电动汽车电源管理系统综述

杨晨+周冬婉

摘 要 与燃油汽车相较，环境友好型的電动汽车解决了其带来的环境污染与能源消耗问题，大力发展电动汽车已为必然。本文介绍了几种国内外电池管理系统典型模式，论述了电池管理系统的功能、SOC估计的方法、均衡管理技术以及热管理，最后提出了电池管理系统今后的研究方向。

关键词 电池管理系统 SOC估计 均衡控制 热管理

中图分类号：TM912 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.023

Overview of Power Management System for Electric Vehicles

YANG Chen， ZHOU Dongwan

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Compared with fuel vehicles， environmentally friendly electric vehicles solve the problems of environmental pollution and energy consumption， so it is necessary to develop electric vehicles. This paper introduces several typical mode of domestic and foreign battery management system， discusses the function of the battery management system， SOC estimation method， equalization technique and thermal management， finally， the future research orientation of the battery management system is proposed.

Keywords battery management system； SOC estimation； battery equalization； thermal management

在当今这个提倡绿色环保，节能减排的社会环境下，纯电动汽车以其零排放的特点引起了众多研究者的兴趣。电池管理系统性能的优劣程度，决定了电动汽车的动力性能与续驶里程。电池管理系统作用包括精确测定电池组的荷电状态，对剩余电量进行良好估计；实时监控电池组的运行状态，包括测定单体电池以及电池组的电压、电流、温度等工作参数，防止出现过充过放，降低电池的性能等问题；同时对单体电池间、电池组间进行均衡，延长使用寿命。

1 国内外电池管理系统的研究状况

1.1 国外电池管理系统的研究状况

对于电池管理系统的研究，美国、日本及一些欧洲国家起步较早。其中以美国研究最为前沿、德国电动汽车在欧洲国家中发展最为迅速。典型模式主要特点如下：

美国通用公司生产的EVI的电池管理系统，核心部分在于BMP，实现电压电流温度监测，同时具有过放电报警与高压断电保护。Aerevironlnent公司研发的SmartGuadr系统，由专用集成电路检测电压电流，可防过充，提供历史数据及最差电池的SOC。AC Propulsion公司研发的高性能Batopt系统，采用分布式系统，由监控模块采集电池工作信息，通过总线送到主控模块，充电策略提供手动自动两种。德国Mentzer Electronic Gmbh和Werner Retzlaff设计的BADICOACH和BADICHEQ系统，前者可测定20个单体电池参数，实现均衡充电，数据通信，数据显示功能。后者为前者的改进，每一单体电池均加了一采集电压的非线性电路，并注意木桶效应，反映最差电池剩余电量并给予保护。

1.2 国内电池管理系统的研究状况

对于电池管理系统的研究，国内起步虽晚，但对此十分重视。2005年的“863”计划中，有关电动汽车的项目大大增加。1999年北京交通大学一直致力BMS的研究。系统功能上多了绝缘检测，电池离散性评价体系，及利用充电机通讯，实现安全充电的新功能。SOC估算上成功运用双卡尔曼滤波预测法到实践中。奇瑞汽车公司研发的BMS分布式结构，由电池模块、数据采集模块、电池管理模块以及CAN总线模块组成。具有管理单体电池，扩充接口，均衡充电的功能。比亚迪汽车公司为混合动力车研发的BMS也采用分布式，可采集电池组总电压电流，进行SOC估算及安全保护、热管理。江淮汽车公司公开了一种集中式的架构，包括主控模块、电池单体电压采集电路与接口电路，实现单体电池间的热均衡，通信速率达400KHz。

2 BMS系统架构及原理简介

2.1 电池管理系统的分类及功能

电池管理系统有分布式和集中式两种。集中式由一个控制器控制并处理所有的监控模块采集的数据信息。分布式有一个主控制器，每个监控模块均有其独立的分控制器处理其采集到的数据。两者相较，集中式具有节约空间，走线简单，结构成本低等优点；分布式具有便于实现均衡充电，克服电池的不一致性等优点。作为电动汽车的核心技术之一，主要功能包括：采集单体电池及电池组的电压、电流、温度等参数；进行SOC估计；充放电过程管理；均衡管理；热管理；数据通讯；安全管理。

2.2 SOC估计的方法

SOC的准确估计是电源管理系统的核心问题之一，正确估计电池的剩余容量才能够实现对电池组的监控检测及保护。如今较典型的SOC估量的方法包括：安时计量法、内阻法、开路电压法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。endprint

（1）安时计量法，其原理较为简单，着重于电池电量的出入。忽略電池内部的结构及电化学反应，做一个封闭的对象，利用积分实时监测电池充入与放出的能量。根据大量充放电实验数据得出电池最后的经验公式。当前SOC的计量公式为：其中SOC0表示初始时的SOC，Ct表示额定容量， 为充放电效率，I为充放电时电流。安时法虽然简单操作方便，但很明显会有误差累积影响估算精度，且一般电池初始时的SOC0不知，因而安时法一般不单独使用，与其他方法联合使用或者建立补偿关系来提高精度。

（2）开路电压法，此方法主要是由于开路电压与电池的剩余容量具有一定线性关系，从而估算SOC。对于铅酸电池，镍氢电池以及锂离子电池，铅酸电池线性关系与其他两种相比较好，但都可以进行SOC估算，且镍氢电池与锂离子电池在充放电初期和末期效果表现较稳定。此法虽然简洁，但是需电池在稳定条件下进行，需较长静置时间，且不适合在线检测。

