电动汽车动力电池管理系统的设计与研究

纪文煜

摘 要：能源危机和生态危机产生的人类生存压力越来越明显，汽车产业受能源危机和生态危机的双重影响，电动汽车的研发俨然是大趋势。电动汽车的问世减少了环境污染，缓解了生态压力，而其也减少了能源消耗，在解决能源枯竭问题方面有着积极意义。其研发与应用得益于其电池管理系统的设计优化，这也是新型能源汽车研发中的核心命题。本文主要就电动汽车所对应的电池管理系统进行设计方面的系统研究，以通过硬件与软件的系优化设计，带来电池管理系统的优化，带来电动汽车研发的新革命，使得其性能逐步提升，助力新能源汽车产业的创新发展。

关键词：电动汽车 动力电池 管理系统 设计分析

Design and Research of Power Battery Management System for Electric Vehicles

Ji Wenyu

Abstract：The pressure on human survival caused by the energy crisis and the ecological crisis is becoming more and more obvious. The automobile industry is affected by the dual impact of the energy crisis and the ecological crisis. The research and development of electric vehicles seems to be a general trend. The advent of electric vehicles has reduced environmental pollution and alleviated ecological pressure， and it has also reduced energy consumption， which has a positive significance in solving the problem of energy depletion. Its research and development and application benefit from the design optimization of its battery management system， which is also the core proposition in the research and development of new energy vehicles. This article mainly conducts system research on the design of the battery management system corresponding to electric vehicles， and optimizes the design through the system of hardware and software， which brings about the optimization of the battery management system， brings a new revolution in the research and development of electric vehicles， and makes its performance gradually improved， facilitating the innovative development of the new energy automobile industry.

Key words：electric vehicle， power battery， management system， design analysis

汽车产业是市场经济中的一大主导产业，其快速发展的背后也引发人类关于生态性问题、能源利用问题的深刻思考，当前生态危机加剧，能源紧张的现实让部分产业发展受限，而汽车产业首当其冲。鉴于传统汽车产业发展的不足，研究新能源汽车成为备受瞩目的课题，而电动汽车的问世无疑为汽车行业的转型升级带来曙光。对于电动汽车设计研发和性能发挥、来说，起核心作用的是电池，而其对应的系统设计是重中之重，电池作为其能量源泉，其系统则负责能量来源——电池运行情况的分析、数据的采集、故障的判断、运动控制等，系统性能优劣对汽车安全性和功能性发挥的影响是直接而深刻的。

1 电动汽车动力电池工作原理

当前汽车的动力电池多对为金属燃料，主要构成是铝，基于其材料选择和性能循环的优化考虑，电池负极为金属材料，正极则采用泡沫石墨烯，其电解液主要成分是四氯化铝，实现了充放电的有效循环，即使在常温条件下也可以正常循环运作。其正极所对应的石墨烯材料属于典型的层状材料，其能有效容纳阳离子，实现电解液内阴离子的容纳，讓动力电池放电形成良性循环。

2 电动汽车电池管理系统设计的三大技术支持

2.1 参数检测与分析

工作参数检测是动力电池管理系统设计中首先要考虑的问题，工作参数检测涵盖多个方面，从工作电力到电压再到电温等，在这些工作参数检测的过程中[1]，重点是进行单体电池的电压具体数值的测量，进行电压稳定性分析，以此明确电池工作状态。荷电状态的估算时，必须使用单体电池的电压，以电压数据为支持同步开展其他功能的数据计算。

2.2 SOC初始值估算

SOC算法主要是对电池SOC初始值计算，当前主要是卡尔曼滤波法。实验数据是算法进行的保障，大量的数据分析中找到电池准确使用的关键性信息，在明确电池两端温度信息集电压值的基础上，进行SOC算法计算[2]，确保数值高准确度。初始值之所以为初始值主要是其扮演的是基础输入值的角色，在滤波方法的支持下，进行SOC数值的估算。算法中对应的计算公式需要进行线性化处理，基于误差协方差矩阵，估算出具体的误差范围。

2.3 均衡控制设计研究

均衡控制技术被认为是动力电池管理系统性能发挥的主要技术支持，也是设计的重点与难点，其关系到电池性能的有效发挥，其主要起控制作用。一般来说的，单体电池性能最差的部分决定整体电池组的性能稳定性，类似于木桶效应。如果单体电池的使用状态不同，会导致电容量降低，产生电池过防或者过充的问题，使得电池寿命严重缩短。因此均衡控制致力于电池使用寿命的提升，致力于其使用效率的提升[3]，致力于电池组中电池性能的均衡控制。均衡控制是设计难点，设计中的投入与关注必须到位。

3 动力电池的性能要求

3.1 安全性要求

电动汽车产业的创新发展对汽车的运行稳定性要求较高，其中安全性要求是处于第一位的。因此是动力电池管理系统设计研发的出发点，也是其设计的落脚点。要切实保证人身安全，锂电池电池储存的能量与安全性是反比关系，电池容量的增加对应的安全风险加大，常引发温度超高或者过低、电池短路、漏液等系列问题。因此设计中安全的关注是重中之重。

