纯电动汽车电池管理系统的研究与设计

刘兆鑫　齐洪磊

摘 要：纯电动汽车在应用的过程中，关键环节在于锂电池组的管理工作，文章从这一点出发分析了纯电动汽车的控制器以及系统设计相关工作内容，针对控制器的模块来进行优化，减少电路的同时优化了功能，希望可以促进其运行效果的进一步提升。

关键词：电动汽车;电池管理;系统研究

1 前言

汽车相关产业快速发展的过程中，环境问题越来越严重，其中最主要的问题是气候的变化和空气的污染。而空气的污染，最重要的原因是煤炭等资源的燃烧。由于对资源的过度开发使得能源日益的紧张。在这样的背景下纯电动驱动的汽车就成为了重要的研发方向，锂离子电池的应用对于循环寿命和能量使用等问题有着较高的要求，文章就此展開分析。

2 BMS设计

BMS决定电池组的安全性，锂离子电池满足能源、循环寿命和安全性的要求，此外还具有无记忆效应、充放电功率大、环境污染等优点。电池管理系统功能强大，可以实时监控电动汽车的运行及充电情况。当系统发生故障时，可及时通过CAN总线反馈给整车控制器等控制系统。此时，车辆的整车控制器或充电器将采取适当措施，确保电池组的安全。系统采用分布式结构设计，分为主控制器和子控制器。主控制器应用的过程中可以有效的接受子控制器信息内容，进而可以在蓄电池充放电的过程中表现出良好的数据采集效果，进而后续的故障控制和报警等工作都可以得到有效的确保。数据控制的相关信息传输到车辆控制器当中，而主控制器则可以获取车辆的控制器反馈信息，进而能够对于BMS有着良好的相对控制效果。

该系统使用三个子控制器来管理144个单体锂离子电池。每个子控制器在实际运行的过程中都可以调动8个控制单元，进而能够对单体锂电池进行控制和检测，可以平衡48个单体锂离子电池，这三个子控制器监控电池电压，并负责主控制器的一些操作。为了避免在使用中对单个电池充电，在实际使用中，单个电池的最大电压达到充电极限电压，BMS会让整个电池停止充电。同样，为了避免电池在放电过程中过度放电，当单个电池的电压低于放电终止电压时，整个电池组将停止工作。放电时，电池中储存的能量没有充分利用。如果没有有效的平衡管理功能，电池之间的电压差将随着电池充放电时间的增加而增大，这意味着电池的有效容量将逐渐缩小。这一问题难以得到解决的话，会导致电池的寿命越来越短。解决上述问题的有效途径是平衡电池组各单元的管理，特别是大容量电池组的管理需要一个高效可靠的平衡管理系统。

纯电动车实际运行过程中，必须要保持电池组的供电平衡，让每个单体锂离子电池之间的SOC基本一致，确保单体锂离子电池可以同时满电同时放电，电池平衡的目的是平衡单个锂离子电池的剩余功率。由于这个限制，电池之间的容量不可避免地会改变，因此剩余的电池电量很难平衡。电压是反映电池工作状态的重要参数，虽然电压不等于电池剩余电量，但仍然是电池充放电的控制参数。实时电压监测可防止蓄电池在使用过程中发生故障，过充过放电。因此，电池电压平衡管理系统能够更好地达到平衡的目的，延长电池的使用寿命。

3 CAN设计方案

CAN设计过程中首先要进行硬件设计，让主控制器和子控制器之间能够有效的形成通信联络，进而实际运行的过程中主控制器可以向子控制器发送相关的指令，子控制器也可以将具体的工作循环中故障信息、计算结果以及基本数据等内容发送到主控制器上。