（3）内阻法，根据计算电池的内阻来推测剩余电量。电池的内阻由直流内阻和交流内阻构成，直流内阻即通直流电时，短时间内△U与△I的比值。交流内阻则为通交流电时，电压与电流的传递函数。电池的工作条件对内阻影响大，放电初期规律不明显，很少在电动车上应用。

（4）神经网络法，此方法很好地处理了电池在运行过程中的非线性问题，利用并行处理结构及自学习能力估算电池的SOC，一般采用典型的三层神经网络，输入层，输出层，中间层。神经网络法理论上是可以应用于大多数电池的，不过采用此方法需要大量的实验数据进行训练，误差取决于输入量的准确性与训练方法的合理性。

（5）卡尔曼滤波法，利用不断递推的方式来进行的，前提是建立一个正确的电池模型，估算的原理即将上一刻的实验数据进行分析然后与监测到的值相比，得到最优的误差值，同时更新数据，估计下一刻的误差，反复更新以及选取最优值。此算法相对于其他方法准确性高，但需要大量的运算时间。

2.3 电池均衡的方法

实际每个电池不可能完全相同，必然存在差异，随使用时间的增加差异也加强，可能导致寿命缩短，爆炸等问题，因而进行均衡十分必要。均衡控制分主动式与被动式均衡两类。

（1）被动式均衡，此方法也称为能量耗散型均衡，通过消耗掉多的能量来达到均衡的目的。在电路中，给每节单体电池并联一个旁路电阻，当监测到电池电压过高或者达到截止电压时，就开始进行均衡，使旁路电阻流过电流，以热量的形式散发。这种方式简单可靠，放电速度快，但其效率低下，且消耗了整个电池组的能量，现如今不再成为主要发展方向。

（2）主动式均衡，此方法又称为能量转移法，一般包括开关电容与DCDC变流器法。

①开关电容法，通过电容储能元件的特性来进行能量的传递。两个相邻串联的电池间利用一个开关器件与电容并联，充放电过程中，控制其切换。控制电容存储和释放能量，完成两个电池的能量传递。

②DCDC变流器法，按照电路拓扑结构分为集中式和分布式均衡。集中式靠多副边变压器来实现，按照能量传递方向又可以分单向和双向均衡。如图1，变压器原边线圈连接着电池组，每个单体电池连接着匝数相同的副边绕组，假设系统监测到低电压电池，控制开关器件然后给原边绕组充电储存能量，再通过副边绕组释放给单体电池，使之达到一致实现均衡。

分布式均衡是每个单体电池都有自己独立的均衡模块进行充电控制，灵活度高易于模块化，但是也存在着控制器件多控制电路复杂的问题。现如今分布式均衡主要采用反激变压器隔离式均衡，当然也有双向与单向之分。这种方法优点主要在于功率范围变宽，工作在高频状态时设备还可小型化，双向变换器从体积质量成本上来说应该是以后的发展趋势（见图1）。

2.4 电池组热管理

进行热管理对于电池使用寿命，电池性能，及整车运行安全意义重大。电池组热管理系统功能在于：（1）准确监控测量电池温度。（2）电池组温度过高时有效进行通风散热。（3）温度低时，快速加热促使电池组正常工作。（4）当产生有害气体时，快速通风。（5）维持整个的温度场分布均匀。

电池组热管理系统设计的关键技术包括：（1）确定电池最优工作温度范围，对锂离子电池而言，工作范围为充电时-10～45℃，放电时-30～55℃。而对于氢镍电池和铅酸电池而言工作温度范围为充电时-10～50℃，放电时-20～60℃。电池最优工作范围在20～40℃。（2）对电池进行热场计算与温度预测。（3）传热介质的选择。（4）热管理系统散热结构的设计。（5）风机与测温点选择。在电池热管理系统设计中，电池热模型的建立是重要研究，现如今空气冷却为最常用的散热方式，从工作特性看，并行通风优于串行通风。

3 BMS未来的研究方向

BMS作为电动汽车发展的关键技术之一，确实取得了不小的进步与发展，得到了广泛的应用，但是电池管理技术还是不够完善，存在着改良进步的空间：

（1）SOC估计还需要更加精准，即利用采集到的每块电池的电压、电流、温度等历史数据，更精确地建立出每个电池剩余电量模型、估计其剩余电量。如今的模型与估计方法均存在着一定的局限性，SOC估计仍是今后重点研究之一。

（2）均衡能力需进一步提高，电池自身本就存在着差异，使用中这些不一致性将导致充放电过程中严重失衡，提高均衡能力也就是通过均衡充电对电池进行补偿，尽量维持电池的一致性，而今后均衡技术的发展方向应该会向能量转移式发展。

（3）BMS的集成化，通用化还需加强，有些BMS针对某一电池使用效果比较好，然而换为另一种电池则不太理想，因而设计更加通用化的BMS也成为目前的方向之一。

（4）BMS的安全性能还需加强，BMS的安全性能为许多消费者最为关心的问题之一，主要包括加强抗干扰的能力，系统故障报警技术以及电池组热管理能力等。

4 结语

电动汽车发展到今天其技术进步很大，但对于电池管理系统的研究仍存在着诸多技术上的问题亟待解决，若未来能够解决这些技术上的难题，相信电动汽车会有更加蓬勃的发展。

基金项目：大学生创新创业训练计划项目经费资助（201610500002）

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