基于SX5256DH434PHEV型混合动力重型环卫车的电池管理系统浅谈

宋少飞

（陕西重型汽车集团公司，陕西 西安 710200）

基于SX5256DH434PHEV型混合动力重型环卫车的电池管理系统浅谈

宋少飞

（陕西重型汽车集团公司，陕西 西安 710200）

在全球能源危机的情况下，随着国际碳排放出口协定的实施，绿色清洁汽车已经成为发达国家当前汽车技术的发展方向，发达国家多数把锂离子电池作为EV、HEV、PHEV的新能源。由于汽车的复杂工况和锂离子电池电化学特性，一般需要完善的电池管理系统BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)，其作用是对锂离子电池电压、电流、温度、容量、电池的SOC荷电状态计量、电池与车体的绝缘状态等多种电池参数以CAN通讯的方式与车控电脑实时进行信息交换，确保电池的能量发挥到极致，使驾驶者能够随时掌握电池的工作状态，以保证电池的安全。BMS不仅是数字化智能电池系统的中枢神经，也是新能源汽车必不可少的关键部件。

混合动力；电池管理系统；荷电状态；主控单元

CLC NO.:U469.75Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-70-04

引言

近年来，随着石油资源的消耗，人类生存环境的不断恶化，发展绿色能源交通已刻不容缓。节约能源，低排放甚至零排放的电动汽车成为解决问题的手段。而混合动力汽车作为传统汽车到纯电动汽车之间的过渡类型成为现阶段新能源汽车的主力军。混合动力汽车较传统汽车有着良好的燃油经济性，较低的油耗和良好的排放特性。混合动力汽车不同于传统汽车的一大特点就在于在发动机的基础上引进了动力电池，通过发动机和动力电池两种能量源的协调工作，共同实现低污染、高经济性的目标，鉴于动力电池在混合动力汽车

中的重要地位，对动力电池进行有效的管理是十分必要的，这就是电池管理系统的责任所在。

混合动力电池管理系统是保证动力电池性能的重要手段，它负责监控电池的各个参数，包括电压、电流、温度、容量、电池的SOC荷电状态计量、电池与车体的绝缘状态等，同时还为能量总成的控制提供必要的参数。

本文以陕西重型汽车集团公司设计的SX5256DH434 PHEV型混合动力重型环卫车为基础，全面介绍了混合动力电池管理系统BMS的系统结构及其功能，对于其良好的性能和市场经济性有积极的意义。

1、电池管理系统概述

电池管理系统又称为智能电池测量系统，是一个全面测量电池参数，可以根据当前电池状态，完成相应的控制动作，并提供与其它系统的通讯能力的系统。带有电池管理系统的电池称为智能电池[1]。

对于智能电池的定义，不同的机构有不同的阐述，著名的电池标准机构SBSIF(Smart Battery System Implementer Forum)的定义是：至少要能提供电池的荷电状态SOC(State of Charge)的电池。对于使用者来说除了SOC和电压、电流之外还非常关心电池的使用寿命，电池的使用寿命用健康状态(State of Health)来表示。常用的锂电池的使用寿命为300到500个充放电循环。

电池管理系统控制着电池的充电和放电，负责精确的估算任意时刻电池的状态和容量，估算电池的SOC是电池管理系统的主要职责之一[2，3]，电池管理系统的另外的功能是有效的利用可回收能量，增加电池系统的可靠性和使用寿命[4]，电池管理系统在新能源汽车系统中的作用如下图所示：

2、电池管理系统功能

动力电池组是混合动力汽车的能量来源之一，管理好动力电池对于混合动力汽车来说是至关重要的，因此相当数量的研究人员把精力集中在动力电池充放电特性的研究上。为了充分利用混合动力动汽车上每一节动力电池的能量，就要求对动力电池组进行合理的管理。SX5256DH434PHEV型混合动力重型环卫车对动力电池组管理系统在功能方面的基本要求主要包括以下几个方面：

CAN信息交互：系统通过CAN总线与整车控制器VCU、充电机等设备进行通讯，给整车控制提供及时、可靠的依据。CAN总线是一种多主总线系统，本电池管理系统CAN通信采用双绞线通信介质，通信速率最高为1Mbps，支持CAN2.0B协议，并根据整车要求的CAN协议与VCU交互；

