高压互锁、绝缘检测。

2.2 总体方案

车载动力电池系统工作环境恶劣，常处于强电磁干扰及脉冲电流的干扰中，集中式电池管理系统无法满足安全性和可靠性要求，需要采用分布式结构，即多个分布子系统并联，采用CAN总线进行通信连接，组成一个统一可靠的电池管理系统[3]。

根据电池管理系统的功能、可靠性和安全性，可将其分为主控模块板、高压模块板和分布测量模块板，各模块间采用CAN总线通信，如图1所示。

整个电池管理系统分散布置，模块间利用CAN总线互相连接，保证了对电池包电压和电流的同步测量，且分布测量模块的数量可随电池模块数量的变化随意调整，增强了系统的适应性。

3 电池管理系统设计

3.1 主控模块设计

3.1.1 电路设计

主控模块包括系统电源、输入检测、继电器控制和通信接口等电路[4]，采用Microchip的PIC24HJ256 GP610作为处理器；电源部分使用TPS5420D和NCP565D2T33G作为电源芯片，为系统提供正常工作所需的电压；使用光耦AB26S作为外围输出控制的隔离；此电路有3路CAN接口，采用CTM1040作为CAN收发器模块，使用MCP2515作为CAN收发器与处理器间的通信转换，分别与整车控制器、监控上位机、高压模块控制板和分布测量模块板进行CAN通信，并为高压模块控制板和分布测量模块提供3路12VDC电源。

3.1.2 SOC算法

由于电池包处于不同状态时，的剩余电量特性差别很大，本系统采用开路电压法和安时积分法相结合的SOC估算方法，使用卡尔曼滤波法进行修正，估算精度误差控制在5%以内[5]。

根据电池状态分别采用相应的SOC计算方法。当电池停止工作后，电流为零，无极化现象，其SOC值与开路电压有很好的对应关系，可直接获得SOC值[6]；当电池进入充、放电状态后，以静止状态时的SOC相关参数作为基数，采用安时积分法计算SOC值。在软件设计时，根据高压模块实时测量的电压和电流数据计算电池释放或充入的安时数，以此来进行SOC估算。当电池模块的单体电压下降到放电截止电压时，SOC复位为0；当电池模块的单体电压上升到充电截止电压时，认为电池已经充满，此时SOC 置为 100%[6]。

由于电池静止状态和充、放电状态之间的转换状态是一个缓慢的过程，采用安时积分法和开路电压法来计算状态转换时SOC值有较大误差，故需要对状态转换时的SOC进行校正[7]。

SOC计算流程如图2所示。

3.2 高压模块设计

高压模块包括总电压检测、电流检测、绝缘阻抗检测和通信接口等电路。高压模块采用PIC33FJ128GP804作为处理器；电压检测使用电压跟随器电路将测得的信号通过运放LTC2464传输给处理器；电流检测使用差分放大器电路将测得的信号通过运放LTC2464传输给处理器；采用CTM1040作为CAN收发器模块用来和主控模块通信；绝缘阻抗检测电路设计在高压模块上。

图3、图4和图5分别列出了高压模块的总电压采集电路、总电流采集电路和绝缘阻抗检测电路。

3.3 分布测量模块设计

3.3.1 电路设计

分布测量模块主要实现单体电压测量、温度测量、均衡管理和通信接口等功能。分布测量模块采用PIC24F16KA101作为处理器；采用凌特公司的LTC6802专用芯片进行电压采集、温度采集和均衡管理；采用CTM1040作为CAN收发器模块用来和主控模块通信。每个分布测量模块可最多进行12路信号采集、12路均衡控制和2路温度监测。

3.3.2 均衡策略

电池模块的均衡策略分为充电均衡、放电均衡和动态均衡3种。充电均衡是在充电过程中、后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小单体电流，以限制单体电压不高于充电截止电压。放电均衡是在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。与充电均衡和放电均衡不同，动态均衡不论在充电状态、放电状态，还是浮置状态，都可以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡，实时保持相近的荷电程度，尽管单体之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。本系统采用动态均衡策略。

