分布式电池管理系统的研究与开发

贾磊磊 张 旭

（洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南 洛阳 471934）

分布式电池管理系统的研究与开发

贾磊磊 张 旭

（洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南 洛阳 471934）

本文提出的分布式电池管理系统，在具有传统集中式电池管理系统对电流和电压同步监测和控制的基础上，将整个控制管理系统分散于电动汽车的各个部位，并与其有机结合，能够更好地适应电池管理系统的恶劣工作环境。本文主要就其各个模块的设计布置和电池均衡控制点等方面进行了论述。

分布式电池管理系统；控制模块；均衡管理

随着科技的不断进步与发展，电动汽车作为新兴的代步工具登上历史舞台，以电力作为动力系统，迎合了节能减排的环境治理方针，对全球的环境治理和保护工作有着重要意义。电动汽车减轻环境治理压力的过程中存在着许多问题，电池的充放电均衡问题就是其中之一，电动汽车动力是由多个电池单体通过串联的方式连接而成，电池组的各个组成单体很难保证各项参数一致，在充放电的过程中就会出现个体差异，因为它们之间是串联的关系，充电和放电过程中的电流是相同的，所以，在电池组整体进行充电放电过程中，各单体之间的充电和放电总时间会存在差异，采用统一的充电和放电时间，个别单体就会出现充电未完成而断电或充电已完成仍在继续充电的现象（放电过程亦是如此），而且会随着充放电的次数的增加，个体差异增大。这种现象严重影响电池组的整体使用寿命，若能够通过恰当的措施，通过改变电池组各单体的充放电电流或其他因素，将其充放电时间进行统一，便能很好地解决充放电总时间不一致的情况，有效地延长电池组的使用寿命。

综上所述，一个好的有效的电池管理系统（在电动汽车使用过程中，显示电池用量和剩余量等各项性能状况的电子控制系统）能有效地解决电池充放电均衡控制的问题。现阶段我国的电动汽车电池控制系统方面的技术还不是很成熟，已经成为电动汽车普及应用的主要制约因素。通过实验数据的研究可以发现，电动汽车在使用过程中，一个完善的电池控制系统可以很好地对电池各单体进行很好的控制和调节，将电池组各电池单体的充电时间和放电时间保持一致，将对电池组个电池单体的调节上升到智能化的程度。本文提出一种新的电池管理系统——分布式的电池管理系统。

一、整体方案的设计

1.设计的参考标准

汽车行业标准《电动汽车电池管理系统技术条件》，对电动汽车的电池管理系统方面的专业术语、技术规范、检验规则等进行了规范，使电动汽车电池管理系统类的文章有了统一的术语，便于进行学术上的讨论和研究，本文即采用此标准为设计依据。

《电动汽车电池管理系统技术条件》中对电动汽车电池管理系统的使用功能进行了具体要求：（1）检测：能够比较客观地反映出电池的即时电流、电压、电阻、各零部件的使用情况；（2）计算：根据对电池组各项数据的采集，进行简单的逻辑计算，可以通过对剩余电量的统计计算出剩余形式的里程、根据充放电的次数及电流电压的显示，计算出电池组的使用寿命、根据使用时的各项参数计算出额定功率等等；（3）信息传递：电动汽车电池组的硬件、软件之间的数据传递；（4）保护：设置自动断电保护，防止过渡充放电、温度过高等现象的发生；（5）优化：在遇到预测发生的状况时，系统默认进行优化处理，以便更好地使用。

2.总体方案

分布式电池管理系统的建立，就是将传统的集中式的电池管理系统变换形式，利用CAN总线将负责不同功能的各个子系统有机连接起来，有效减少传统电池管理系统因其布局集中，无法适应恶劣工作环境情况的发生，分布式电池管理系统具有更好的安全性能，能够满足更高的可靠性要求。分布式电池管理系统就是将管理系统中根据使用功能的差异，进行分开布置，大体分为：中央控制模块、高压控制模块和数据采集模块，各个模块之间以CAN总线连接进行数据的传递。中央控制模块的主要功能是：将各个数据测量模块采集的数据进行简单的逻辑分析及计算，结合以往数据，对电池的使用寿命、最大输入输出功率、继电器的通断等重要功能进行控制，保证电池组更好的运行；高压控制模块的主要功能是：对电池包的总电压和总电流进行监测、对电池组整体绝缘装置进行测量和控制；数据采集模块的主要功能：分布于电动汽车各个“关节”部位此外还有绝缘监测装置，共同对电动汽车运行过程中的实时数据进行采集，通过CAN总线进行传递，以实现电池管理系统的实时控制。

