电动汽车动力电池管理系统数据采集方法分析

徐 东

（无锡商业职业技术学院 汽车技术学院，江苏 无锡 214153）

电动汽车动力电池管理系统数据采集方法分析

徐 东

（无锡商业职业技术学院 汽车技术学院，江苏 无锡 214153）

电池作为电动汽车的动力源，一直以来被视为电动汽车发展的重要标志性技术，也是制约电动汽车发展的重要瓶颈，其性能好坏直接关系到整车的续驶里程。本文对动力电池管理系统中电压、电流和温度的数据采集方法进行深入分析，为电动汽车动力电池管理系统的设计提供理论基础。

电动汽车；动力电池；管理系统；数据采集

电池管理系统（BMS）是用来对电池组进行安全监控及有效管理，提高蓄电池使用效率的装置［1］。对于电动汽车而言，通过该系统对电池组充放电的有效控制，可以达到增加续驶里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的，并保证动力电池组工作的安全性和可靠性。动力电池管理系统已经成为电动汽车不可缺少的核心部件之一。

1 基本构成和功能

对电池管理系统功能和用途的理解是随着电动车辆技术的发展逐步丰富起来的。最早的电池管理系统仅仅进行电池一次测量参数（电压、电流、温度等）的采集，之后发展到二次参数（SOC、内阻）的测量和预测，并根据参数进行电池状态预警。现阶段电池管理系统除完成数据测量和预警功能外，还通过数据总线直接参与车辆状态的控制。

电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：数据采集电路采集电池状态信息数据后，由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析。然后电池管理系统根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递参数信息。

在功能上，电池能量管理系统主要包括：数据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、热管理、均衡控制、通信功能和人机接口。图1为电池管理系统功能图。

图1 电池管理系统功能

1）数据采集 电池管理系统的所有算法都是以采集的动力电池数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于200 Hz （50 ms）。

2）电池状态计算 包括电池组荷电状态和电池组健康状态2方面。SOC用来提示动力电池组剩余电量，是计算电动汽车续驶里程的基础。SOH用来提示电池技术状态、预计可用寿命等参数［2］。

3）能量管理 主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行放电过程控制，以SOC和温度等参数为条件来控制各个部分。

4）安全管理 监视电池电压、电流、温度是否超过正常范围，防止电池组过充和过放。目前，在对电池组进行整组监控的同时，多数电池管理系统已经发展到对单体电池进行过充、过放、过温的安全状态管理。

5）热管理 在电池工作温度超高时进行冷却，低于适宜工作温度下限时进行电池加热，使电池处于适宜的工作温度范围内，并在电池工作过程中保持电池单体间温度均衡。对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热管理尤为重要。

6）均衡控制 电池的一致性差异导致电池组的工作状态是由最差电池单体决定的。在电池组各个电池之间设置均衡电路，实施均衡控制是为了使各单体电池充放电的工作情况尽量一致，提高整体电池组的工作性能。

7）通信功能 通过电池管理系统实现电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信，为充电控制、整车控制提供数据依据，是电池管理系统的重要功能之一。根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口等。

8）人机接口 可根据设计的需要，设置现实信息以及控制按键、旋钮等。

2 数据采集方法

2.1 单体电压检测方法

电池单体电压采集模块是动力电池组管理系统中的重要一环，其性能好坏或精度高低决定了系统对电池状态信息判断的准确程度，并进一步影响后续的控制策略能否有效实施。常用的单体电压检测方法有以下5种 。

1）继电器阵列法 图2为基于继电器阵列法的电池电压采集电路原理框图，其由端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光耦、多路模拟开关等组成。如果需要测量n块串联成组电池的端电压，就需要将n+1根导线引入电池组中各节点。当测量第n块电池的端电压时，单片机发出相应的控制信号，通过多路模拟开关、光耦和继电器驱动电路选择相应的继电器，将第n和n+1根导线引入到A/D转换芯片［3］。通常开关器件的电阻都比较小，配合分压电路之后，由于开关器件的电阻所引起的误差几乎可以忽略不计，而且整个电路结构筒单，只有分压电阻和模数转换芯片还有电压基准的精度能够影响最终结果的精度，通常电阻和芯片的误差都可以做到很小，所以，在所需要测量的电池单体电压较高而且对精度要求也高的场合，最适合使用继电器阵列法。

