电动汽车电池管理系统设计与实现

任轲颀 姜畅

摘 要：文章设计并实现应用于锂电池的电动汽车的电池管理系统。硬件方面包括主控板、采集模块、均衡模块、显示模块等。软件方面包括荷电状态（SOC）估算算法、均衡算法等。抗干扰方面采用硬件抗干扰和软件抗干扰结合的方法。上述实验表明，文章的电池管理系统安全可靠、抗干扰能力强。

关键词：电动汽车；电池管理系统；SOC；均衡

1 引言

随着世界经济的迅猛发展，人们的生活方式正在发生着改变。汽车作为一种便捷的交通工具已经在城市交通工具中占据了主导地位。然而随着能源紧缺、原油涨价以及城市环境污染的日趋严重，传统的燃油式汽车正面临着重大的危机。在这种情况下，车用新能源的开发利用成为业界研究的重要课题。在新能源体系中，电力能源是其中不可或缺的重要组成部分。

电池管理系统主要用于保护和管理电动汽车的电池资源，不仅要保证电池在使用过程中的安全可靠，而且要合理均衡的使用电池以达到延长电池的使用寿命。电池管理系统是驾驶者与电动汽车之间沟通的纽带，对于电动汽车的性能起着举足轻重的作用。

文章的主要目的是配合电动汽车的研制，研制适用于电动汽车的安全可靠、抗干扰能力强的电池管理系统。实现对电池电压、电流、温度数据进行采集，SOC计算，电池状态检测，实现人机交互等功能的电动汽车电池管理系统。

2 BMS系统模型

根据电池管理系统的功能需求，将BMS分成了五大模块：主控模块、显示模块、采集模块、均衡模块和上位机模块。系统模型图如图1所示。

图1 BMS系统模块图

2.1 主控模块

主控模块用于控制整个BMS的运行，通过CAN总线、串行总线、SPI总线等与显示模块、均衡模块和采集模块进行通信。控制并协调各模块的工作，完成对电池组总电压、总电流的统计与计算，实现对SOC的计算，根据用户指令完成电池的充放电工作，将采集到的数据存储到U盘存储器中。同时通过对采集到的数据进行分析，诊断出系统当前的运行状况，对系统错误或故障进行提示。

2.2 显示模块

显示模块主要用于提供用户查看系统运行状态数据，向用户进行报警提示等作用。除此之外，显示模块还具有系统参数设定功能。

2.3 上位机模块

上位机模块主要用于实现历史数据的导出功能。同时提供用户对历史数据的分析功能。最后，还应该提供系统参数设定功能，以U盘为传输媒介向主控模块提供系统参数信息。

2.4 均衡模块

充电电池存在使用寿命问题，长期不均衡的使用电池会造成部分电池寿命下降的问题，从而影响整个电池系统的运行。均衡模块实现当电池箱内电池电压不一致超过规定值时（及长期消耗部分电池的电量），在充电电流小于一定值后，可自动对电池进行均衡，保证各电池之间使用量的均衡。

2.5 采集模块

采集模块实现对电池组进行电压、电流、温度的采集工作。整个管理系统由多个采集模块功能，每个采集模块用于控制一个电池组，可测量16节电池端电压及16个测量点温度和1路风扇控制，安装在每个电池箱内。

3 BMS系统实现

3.1 元器件选型

处理器芯片：R8C/23 群瑞萨单片机。

电压采集：ADS1146IPW数模转换器。

温度采集：CD4051BM。

均衡控制：74HC595。

CAN通信：SN65HVD1050。

U盘读写：CH376。

显示屏：DMT80480T070_18WT液晶触摸屏。

语音报警：WTH080，LM386。

3.2 硬件设计

由于电动汽车用电环境复杂，有很强的电磁干扰从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作。为了减小电磁干扰采取如下措施：（1）在瑞萨单片机和CAN总线收发器之间加入高速光耦隔离器，同时增加共模电感，热敏电阻等保护措施，电路图如图2所示；（2）为了避免底线窜扰问题，将单片机工作电源与电动车电源地线进行隔离；（3）数字温度传感器使用屏蔽电缆封装，并将屏蔽地搭铁，CAN总线选用屏蔽双绞线；（4）PCB板制作尽量加大线间距，以降低导向间的分布电容并使其导向垂直，以减小磁场耦合，减小电源线走线有效面积及选用性价比高的器件等。

图2 CAN总线收发器电路图

3.3 软件设计

在SOC的估算上采用的是现在比较成熟的方法。根据电动汽车的工作状态（驾驶、静置、充电），分别采用安时法、开路电压法进行SOC估算，在采用安时法简单有效的基础之上，在特定条件下采用加权安时法进行SOC校正，消除安时法带来的累计误差。

在软件设计过程中采用了多种抗干扰设计：数字滤波算法、冗余法、软件陷阱发、看门狗等技术，防止程序失序，保证系统正常运行。

4 结束语

自系统软硬件完成整体设计与实现后，当前BMS系统已经在某品牌的纯电动汽车上进行了系统测试。到目前为止，系统运行流畅，能够正确的采集到电池的电压、温度、电流等数据信息，虽然与手动测试的结果存在一定的误差，但误差值范围在可接受范围内，对系统正常运行的影响可以忽略。系统能够根据采集到的数据动态监测系统运行过程，及时向用户反馈汽车运行动态，并能分析提示汽车运行过程中出现的与电池系统相关的故障，从而保证汽车在驾驶过程中的安全性。

在系统设计与实现的过程中，考虑到系统运行的时间消耗，在SOC估算过程中应用的算法比较简单，下一步的研究内容是在时间消耗和结果准确性方面进行折中，应用更先进的SOC估算算法，提高电池剩余电量估算的准确性，为用户提供更加准确的信息。