电动汽车电池管理系统研究

电动汽车电池管理系统研究

俞秀文孙斐许涛

（安徽省产品质量监督检验研究院安徽合肥230009）

摘要：针对目前电动汽车电池组在安全监控方面存在的不足，本文根据电池组管理与应用需求，结构上采用集中式设计，实现电池组内各参数的集中采集与管理。该结构在确保数据稳定传输的同时，大大减少了隔离芯片的数量，降低了系统的成本。试验表明，该方案能够有效的监控和保护电池组。

关键词：电池管理系统；电压采集；菊花链；

中图分类号：TM912文献标识码：A国家标准学科分类代码：470.4031

引言

电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）是一种高精度、实时性强和多任务的控制系统。系统实时监控电池组状态，合理控制充放电，优化电池性能参数，延长电池使用寿命。

目前采用较多的集散式结构电池管理系统主要由主控模块、单体电压采集模块和高压检测模块组成，该种结构采样点较为分散，系统较为复杂，电池箱内数据线束较多，不利于系统的维护。

本文从电池管理系统的结构和性能要求出发，设计了一套集中式的电池管理系统，有效的弥补了以上方案的不足，它可以对电池组数据集中进行测量，其采样点相对集中，具有接线方便、成本低廉和利于维护等优点。并采用高精度的电压采集电路，有效的监控和保护电池组。

电池管理系统结构

通过对动力电池组管理的需求分析，本文设计了如图1所示集主控和采集与一体的电池管理系统。选用16位Freescale单片机MC9S12DT128作为主控制器，它具有功耗低、兼容性好、运算速度高、抗干扰性强等特点，并扩展有丰富的外围资源，完全满足电池管理系统开发的硬件要求。

电池管理系统主要监测电池组单体电压、总电压、总电流、绝缘电阻和电池组温度等，对电池的荷电状态（StateofCharge，SOC）进行估算，控制电池充放电均衡，并且与车载监控系统、充电机进行CAN通讯，实现协调控制和优化充电，使电池处于最佳工作状态，充分发挥电池的功能，延长电池的使用寿命，并实时检测电池组的绝缘情况，确保电池组的安全使用。

电池管理系统主要硬件设计

根据动力电池管理系统功能和实际监测和管理的对象，采用功能划分和模块化设计思想，系统分离成不同的功能模块。因主控制器与各采集模块之间电压基准不同，为此，在硬件设计时需要通过隔离电路来完成。

单体电压采集是BMS的关键，其准确性直接影响着SOC估算精度和均衡控制。系统采用了专用高精度采集芯片AD7280进行单体电压采集，单片AD7280可同时采集6节电池的单体电压信号，多个AD7280通过特有的菊花链接口进行级联使用，有效地减少了隔离电路的设计。

系统在提高电压一致性上，采用能耗型被动均衡方案，原理如图2所示。每节电池单体通过一个开关与一个功率电阻并联，均衡过程中，高出阈值电压的电池单体能量通过大功率电阻来消耗。被动均衡主要在充电过程中使用，避免单节电池发生过充现象。

电池组充放电电流检测精度和速度，决定着SOC的估算精度。采用串接于高压用电回路的霍尔元件来检测电池充放电电流，将其采样信号经滤波放大处理后，由电流采样芯片进行测量，并将结果传送至主控制器进行处理。

电池组的绝缘情况关系着整个车辆的安全运行，系统采用绝缘电阻的在线检测法，原理如图3所示，在直流正负母线与电地盘之间接入一系列电阻，通过电子开关或继电器切换接入电阻的大小，测量不同接入电阻下正负母线在被测电阻上的分压值，结合方程式解出正负母线对地的绝缘电阻。

系统软件设计

系统软件采用模块化设计、层次化管理，系统软件设计基于Metrowerks公司的CodeWarrior平台，采用C语言进行开发，根据功能分为若干个子程序，其中包括：单体电压采集子程序、电流采集子程序、绝缘检测子程序、SOC估算子程序、电池均衡子程序等。系统软件主要分为硬件驱动和上层应用部分，相继完成各种信号采集，实现相应控制策略。系统软件流程如图4所示。

由于电池管理系统的运用环境很复杂，在使用硬件抗干扰的基础上，在软件上也加入抗干扰设计。在软件设计中使用了滤波、冗余、软件陷阱等技术，防止程序运行异常或失效，确保系统的正常可靠运行。

SOC的估算是电池管理系统关键技术指标。系统采用安时积分法结合开路电压法相结合的估算方法有效地避免了单一算法的缺陷。利用安时积分计算动态过程中SOC的变化量，开路电压法修正安时积分造成的累积误差。实现对系统电量的阶段性校准，确保汽车安全可靠运行。

结论

设计的集中式电池管理系统，对电池组的各项状态参数进行了集中采集，实现了对电池组的有效管理。其独特的菊花链式单体电压采集方案减少了隔离电路的设计，简化了系统硬件电路，降低了系统整体成本，对于实际运用推广意义重大。