数据采集：从控单元SU可采集各路电池电压和温度数据，动态实时监测电池组中各单节电池的电压和电池箱体内温度，电压采样周期<100ms，采样精度<10mv，温度采样周期为1s，采样精度±0.5℃；SOC估测单元实时采集电池组充放电电流，以安时积分法为基础内建多种SOC补偿修正模型，对SOC进行比较精确的估测；

SOC、SOH电池诊断：准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，SOC)，动态估测电池健康度（State of Health，SOH），及时提供电池寿命的相关信息。保证电池组工作在理想的工作状态，防止过充电或过放电对电池的损伤，实时将电池相关的信息上传到VCU，以调整驱动电机的工作状态，达到有效保护电池组的作用；

安全控制：本电池管理系统实时监测电池组与车体间的安全绝缘电阻状态，绝缘异常时实时报警并通知VCU，防止因绝缘达不到要求而引发的设备和人身安全。通过对绝缘电阻的测量和放电预充电、预放电控制，保证车辆的正常运行；

电池均衡：根据电池组单体电池的状态，进行电池间动态能量转移均衡，使整个电池组中每节电池荷电状态都达到更加接近程度，以提高整组电池的一致性。能量转移均衡技术是一项电池非能量耗散型均衡技术，均衡电流可达到1A，可解决因电池自放电、容量、内阻等差异造成电池地较长时间误差积累带来的状态失衡。与耗能均衡方式相比，能量转移均衡能够根据电池的使用情况，科学、有效的进行平衡，且不浪费电池组的电能。两种均衡模式能量消耗对比如下图所示：

故障报警：通过数据采集，实时监测电池组的性能，并实现故障诊断和报警功能，本电池管理系统MU通过数据汇总，及时对数据进行处理，出现故障、报警时，电池管理系统不仅本身作出报警，还根据整车要求，及时作出相应保护动作，有效的保护车辆正常运行，保证司机的人身安全。

外接显示：电池的主要信息可通过外接显示终端进行实时显示。直观地了解电池系统的详细状况；本车要求通过CAN总线将数据传送到驾驶室CAN仪表，以满足整车的整体设计要求；

数据存储：系统内建存储器件，可根据需求存储电池的历史数据，为进一步优化和开发新型电池、控制充电器、电动机等提供数据，为离线分析系统故障提供可靠依据。

3、电池管理系统结构

SX5256DH434PHEV型混合动力重型环卫车采用磷酸铁锂电池组，电池组由180个单体电池串联而成，每个电池正常工作电压为3.2V。为保证系统的安全及电池的可靠工作，必须对每节单体电池配备一个专用的电压均衡电路板，均衡电路对其所管理的单体电池的电压、容量进行检测并通过CAN总线通知电池管理单元，同时均衡电路也对所管理的电池的充电及放电电量进行控制，防止动力电池产生过充和过放的情况发生，以保证系统的安全。电池管理单元由较高级的微处理器和必要的外围电路构成，本单元通过总线与整车的中心管理单元进行通信，收集各电池的当前状态参数：电压、容量、温度，并将这些信息进行处理后通过CAN总线网络通知多能源管理单元，同时也会将电池组的SOC计算结果传送到CAN仪表进行显示。

SX5256DH434PHEV型混合动力重型环卫车电池管理系统为主从分布式系统，内部总线采用CAN串行通讯总线，有效地支持系统高安全等级的分布实时控制，主要构成部分为：主控单元（Master Unit，MU）、从控单元（Slave Unit，SU）、SOC估测单元（SOC Unit）、高压控制模块（HighPower Control Module，HPCM）、充电机控制模块（Charger Control Unit，CCU）、绝缘测量模块（Insulation Resistance Meters，IRM）、显示模块、高压接触器模块、DC/DC电源模块，系统内部通信采用CAN总线连接，系统结构如图3所示。

主控单元：主控单元是整个电池管理系统的核心单元，它主要是通过CAN 总线从各个测控单元提取每节电池的电压、电池箱体的温度、电池组充放电电流等信息；并统计出管理系统所需的各种参数，如平均电压、单节最高电压、单节最低电压、最高温度和最低温度等。上位机对这些参数进行分析后，按各种保护门限值作出相应的动作，及时响应其他设备的要求，结构如下图所示：