第二个模块是网络的构建，这一网络在实际应用的过程中可以在车辆的控制器之间形成连接，进而在管理系统和控制器之间起到连接和消息传递的作用。

第三个模块是一个自建的本地CAN总线网络，主控制器使用网络与主机和手持显示设备轻松通信，记录估计的剩余功率、故障排除结果和基本电池信息。主控制器采用并联电流来监测和采集电流。在锂离子电池中，大量的单体电池在相同的工作电流下串联，，监测系统只需要测量总电流。在监控电路中，小的恒定电阻串联。作为一个分路器，电流值是根据两端的电压降来计算的。上述方法得到的康斯坦丁电阻降很小，不能用A / D转换，需要信号放大，但不能超过5V，并增加了相应的信号放大电路。此外，需要将5V齐纳二极管连接到电路上，以保护单片机电路不发生故障。在主控制器绝缘电阻检测电路的设计中，采用pic12f675作为主芯片，检测电池组到底盘的绝缘电阻。车辆通信系统采用CAN通信网络。为了保证交通安全，防止通信设备发生事故，需要增加一个串行通信接口电路来处理突发事件。在串行通信接口电路设计中，采用max487作为收发器，工作电流功耗低，通信稳定。主控制器实际上是控制继电器的开关。本设计采用MOS管控制继电器开关来保护锂电池，将二极管添加到线圈中以继续流动。MOS管型号为irlr120，源极和漏极之间的最大电压差为100V，这足以为继电器的开关值提供绝对保护。为了调试和维护蓄电池，需要设计一个通信接口电路，随时监控蓄电池的系统数据和故障信息。只需将便携式显示设备的插座与接口电路连接，就可以确保维护过程的方便快捷。选择NH12864S作为设备显示模块。警告装置通常安装在驾驶舱内。平衡管理控制器分析接收到的数据，以确定每个电池是否充满电。辅助平衡充电器需要打开，如有必要可通过开关总成将平衡充电电源连接到电池组中电压最低的单体电池上对电池进行充电，使单体电池在分组平衡电池的过程中获得更多的能量。可充电电池结构简单，成本低。然而，这种平衡方法的充电时间受电池的最大电压和最小电压之间的差的影响。当电池达到最大电压极限并且充电过程停止时，未达到目标电压值的剩余电池只能共享一个电池。一个接一个地平衡充电源需要很长时间。使用直流电。与直流辅助均衡方法相比，直流分量更大。平衡管理系统的工作原理是在充电过程开始时使用主充电器对大电流电池进行快速充电。实际运行的过程中当单个电池工作电压超过伤心的时候，充电器就完全停止工作，实际运行过程中充电器电源开始工作之后，电池组就进入单电池的独立充电状态。在这一过程中，平衡系统对于每个电池的电压电流进行针对性的监控，进而根据电池表现出来的电压电流不同而采取不同的充电策略，如果电池电量较低则优先使用恒流状态进行充电。而电量回升到一定数值的时候，则切换到恒压充电的方式。如果充电的电流不足电流下限的话，电源停止工作。

4 电动汽车电池的现状

电动汽车电池的发展中，对于新能源汽车电池能分成燃料电池和蓄电池。蓄电池对于纯新能源汽车是适合的，主要有镍氢电池和二次锂电池等。电能汽车使用的电池主要是蓄电池，随着电动汽车的不断发展，对蓄电池的应用量也大大提升，蓄电池是电动汽车的主要驱动装置。电动汽车电池应用的鎳氢电池和二次锂电池的应用率比较高，能满足汽车内部电子设备电能需求，对于这一电池也能进行大量的生产，所花费的资金也不是很高。镍氢电池和二次锂电池的应用量大是因为其自身有着诸多的优势，但是也存在着不足之处，电池如果长时间高强度荷电状态，整体能效就会降低，不断优化荷电状态是延长电池使用寿命的关键。电动汽车电池中的镍氢电池也是比较重要的应用电池，这一类型的电池应用产生的物质不会影响环境，能量产生量也比较高。镍锌电池不能持续使用，而通过充电装置补充能量，电解液当中添加缓蚀剂，能够提高其应用性能。镍氢电池是多种金属分成组成的，应用在电动汽车当中能发挥其能量优势，功率比较高，运行电压以及比能量和比功率都是要优于镍氢电池和二次锂电池的。电动汽车电池的应用中锂离子电池的应用在当前愈来愈广泛，从构造上来看是传统构造类型，锂离子金属氧化物以及有机溶剂溶解的溶液等。

5 电动汽车电池的应用前景和发展展望

2019年，九成以上的电动汽车采用锂电池，其中2019年1～5月三元锂电池的市场份额最大达到55%，比2018年提升10个百分点。相较于镍氢电池而言，锂电池的比能量和比功率大、体积小、重量轻。磷酸铁锂电池能量密度和比功率存在限制，使其在大规模的制作中产生问题。未来的发展的重点将会转移到三元锂电池上，虽然三元锂电池综合性能优越，但仍需要优秀的电池管理系统的支持。

6 结束语

文章综合分析了纯电动汽车要进行电池管理系统的构建方面工作内容，文章从这一点出法分析了锂电池管理系统当中的控制器运行以及电路模块化设计，简化了电路的同时减少了隔离器数量，有着良好的应用效果。

参考文献：

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作者简介

刘兆鑫：（1975—），男，本科，工程师;主要从事汽车研究、开发工作。