电动汽车电池管理系统的研究与实现

陈耀阳

摘 要：随着电动汽车发展的热潮一浪卷一浪，我国电池管理技术趋于成熟。现在的产业链打通也为日后向更高层次的电池运用管理打下了坚实的基础。为解决电动汽车电池管理系统的问题，研究了一种基于电压、电流、温度和阻抗的电池管理系统。首先，分析了系统工作原理，确定了蓄电池电压和电流控制策略；然后，设计了一种新型电池充放电管理算法，并基于Matlab开发出了上位机软件；最后，对所设计的系统进行验证。

关键词：电动汽车 电池管理系统 Matlab

1 引言

新能源车拥有可再生、零排放、运营成本低的优势，目前已成为世界各国关注的焦点。电池管理是新能源汽车的关键部分，同时也是所有汽车动力系统的基础，而且电池管理系统（BMS）是电池管理中最为关键的组成部分。电池管理系统的主要目的在于保证电池在应用环境中的最高效能，从而实现电池的安全应用。这可能包括开发新的控制策略，监测电池的健康状态，并在必要时采取措施来保护电池免受过度放电或过充电的危害。

2 电池管理系统概述

2.1 电池管理系统的概念

电池管理系统作为电池与汽车之间调控的关键所在，电池如何工作完全取决于这个系统，他主要针对的是电池的使用寿命长短，存储量的多少，安全性的高低，以及电车剩余续航的多少等等。电车在不断的发展，人们对电车的要求越来越高，对此电车管理系统也增加了很多的功能来提高电车的续航。近年来，由于国家政策的推动，以及新能源本身的优势，以锂电池为代表的电车越来越受到市场的关注，新能源汽车的使用对于减少大气污染、减少温室效应、保护环境有着积极的意义。

2.2 电池管理系统的作用

电池管理系统的作用是监控电池的电量和状态，并根据电池的情况来调整电池的使用方式，以确保电池在最优的工作状态。例如，电池管理系统可以监测电池的电压和温度，并根据这些信息来调节电池的充电速率，以免过度充电或过度放电。电池管理系统还可以提供一些保护功能，例如过流保护、过压保护和欠压保护，以确保电池的安全运行。

3 BMS系统硬件设计

为了更好地控制动力电池，就要求我们的动力电池管理系统的分析处理能力更高，所以为了更好的管理检测动力电池，我们就必须设计一种更适合于储能应用的动力电池管理系统。对此，为了适应现代储能管理系统对电池管理功能的要求，根据当前各大主要电池管理系统对比于现在使用的几款电力采集芯片，MC33771拥有更多的电流采集通道和在宽温区域内最高的电流检测准确度，同时利用菊花链通信的方法取消了较昂贵的数字隔离器，因此选择了MCMC33771为模拟量流采集芯片。在各个控制器间也可以采用一个主控制台进行系统整体的操作与协调，这样操作方式也就能够达到一个系统对多节电池同时监管的能力，也因为采取的是主机与控制台之间互相结合的方法，这样也能够避免同一个控制台间因为处理数据的任务量过大，导致卡顿，进而影响系统实时数据的管理能力。而我们将通过三个框架来对其实施监管的，其结构框图如图1显示。

3.1 BSU硬件设计

通过计算电阻我们可以算出电池的温度，电池电压的采集以及电池电路如何保持平衡如图2所示。

MC33771可以通过黄花链进行信息的交换互通，并采取了对相应的MOS管的开启闭合，以达到最大开启电压为三百毫安的电流均衡特性。而黄花链可以传递的特点是不需要其他的高速光耦设备，也不要求有独立电源，仅需要一台隔离变压器HM2012NL就可以完成在二个级联的MC33771之间的传递，大大节约了生产成本。菊花链通过差分信号传输数据，但因为可以做到MC33771与控制器之间的真正通讯，就必须通过MC33664的变换器件把差分信号变换成SPI信息。菊花链通信的系统示意图在图3中显示。

3.2 BCU与BMU硬件设计

3.2.1 主控制器设计

主控制器采用ST公司生产的STM32F405RGT6。处理器使用的是32位的ARM架构处理器，最高主频可以达到168MHz，他的内部自带1M的Flash内存，不需要外加内存条，外部用的是64引脚的封装，是由3路SPI总线和2路CAN总线组成，完全足够系统的正常运算需要。

3.2.2 CAN总线通信电路

BMU和BCU之间的信息传递是由CAN总线传递的，我们使用的时候TJ1040T芯片。储存系统由多节单体电池串联成一组电池，为了防止在不同电压下CAN芯片损伤，我们在CAN他的通信接口和他的收发芯片两者之间串入了ADUM1201BRZ双向磁隔离器来隔离信号的干扰，而且我们把CAN收发器的输入端与120Ω的电阻并联起来，用来抑制回波反射现象。CAN总线通信电路如图4所示。

4 BMS系统软件设计

4.1 初始化MC33771

为了更好地对数据进行采集，我们首先需要对MC33771进行初始化设计，增加一些我们需要的功能。

4.2 电压温度采样

完成初始化过程后，即可对MC33771下发信息收集的指令，而MC33771则主要收集各节电池的压力和温度等数据。先把切换指令输入ADC_CFG寄存器中，迫使其中MC33771开始切换，待切换完毕后，再读出对应的MEAS_CELL或MEAS_AN寄存器中的数据，并利用此公式算出真实的电流和温度信号。具体的采样过程如图5所给出。

4.3 电流采样

电流采样是通过Aducm331电流采样芯片完成的，需要对Aducm331的相关寄存器进行配置，具体流程如图6所示。

4.4 试验分析

把2组14的串钛酸锂电池PACK用来进行测试，来收集分析电池的电压、电流以及温度的精确度。由此可知，本系统能够满足实际系统需求。

5 结论

现在，各个国家都面临着环境和能源问题，纯电动汽车由于他的动力供给成为了各国发展的趋势，无论是在节能还是环保等问题上，都有着燃油车无法比拟的优势。我国由于是一个石油进口大国，每年都需要进口大量的石油来保证我们国内正常的工业生活所需。为了摆脱这种局面，发展新能源电车势在必得。电池系统是电动汽车的最主要核心技术，电池管理系统的好坏决定了这个电车的发展。他是电动汽车续航高迪低的关键技术，主要负责电车剩余续航的测量、估算和预警等主要功能，为确保动力电池系统正常工作运转，提高电动汽车安全性，保证电池使用寿命的关键技术。

此次设计的BMS系统通过传感器的零件可以实时精确监控采集到电池的温度、电压、电流等一系类电池数据，通过分析这一些数据，来对电池进行有效检测，避免电池故障的发生，也可以通过BMS系统来对电池进行保护，避免超高温度、超低温度对电池的损害，发生事故。也可以对电池组剩余電量进行检测，对电池组SOC估算更加精准，避免用户对于电车续航的焦虑，以满足实际的应用需求。

参考文献：

[1]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.

[2]陈宝民.电动汽车电池管理系统设计[D].燕山大学，2014.

[3]金强，李军.锂离子动力电池建模方法综述[J].汽车工程师，2021（07）：11-14.