图6以锰酸锂电池为例来说明分布测量模块利用LTC6802进行电池包的均衡管理策略。本系统采用的均衡控制策略为:在对电池包进行充、放电时，若电池模块最大电压不超过4 V，分布测量模块不启动均衡功能；当电池模块最大电压超过4 V时，启动均衡功能；当电池模块的最大电压与最小电压之差大于20 mV时，启动LTC6802的均衡功能，通过放电电阻对电压最大的电池模块进行放电，直至最大模块间最大压差缩小至20 mV时停止均衡。

3.4 充电管理

3.4.1 充电通信管理

在电池包充电过程中，需要电池管理系统完成对充电机及整个充电过程的控制，以便安全的进行充电管理。本系统设计遵照电动汽车充电接口及通信协议4项国家标准要求，电池管理系统和充电机之间采用CAN总线通信协议进行通信。

在充电过程中，电池管理系统和充电机的CAN总线必须实时保持通信，当电池管理系统的充电允许位为低电平时，严禁启动充电功能，若充电机已经启动，则立即停机；若通信中断时间>10s则认为通信中断，不允许充电，充电机停止工作；当电池的最高温度超过最高允许温度后，充电机也应立即停止充电；若充电机发生故障，充电机进行自身保护，也会停止工作。

3.4.2 充电控制策略

根据动力锂电池特性，电池管理系统对充电过程采用先恒流再恒压的方法进行充电。

在恒流段充电过程中，当电池的最高允许充电电流大于充电机的最大输出电流时，按照充电机的最大输出电流充电；当电池管理系统提供的最高允许充电电流小于或等于充电机的最大输出电流时，按照电池管理系统的最大允许充电电流充电。

在充电过程中，充电机需要接收电池管理系统发送的当前数据（包括端电压、最高电池模块电压和最高温度）和充电限制参数（包括最高允许充电端电压、电池模块最高允许充电电压和最高允许温度），并进行比较，当电压达到充电截止电压后，充电机进入恒压充电过程，降低充电电流，保障充电过程不过压；当充电机的充电电流小于电池管理系统设定充电截止电流时，充电机停止充电。

3.5 BMS监控界面

图7为分布式BMS的上位机监控显示界面，可以分别监控显示系统的CAN总线、分布模块、主控模块和高压模块的工作过程状态。

4 结束语

实际应用表明，所设计的系统运行稳定，可扩充性好，对电池组的SOC状态预测准确；能够准确的进行绝缘电阻检测，有效控制高压线路的通断，保证用电安全性和可靠性；能够有效进行电池模块的一致性维护，提高电池包的使用寿命；能够有效完成与充电机的通信控制，保证电池包不会发生过充、过放现象。

1 Cheng K W E，Divakar B P,et al.Battery Management System （BMS） and SOC Development for Ele-ctrical Vehicles.IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.60， no.1， pp.76-88，Jan.2011.

2 Gould C R，Bingham C M，et al.New battery model and state-of-health etermination through subspace parameter estimation and state-observer techniques.IEEE Trans.Veh.Technol.， vol.58，no.8，pp.3905-3916， Oct.2009.

3 Lee Y J，Khaligh A， et al.Advanced integrated bidirectional AC/DC and DC/DC converter for plug-in hybrid electric vehicles， IEEE Trans.Veh.Technol.，vol.58，no.8，pp.3970-3980，Oct.2009.

4 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.第3版.北京:高等教育出版社，2000.

5 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.第3版.北京:北京航天航空大学出版社，2003.

6 张巍.纯电动汽车电池管理系统的研究:[学位论文].北京:北京交通大学，2008.

7 朱元，韩晓东，等.电动汽车动力电池SOC预测技术研究.电源技术，2008.1:153～156.

8 陈清泉，等.现代电动汽车技术.北京:北京理工大学出版社，2002.