此种分布式的电池管理系统，在传统集中式电池控制系统中的对电池组电流和电压同步监测的基础上，增加了控制系统位置布置的灵活性，分散布置能有效回避环境恶劣的限制，同时不受空间上的限制，可以随意增减各个模块的数量，使电动汽车电池的管理系统具有更高的适应性。

二、系统模块的设计

1.中央控制模块

（1）中央控制模块电路的设计

中央控制模块处理器采用PIC24 HJ256GP660；电源芯片采用TPS5420D以及NCP565D2T35G，为各个主模块提供正常所需电压；外围输入输出控制采用光耦AB30S；CAN的收发器模块采用CTM1050；CAN收发器和中央控制模块中的处理器之间信息转换通过MCP2520来完成；各个主模块和各个分模块之间通过CAN主线进行有机连接。

（2）逻辑计算的方式

电动汽车在运行过程中，其电池组内的各电池单体存在较大的差异，尤其是剩余电量，差异较明显，而且对电池组整体性能的影响最大，分布式的电池管理系统采用开路点叶凡和安时积分法相结合的运算方法，经修正后能将精度误差控制在7%以内。电池组状态的不同运算的精度也存在较大的差异，现按照电池组的充电、放电和静止状态分别对运算过程进行讨论。

以电池静止时的SOC（环境负荷物质）数值为基准，参考高压控制模块的数据，利用安时积分的算法计算充电时的SOC值，达到充电完毕（充电饱满）的电压（充电截止电压）时，SOC值设置为0%，按照相同的运算手法，达到放电完毕（放电完全）的电压（放电截止电压）时，SOC值设置为0%，因为充放电过程的状态和静止时的状态转变是一个渐变过程，需对静止时的SOC值进行校正（本次试验采用的是Kalman—Filtering的方法进行修正）。

2.高压控制模块

高压控制模块是对电池包的总电压和总电流进行监测、对电池组整体绝缘装置进行测量和控制相关的电路，其数据采集分别是：应用运放LTC2468将使用电压以信号形式传递给高压控制模块处理器，并以相同的运放处理装置将使用电流以信号形式传递给高压控制模块处理器；采用CTM1045将CAN主线和高压控制模块处理器相连接，进行数据传输；将绝缘监测装置直接安放在高压控制模块上，直接进行数据传递工作。

3.数据采集模块

（1）电路的设计

分布式电池管理系统是以对电池单体的电压、电流、温度等单个的电池单体进行检测，将数据统一经由CAN主线线路将数据传递到中央控制模块处理器，其电路的设计同样是以此为依据进行设计安放的，满足各控制模块之间的数据信息传递和整体协调工作的。

（2）均衡控制策略

要想实现电池管理系统的均衡控制，其均衡策略是重中之重，若抛开均衡策略，即使得到了电池各单体的运行过程数据，仍不能保证控制的均衡性，便失去了均衡控制的真正意义。均衡控制的主要体现在电池组进行充电的中后期和放电过程的前期，在充电过程的中后期，电池组整体仍在充电，个别电池单体就会出现充电饱满的现象，此时就需要均衡控制电路对该充电饱满单体电池的电流进行控制，通过减小其充电电流阻止该单体电池充电过渡；电池组进行放电过程中，个别单体电池就会出现放电电压偏低的现象，在放电初期，对该单体电池进行电能的补充，使其最终放电电压不至过低，保证各单体电池的充电放电总时间基本一致，以保证电池组的整体使用寿命。

4.充电管理

充电线路的畅通是保证各个控制模块之间数据传递的先决条件，有了其畅通的保证才能将各个控制模块的数据有效的传递到中央控制模块处理器内，进而进行有效的协调和调整工作，保证电池的整体性能。本系统中的充电线路接口遵从分线通信协议和CAN总线通信协议，能够保证电池组误充电，同时对温度的监控，能够保证电池组不会因温度过高而发生安全事故。

结语

本文提出了分布式电池管理系统，并简单地介绍了其应用的具体方法。综合起来就是3个主控制系统，分别是：中央控制模块、高压控制模块和数据采集模块，各个模块之间以CAN总线连接进行数据的传递。对3个主控制系统分别进行了设计、SOC值的运算、运行电流电压检测、电池均衡管理和充电管理。实践表明，此种电池管理系统具有较高的可行性，有效地保证了电池组各单体电池使用寿命，且过程中能减少过渡充放电现象的发生，可以积极进行推广应用。

［1］童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2000.

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

［3］陈清泉，等.现代电动汽车技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

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