图2 基于继电器阵列法的电池电压采集电路原理框图

2）恒流源电路采集法 恒流源电路进行电池电压采集的基本原理是：在不使用转换电阻的前提下，将电池端电压转化为与之呈线性变化关系的电流信号，以此提高系统的抗干扰能力。在串联电池组中，由于电池端电压也就是电池组相邻两节点间的电压差，要求恒流源电路具有很好的共模抑制能力，一般在设计过程中多选用集成运算放大器来达到此种目的。由于设计思路和应用场合的不同，恒流源电路会有多种不同形式，图3即为其中一种，它是由运算放大器和绝缘棚型场效应管组合的减法运算恒流源电路。

图3 运放和场效应管组合构成的减法运算恒流源电路

该电路是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路，其输入级采用差动放大电路，并集成在同一硅片上，故两者的性能匹配非常好，具有很高的放大能力。由差动电路原理可知，这种电路具有很强的共模信号抑制能力，所以在用运算放大器对电池组的单体电压进行测量时，由于高的共模抑制性和放大能力，测量精度将会得到提高。绝缘棚型场效应管是利用输入通路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。当其工作在可变电阻区时，输出量漏极电流I与输入量漏源电压U呈线性关系，且管子的棚源间阻抗很高，形成的漏电流很小，而漏源间导通电阻很小，造成的导通压降很低。

3）隔离运放采集法 隔离运算放大器是一种能够对模拟信号进行电气隔离的电子元件，广泛用作工业过程控制中的隔离器和各种电源设备中的隔离介质。一般由输入和输出两部分组成，二者单独供电，并以隔离层划分，信号经输入部分调制处理后经过隔离层，再由输出部分解调复现。隔离运算放大器非常适合应用于电池单体电压采集电路中，它能将输入的电池端电压信号与电路隔离，从而避免了外界干扰而使系统采集精度提高，可靠性增强。

图4为隔离运算放大器在600 V动力电池组管理系统中的应用，其中共有50块额定电压为12 V的水平铅酸电池，其端电压被隔离运放电路逐一采集。ISO122是美国BB公司采用滞回调制—解调技术设计的隔离放大器，采用精度电容耦合技术和常规的双列式DIP封装技术。ISO122的输入和输出部分分别位于壳体两边，中间用2个匹配的IPF电容形成隔离层，其额定隔离电压大于1 500 V（交流60 Hz），隔离阻抗大，并且具有高的增益精度和线性度，从而满足了实际应用要求。ISO122的输入部分电源取自动力电池组中，输出部分电源则来自电路板上的供电模块，电池端电压经过2个高精度电阻分压后输入运放，与之呈线性关系的输出信号经多路复用器后交单片机控制电路处理。在第50块电池的端电压采集电路中，一个反向器被加在隔离运放电路后用于将输出信号由负变正。隔离运放采集电路虽然性能优越，但是较高的成本影响了其广泛应用。

图4 隔离运算放大器在600 V动力电池组管理系统中的应用电路

4）压/频转换采集法 当利用压/频转换电路实现电池单体电压采集功能时，压/频变换器的应用是关键，它是把电压信号转换为频率信号的元件，具有良好的精度、线性度和积分输入等特点。图5为压/频变换器LM331用作高精度压/频转换的电路原理图。LM331是美国FS公司生产的高性价比集成V/F芯片，它采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围以内和电源电压低到4.0 V都有极高的精度。

该采集方法中，电压信号直接被转换为频率信号，随即进入单片机的计数器端口进行处理，而不需要A/D转换。此外，为了配合压/频转换电路在电池单体电压采集系统中的应用，相应的选择电路和运算放大电路也需要加以设计，以实现多路采集的功能。这种方法所涉及的元件比较少，但是压控振荡器中含有电容器，而电容器的相对误差一般都比较大，而且电容越大相对误差越大。

