纯电动汽车电池管理系统关键技术研究

2017-03-21苏文芝秦国防

电脑知识与技术 2016年33期

苏文芝+秦国防

摘要：近年来我国出现大面积的雾霾天气，广大人民群众深受其害。造成雾霾天气的主要原因之一就是汽车尾气，尾气使城市空气中 PM2.5较高。当下，节能减排成为国家治理空气污染的首要目标和人民的热切期望。和传统燃油汽车相比，新能源汽车能大大减少尾气排放，成为交通领域节能环保新方向。一套完整的电池管理系统能够实现电池的状态监测、电压电流监测、剩余电量监测等，确保电动汽车运行过程中电池能量安全、合理与高效的利用。

关键词：电动汽车；新能源； BMS电池管理系统；电池状态监测

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0234-02

Abstract：In recent years， China has a large area of fog and haze， the majority of the people suffer.Fog and haze caused by one of the main reasons is the automobile exhaust， tail gas to the city air PM2.5 higher.At present， energy-saving emission reduction has become the first goal of national air pollution control and the people's earnest expectations.Compared with the traditional fuel vehicles， new energy vehicles can greatly reduce emissions， a new direction of energy conservation and environmental protection in the transport sector.A complete battery management system to achieve the battery status monitoring， information exchange， security protection， to ensure that electric vehicles running the process of energy security， reasonable and efficient.

Key words： New Energy； Electric Vehicle； BMS； Power Battery Management； Battery Condition Monitoring

新能源汽车时代即将来临，新能源汽车关键技术的研发一直以来都是汽车行业发展的热点问题。其中，电池管理系统（Battery Management System， BMS）可称其为关键技术。新能源汽车的能量大多来自动力电池，对其安全、有效的管理是其中的核心技术之一。

1 电池管理系统主要功能

电动汽车 BMS 主要包含以下几个功能，如图1所示。

1）电池信息采集功能：采集各电池组工作电压、环境温度、充放电电流等信息，借助采集板总线传递给主控芯片；

2）剩余電量估算SOC功能：采集板采集到的电池信息由主控芯片依据一定算法完成对动力电池组剩余电量（State of Charge， SOC）的估算，为驾驶者提供安全保护和续驶里程参考；

3）电气控制管理功能：电动汽车的电池组在充放电过程中，动力电池组很可能会发生过充、电池间电量不均衡、过放等问题，大大影响到电池组的使用寿命、工作效率及将来的安全问题。即使问题发生，电池管理组系统能迅速做出反应，有效执行预定安全措施，如切断充放电回路等，从而保证电池组的正常、安全使用。对于不同电池间电量不一致的问题，在排除电池固有差异外，可以通过搭建均衡电路配合控制算法来实现各单体电池之间的均衡。

4）电池安全保护功能：电动汽车电池组安全管理主要负责监控电池在工作过程中是否出现工作异常。一旦发现问题系统应能及时做出应急响应，保证电动汽车电池组的正常运行，防止发生爆炸等危险；

5）数据通信显示功能：电池管理系统收集到的电池信息首先被送往电池管理系统BMS 主控芯片进行SOC电量估算与均衡控制等处理，再将结果通过 CAN 总线发送给其他设备使用。同时，电池管理系统BMS 通过串口通信将信息显示在上位机，方便驾驶员及维修人员对车辆信息有清晰的掌握和判断。

2 电池管理系统的总体设计方案

电池管理系统BMS 两项关键技术—SOC电池组剩余电量估算算法与均衡控制技术。针对其软硬件系统进行具体设计，电池管理系统BMS硬件结构如图2所示。

电池管理系统分为以下几个部分：控制主板、电池信息采集板、电池组、均衡板等。其中，控制主板用来完成对总电压、总电流的采集工作，SOC电池组剩余电量估算算法的运行，均衡策略的执行以及设备间的通信等功能；采集板搭载专用电池监控芯片，可实现 12 路单体电池电压的数据采集和2路温度采集，芯片之间支持 SPI（Serial Peripheral Interface）通信，从而具备了级联功能；电池包的设计参考电动汽车实际运行需求和电池参数，先由2-3节单体电池并联成电池组，再由若干电池组串联形成电池包，均衡板是实现电池间能量迁移的物理通道。

主控制板根据实际需求，设计中包含了以下几种硬件资源：

1）以 TMS320F2812 为核心的最小系统；2）2路 5V/5W隔离宽输入供电电路、1路±12V/5W隔离宽输入供电电路、1路3.3V/500mA 非隔离供电电路、2路5V/1W隔离供电电路；3）7路AD采集电路，包括2路大电流（0～500A）检测，1路高电压（0～500V）监测，4路模拟量（0～3300mV）检测；4）8路IO隔离输出电路，选通128路温度监测；5）2路继电器控制电路；6）带隔离的 CAN 总线通讯电路；7）SPI通信电路。

3 电池管理系统的硬件设计

1）控制主板硬件电路设计

电池管理系统控制主板集成了数字信号处理DSP 最小系统、电源供电电路、AD 采集电路、IO 输出电路以及 CAN 通信电路、SPI 通信电路等。

2） DSP 最小系统

主控芯片是 32 位定点高速数字处理器，工作频率可达 150MHz，具有 128K*16 位 FLASH，18K*16 位 SRAM，5K*16 位 ROOM，其强大的运算能力和大容量的存储空间能够满足电池管理系统的各项需求，最小系统电路图如 2 所示。

4 电池管理系统的软件设计

1）BMS 软件部分

BMS 软件部分设计主要包含以下九大子程序：

① 电池管理系统BMS主程序；②系统初始化子程序；③电池总电压和总电流采集子程序；④单体电池电压采集子程序；⑤均衡控制子程序；⑥电池充电管理子程序；⑦ 电池剩余电量SOC 估算子程序；⑧电池安全监控子程序；⑨数据存取子程序。

设计定位于电池管理系统关键技术，因此软件设计部分主要涉及电池管理系统主程序。

2）电池管理系统主程序

纯电动汽车 BMS 主程序流程图如图4所示。