3.2 高能量密度要求

動力电池具有高能量密度要求，而这一指标也是电池性能的主要评判指标，其又反映到电池的续航里程上。因此在动力电池管理系统的设计中必须追求高能量密度，这也是锂电池的优势所在，加上其体积小，质量轻，备受推崇。

3.3 高功率密度要求

高功率密度不同于高能量密度概念，其具体对应的是电池单位体积输出的功率，其与能量密度没有直接联系，更侧重电池倍率性能的反映与描述，表现为汽车的爬坡能力、加速效果等。

3.4 长寿命要求

在电池系统的设计与研究中也应基于成本因素和维护便利的考虑，尽可能地关注到动力电池的长寿命要求，减少对其寿命的不利影响因素[4]。电动汽车使用中其充放电次数的增加会导致电池的磨损，电池老化等，而在高温等恶劣环境下，电池的使命寿命会大大缩短，这也是当前电动汽车日常推广效果不理想的主要影响因素，需要在设计上不断创新，突破，以希望有效地克服该问题。

3.5 成本合理控制要求

鉴于电动汽车普及推广的要求，必须关注其成本合理控制问题。而动力电力管理系统的设计也能影响到成本的控制。对于纯电动汽车来说，电池成本问题引发的热议并不少，其甚至占到了汽车生产总成本的50%，因此在设计上追求成本的缩减且性能不变，是设计中的重要课题。

4 电池管理系统的框架设计研究

当前电动汽车电池管理系统设计中多采用分布式结构，其中处于底层的是动力电池信息基础采集模块，主要承担电池工作参数检测及电池使用状态的信息反馈等任务。涉及到诸如电流、电压及温度的数据检测与分析[5]。而上层主要是主控制器，主要负责对底层收集的数据进行集中性的处理，让底层硬件与主控制器进行合理的通信，进行SOC的估算，辅助其与上位机的信息通讯等。

4.1 硬件设计研究

硬件电路设计研究是动力电池管理系统设计的一大主体。其对系统的整体性性能发挥影响明显，其又细分为荷电状态估算、电池均衡控制等多个具体方面，其设计成效对电池管理系统性能影响是显而易见的，具体影响到电池管理系统的安全度、通信效率和放电控制效果等。本文的设计研究集中在中央控制单元设计、电池电压电流采集设计、单体电池均衡控制设计、热安全管理与上位机通信设计等几个较为核心的部分。

4.1.1 中央控制单元设计

电池管理系统中中央控制单元设计如它的名字那样，是起中央控制作用的。具体来说，涉及到电力参数的接收、电池温度数据的接收等，并对这些接收到的信息进行有效的分析与处理，进行SOC的估算[6]，以明确电量是否有剩余及具体的剩余情况，及时发出运行命令进行控制，且辅助进行其与上位机的信息交流与共享。当前中央控制单元的发展趋于模块化设计，整体电路系统较为复杂，以模块化的设计带来各项功能模块的分工协作，也方便后续的维护与检修。

4.1.2 电池电流与电压采集电路设计

在中央控制设计之外，要重视电流、电压采集，相应的电路设计必不可少，这也是电池SOC估算的参数保证。当前电动汽车产业化发展，其性能要求提高，对应的采集电路精度要求提高。多数电池组采用的是4节锂电池的布局模式，单节电池电压为3.2V，对应的电压上限时3.65V，因为主控制器的A/D转换通道接口能承受的最高电压时3.3V，为保证单片转换接口安全，精确度必须有保障，因此常选用CHV-25闭环霍尔传感器，以进行电压的有效测量。传感器与电池组的正负两端分别相连，采集到的数据进行转换后实现信号到主控制器的传输，最后在上位机上显示出来。在总电压采集电路的设计中需要明确当前应用较为常见的电压检测方法，如电阻分压、飞渡电容、运算放大器差分放大法等，电阻分压更适用于单体电池的电压采集，虽然其累积误差无法避免，但其不利影响可以忽略不计。电流采集电路设计与电压采集设计相似，其对应的电流传感器型号为WCS275，以闭环磁补偿电流原理为设计导向，具有较强的抗干扰能力，且辅助实现高精度的数据获取。

4.1.3 热管理电路设计

电池组长期在高温环境下作业是不允许的，会降低电池性能，不利于其稳定供电，因此必须引入热管理电路设计，以该控制系统减少或者规避高温对电池组的负面影响。在外界温度较低时，电池内部化学反应，产生一定热量，以实现外界低温压力的缓解。而电池温度较高时则启动降温措施，如电风扇降温，使得温度在合理范围内。特别是其有预警与自动工作阈值设定，当温度达到阈值限制，热管理电器自动运作，进行电池组的降温处理。

4.1.4 单体电池均衡电路

均衡电路设计的初衷是解决单体电池电压不均衡的问题。若不均衡时，自动对电池组中超过设定阈值的电压进行处理，实现过余电量的有效消耗，让单体电池处于均衡状态。要取得电路均衡控制的理想效果，往往需要进行分流电阻均衡电路器的开关控制设计，其也能带来电路的设计简化与高效运作。