从控单元：从控单元的主要功能是采集对应电池箱中各单节电池的电压信息和箱体中电池的温度，每个从控单元最多可采集16 节电池的电压和两个温度探头的温度信息，从控单元数量可根据电池组实际情况进行配置。电池均衡功能在从控单元执行，均衡的控制策略是通过CAN 总线由上位机进行控制，从控单元结构如下图所示：

SOC估测单元：SOC估测单元传感器采用LEM公司的电流互感器，LEM电流互感器是基于霍尔效应的闭环(带补偿的)多量程电流传感器，采用单极性电压供电，具有出色的精度、良好的线性度、无插入损耗、最佳的反应时间和电流过载能力。在25℃下的测量精度可达±0.2%；通过采集充放电电流，除了可以对电池提供实时的过流保护外，还要通过电流积分估计SOC值；更高的测量精度和更快的采样速度更有效地提高系统SOC估计的精度，SOC估测单元结构如下

图所示：

高压控制模块：高压控制模块主要功能是为了防止电池组外部回路中短路时的上电保护，如果在规定的时间内预充电不能达到某电压门限，则认为外部回路中有短路，不开启放电的主回路，同时报警,高压控制模块还包括绝缘阻抗测量仪，实时监测电池与箱体之间的绝缘状态，分别提供20KΩ、80KΩ两级绝缘故障报警，结构如下图所示：

B+：电池组总正；B-：电池组总负；P+：电机正；P-：电机负；CHG+：充电机正;12V/CAN：高压模块12V电源/系统CAN通信；R：绝缘测量接口；

4、结语

在电池技术没有完全解决的今天，混合动力汽车作为一种完满的解决方案已经成功的实现了商业化。优秀的混合动力汽车结合了发动机和电机的优点，成功的改善了汽车的尾气排放，提高了燃油效率，降低了油耗。并且不需要充电站等纯电动车所需的配套措施。这些优点完全适应了燃油紧张的今天，是一种准绿色汽车。

混合动力汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电电流大小以及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响。而且，目前国内还局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变流放电特性研究，这些对建立一个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的能量管理模型是远远不够的。研究考虑诸多因素的电池充放电特性，以便建立一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统，并为载荷均衡控制装置提供可靠的控制参数，是目前混合动力电动汽车研究开发中必须解决的问题。

本文以陕西重型汽车集团公司设计的SX5256DH434PH EV型混合动力重型环卫车为基础，全面介绍了其电池管理系统BMS的主要功能，对BMS结构的主要单元做出了说明，但如何更有效的对动力电池进行利用，未来要走的路还很长。

[1] 齐国光,李建民,张小平.电动汽车电量计量技术的研究.清华大学学报.1997,(3):46～49.

[2] H.J.Bergveld,W.S.Kruijt,P.H.L.Notten.Electronic Network Modelling of Rechargeable NiCd Cells and Its Application to the Design of Battery Management Systems.Journal of Power Sources.1999, (77):143～158.

[3] H.J.Bergveld,W.S.Kruijt,P.H.L.Notten.Battery Management Systems: Design by Modelling.Kluwer Academic Publisher,2002:189～191.

[4] Rudi Kaiser.Optimized Battery Management System to Improve Storage Lifetime in Renewable Energy Systems.Journal of Power Sources. 2007,(3):200～201.

Battery management system of type hybrid heavy sanitation vehicle

Song Shaofei
(Shaanxi Automobile Group Limited Company, Shaanxi Xi’an 710200)

In the global energy crisis, with the implementation of the international carbon export agreement, green vehicle has become the development direction of the automotive technology in developed countries, the developed countries the majority of the lithium ion batteries as new energy EV, HEV, PHEV. Because of complicated and lithium ion battery electrochemical characteristics, needs the perfect battery management system BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM), and its role is insulated and other parameters of the battery of lithium ion battery voltage, current, temperature, capacity, battery state of charge measurement, SOC battery and the vehicle body by CAN communication mode and vehicle control computer real-time information exchange, ensure the battery energy into full play, so that the driver can at any time to master the working status of the battery, in order to ensure the safety of the battery. BMS is not only the central nervous digital smart battery system, the key component is the new energy automotive essential.

Hybrid Power；Battery Management System；State of Charge；Master Unit

U469.75

A

1671-7988(2014)07-70-04

宋少飞，就职于陕西重型汽车集团公司。