图5 压/频变换器LM331用作高精度压/频转换的电路原理图

图6 基于线性光耦合元件TIL300的电池单体电压采集电路原理图

5）线性光耦放大电路采集法 基于线性光耦合器件，电池单体电压采集电路实现了信号采集端和处理端之间的隔离，从而提高了电路的稳定性与抗干扰能力。图6中线性光耦TIL300由一个利用红外LID照射分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成，并采用特殊工艺技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量呈线性比例。TIL300具有3 500 V的峰值隔离度，带宽大于200 kHz，适合直流与交流信号的隔离放大，且输出增益稳定度为0.05 C。从图6中不难看出，经运算放大器A1后，电池单体电压值被转化为电流信号I并流过线性光耦TIL300，经光电隔离后输出与I呈线性关系的电流量，再由运算放大器A2转化为电压值以进行A/ D转换并完成采集。线性光耦两端需要使用不同的独立电源，在图6中分别标示为I+12 V和12 V。可见，线性光耦合放大电路不仅具有很强的隔离能力和抗干扰能力，还使模拟信号在传输过程中保持了较好的线性度，因此可以与继电器阵列选通电路配合应用于多路采集系统中，但其电路相对较复杂，影响精度的因素较多。

2.2 温度采集方法

电池的工作温度不仅影响电池的性能，而且直接关系到电动汽车的使用安全，因此准确采集温度参数显得尤为重要。采集温度并不难，关键是如何选择合适的温度传感器。目前，使用的温度传感器很多，比如：热电偶、热敏电阻、热敏晶体管、集成温度传感器等。

1）热敏电阻采集法 热敏电阻采集法的原理是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性，用一个定值电阻和热敏电阻串联起来构成一个分压器，从而把温度的高低转化为电压信号，再通过模数转换得到温度的数字信息。热敏电阻成本低，但线性度不好，而且制造误差比较大。

2）热电偶采集法 热电偶的作用原理是双金属体在不同温度下会产生不同的热电动势，采集这个电动势的值就可以通过查表得到温度值。由于热电动势的值仅和材料有关，所以热电偶准确度很高。但是由于热电动势都是毫伏等级的信号，需要放大，外部电路比较复杂。一般来说金属的熔点都比较高，所以热电偶一般都用于高温的测量。

3）集成温度传感器采集法 集成温度传感器在日常生产生活中应用得越来越多，半导体生产商推出了很多集成温度传感器。这些温度传感器虽然很多都是基于热敏电阻的，但都在生产的过程中进行校正，所以精度可以媲美热电偶，而且直接输出数字量，很适合在数字系统中使用。

2.3 电流采集方法

常用的电流检测方式有分流器、互感器、霍尔元件电流传感器和光纤传感器，各种方法的特点见表1。

其中，光纤传感器昂贵的价格影响了其在控制领域的应用。分流器成本低、响应好，但使用麻烦，必须介入电流回路。互感器只能用于交流测量。霍尔传感器性能好，使用方便。目前在电动车辆动力电池管理系统电流采集与监测方面应用较多的是分流器和霍尔传感器。

表1 各种电流检测方式特点

3 结束语

动力电池管理系统通过对动力电池组进行实时监测，将检测到的单体电池电压、电池组总电压、电池工作电流及电池工作温度等相关数据采集并处理，根据数据分析结果，对系统各模块发送相应的控制指令，从而实现对动力电池组的实时监控，保证动力电池组的正常运行。

［1］戴贤青.电动车动力电池仿真系统的研究与设计［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010.

［2］孙欢.锂离子电池能量管理系统研究与设计［D］.重庆：重庆交通大学，2015.

［3］任鹏.锂电池的管理系统设计［D］.青岛：山东科技大学，2015.

（编辑 杨 景）

Analysis of Data Acquisition Method for Power Battery Management System on Electric Vehicles

XU Dong
（Wuxi Vocational Institute of Commerce， Institute of Automotive Technology， Wuxi 214153， China）

As the power source of electric vehicles， battery has been regarded as a flag technology in electric vehicle field， and an essential bottleneck restricting the development of electric vehicles. Battery performance is directly related to the length of vehicle mileage. In this paper， the voltage， current and temperature data acquisition method for power battery management system are analyzed in depth， which provides a theoretical basis for the design of power battery management system on electric vehicles.

electric vehicle; power battery; management system; data acquisition

U463.633

A

1003-8639（2017）06-0005-04

2016-10-21

徐东（1980-），男，辽宁辽阳人，讲师，硕士，研究方向为新能源汽车技术。