4.2 软件设计研究

对于电池管理系统设计来说，硬件设计之外，软件设计也不能缺位与疏忽。软件设计相较于硬件设计来说，设计的内容较少，主要集中在控制、电量检测、上位机软件设计三大方面。

4.2.1 软件设计中的控制实现

在电池管理系统设计研究中，要让软件设计控制目标有效达成，主要是借助主模块对采集模块、电池组、SOC估算、故障记录等模块进行有效控制。其中进行电池组模块的控制设计时需要对电动汽车运行状态有着充分的认识，了解到其具体的运动速度，判断电池的工作模式是否与系统预设的模式相一致[7]，在发现不一致后继电器收到动作命令，使得电池组在合理的串并联模式下有效运行。而其就故障记录模块的控制设计主要是利用软件系统，将电池使用中可能出现的故障进行一一列举，进行电流故障、高压故障、低压故障、高溫故障、低温故障等不同故障类型的梳理，明确故障类型后找到其对应的硬件电路，进行指示灯的合理设置。若发现系统故障，可以借助鸣蜂器明确故障类型，让故障指示灯显示预警，做好单体电池的定位分析，并表现为文字标签式的提示。控制模块设计中也必须增加对故障类型的记录设计功能，方便后期的维护查看等。充放电的控制模块功能受充电机和负载电路的双重控制，控制效果更理想。

4.2.2 软件设计中的电量检测

在软件设计中也涉及到电量检测的问题，电量检测的算法设计要根据电池模型决定，常用的是三阶等效模型，基于其高阶特点及使用中可能产生的高斯白噪声等，进行电量的检测分析。电池状态切换时会出现不同程度的噪声，甚至有一定的震荡现象，会在一定程度上影响到软件设计中的电量检测准确度，有明显的误差存在。在车辆运动中如果出现震动问题，也干扰到电池的电量检测，因此要想解决这一问题，需要在设计上下功夫，可以将嵌入式及电池检测滤波算法融入其中，进行滤波算法的合理扩展，在电池电量发生变化时实现随机噪声的滤除。

4.2.3 软件设计中上位机软件的设计关注

在汽车电池管理系统的设计中上位机软件的设计也不容忽视，其作为电池管理系统的CAN通信节点，需要接收主控单元发送的电池组状态信息，及时获得报警信息提示等，其上位机的主板不具备CAN接口，其无法进行通信，因此需要将CAN接口卡与上位机已经有的通信接口转化为CAN可通信接口，以USBCAN-II为例，其能将USB接口转化为CAN接口，使其有效接入到电池管理系统CAN网络系统中，其该接口具备二次开发函数库的作用，能兼容多种开发环境。上位机软件开发设计中应关注相应基础功能的实现。如对电压、温度及总电压等数据的实时显示，进行SOC估算状态及继电器状态显示等[8]。如故障报警分析，一般红灯对应有故障且故障为一级，黄灯表示有故障且故障等级为二级，绿灯表示无故障存在。如下位机发送电池生产的相关信息，发送电池管理系统自身运作产生的诸多信息等，下位机接收到这些信息后及时将其存储在相应的存储空间中。这些电池组运行的历史数据将为电池组的后续维护检修提供指导与参考。设计完成配合电池管理系统的精度测试，进行上位机记录的数据和高精度万用表测量数据的综合分析，对比研究，在反复试验后确保其误差范围合理，确保其高采集精度。

5 结语

积极做好电动汽车动力电池管理系统的优化设计关系到电池的使用寿命，关系到电动汽车运行安全性等，也关系到生态环境，关系到能源保护，需要引起足够的关注。而新能源、纯电动汽车的研发趋势更明显，这离不开专业的创新的硬件设计和软件设计，只有深入该课题的研究与探讨，指导专业的设计，让设计到位，电池管理系统性能发挥更稳定，电池产业的发展前景也将更广阔。在电动汽车电池管理系统的创新研究上，依然是任重而道远，需要我们持续的研究关注与不断的研究投入。

参考文献：

[1]刘亚运.锂离子电池SOC估计与电池组均衡技术研究[D].安徽理工大学，2019.

[2]李欣阳.基于STM32的分体式BMS主控单元设计[D].青岛大学，2019.

[3]张宝利.基于功能安全的电动汽车电池管理系统架构设计[D].北京交通大学，2019.

[4]翁志福.新能源汽车动力电池管理系统研究[D].西南交通大学，2019.

[5]方扬帆.电动汽车动力电池管理系统检测平台研究[D].中国计量大学，2019.

[6]何忠霖.纯电动车锂离子动力电池组SOC估算及热管理系统设计[D].西华大学，2019.

[7]王正义.电动汽车动力电池组均衡管理策略研究及系统设计[D].苏州大学，2019.

[8]李仁政.基于平板热管的电动汽车动力电池液冷式热管理系统散热性能研究[D].江苏大学，2019.