电池管理系统研究概述

薛行贵 谢跃辉 蔡华杰

【摘要】 在全社会倡导节能减排和绿色环保的号召下，电动汽车以其“零排放”；的优点受到广泛的关注。电池管理系统作为电动汽车的核心部件有着不可替代的作用，本文就重点介绍了电池管理研究意义，国内外的发展现状，系统的组成及使用的关键技术。

【关键词】 电池管理系统 SOC估值 电池均衡

一、BMS的研究意义与发展现状

1.1研究意义

在电动汽车的研究开发以及产业化的过程中，BMS作为实现该功能的管理系统，其性能的好坏将直接影响着电动汽车的性能和使用寿命。BMS的功能主要包括以下三个方面：

（1）实时的准确的估计动力电池的荷电状态，包括电池组的电压、电流，从而为驾驶员提供可靠的剩余电量，以及可行驶的剩余里程数等一系列重要信息，提醒驾驶员对电池进行充电；同时保证电池组始终保持在最佳的工作状态。

（2）对电池的温度进行监控和管理。温度管理是电池管理系统中不可或缺的重要一环，其主要作用是检测电池工作时的温度，而后通过吹分机或散热片来确保电池工作在最佳的温度区间。

（3）实现电池的均衡管理，由于出厂制造的误差以及后续使用过程中存在通风性差异，电化学能转换差异等造成电池的单体间的不一致性，所以要对电池单体进行电压和剩余容量的检测，防止电池的过充过放，当检测到电池异常时，便于及时更换。

1.2发展现状

在我国各高校和科学研究机构从上个世纪九十年代开始，就着手对电动车电池管理系统进行开发研究，目前，在电池BMS系统架构、数据通信、安全管理以及电池寿命的预测等方面都取得了一定成绩：北京交通大学在电池SOC的估算、电池利用率、快速充电方法、硬件架构、通信协议等方面都有突出研究成果，通信协议上升为国家标准；北京理工大学形成了动力电池成组应用理论，；中国科学院电工研究所对电池管理系统的数据通信中的CAN总线协议进行了设计和研究，并取得了很好的成果。国外整车厂及第三方电子厂商都致力于电池管理系统的开发。

现已开发出几种经典的电池管理系统，比较有代表性：1）BADICHEQ系统及BADICOaCH系统2）BATTMAN系统3）电动汽车EVI上的电池管理系统4）SmartGuard系统5）BatOpt系统

二、BMS系统的基本组成

基本的BMS系统框架如图1所示，该系统主要组成包括：主控模块、通信总线设计、电池检测回路设计、液晶显示设计等模块，下面就BMS系统的各组成部分及涉及的关键技术做以阐述与介绍。

2.1主控模块

主控模块主要由主控芯片、采集模块、通信模块、液晶屏及外接存储器组成。系统利用主控模块完成对电池组总电流、电压的实时采样，采集的数据作为电池组上报给VCU状态依据以及反馈给驾驶员的显示内容；主控芯片通过CAN总线与整车控制器进行通信，并通过CAN总线控制与电池单体并联的继电器；通过RS232与电脑相连，完成系统的调试工作；通过SPI总线与BMC通信以获得单体电池电压、支路电流及温度等信息，单体电池电压、电流信息在MCU中处理后，得到电池的SOC值，并据此进行均衡控制及故障排除。当信息量比较大，可外接存储器，用于记录电压、电流、SOC值、故障等信息。

2.2通信总线设计

本系统主要使用了CAN总线作为系统的控制总线，实现对系统的数据传输和整体控制，并且利用SPI总线辅助主控模块进行高精度的信号采集.

2.2.1电池检测回路设计

本系统采用模块化集中监测电池使用状态信息的设计，这样不但可以大大减少电路的复杂程度，而且当需要扩展或缩小电池容量时，只需在电力总线上并联上相同的支路或裁减一定数量的支路，硬件的改动小，操作简单易行。

2.2.2电压、电流、温度采集

电压采集：对每一块电池装配上具有A/D转换功能的单片机，或电压检测芯片，这些单片机和电压检测芯片统一由主控模块控制，收集到的电压数据通过光耦隔离传递给主控模块。

电流采集：电流采集为剩余电量的估算，以及充放电控制等提供数据依据.由于动力锂离子电池组的电流比较大，电流的检测一般采用霍尔电流传感器。

温度采集：旨在实时准确的检测电池组的工作温度，智能化温度传感器具有测量准确度高，转换时间快，在线编程便捷，可多点并联测量，方便检测和安装等优点，是温度测量元件的发展趋势。

2.2.3液晶显示设计

液晶屏显示是一种简洁直观的输出，很大程度上提高了用户的体验，及时反应汽车当前的行驶状况，实现人机交互。

三、SOC估值技术

SOC估值技术，用来反映电池的剩余电量，预测其剩余的行驶里程，同时也是防止电池过充过放，延长电池组寿命的重要依据，是系统均衡算法、故障判断的重要参数。目前，对SOC估计的方法运用较多的有内阻法、电荷积累法、开路电压法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法等。但内阻法几乎是不可能在电动汽车上使用，因为电池内阻不仅仅与SOC有关，还与温度、电池劣化程度等因素有关，因此一个内阻状态不能与SOC值严格对应；对于系统精度要求高的，较好的选择即为电荷积累法，而电荷积累法的关键为后期的校正，后期校正常用的是电压法；现阶段研究的神经网络法和卡尔曼滤波法检测精度会进一步提高，但由于算法的复杂程度高，目前还未得到具体应用。

四、均衡技术

电池管理系统中的均衡控制是为了更加合理的管理电池，延长电池的使用寿命，提高循环使用次数，降低电池成本。

五、结束语

经过30年的发展，BMS系统在理论与技术上已经日趋成熟，尤其近十年来，随着神经科学、认知科学和计算机科学的飞速发展，BMS理论技术取得了长足的发展与进步，应用领域也逐渐扩大，在各领域的巨大成就展示了其无限的应用潜力。

本文从主控模块、通信总线模块、液晶显示模块和电池检测回路等模块系统地介绍了BMS，并对各部分涉及到的常用关键技术做了简单介绍。然而，BMS技术目前仍处于发展阶段，相信在研究者们的共同努力下，BMS技术将日渐成熟，在不久的将来造福于人类。