柳曉東，袁 清

（濰柴動(dòng)力股份有限公司新科技研究院，山東 濰坊 261000）

汽車的快速發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染，能源危機(jī)也愈加嚴(yán)重，國(guó)家已在戰(zhàn)略層面支持電動(dòng)汽車的發(fā)展以緩解目前暴露的各項(xiàng)問(wèn)題。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主要能量源，對(duì)電動(dòng)汽車的綜合性能起著決定性作用，因此，對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究刻不容緩。隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重，中國(guó)已將電動(dòng)汽車作為國(guó)家的重大發(fā)展戰(zhàn)略［1］。與內(nèi)燃機(jī)汽車不同，電動(dòng)汽車以動(dòng)力電池為整車的主要能量來(lái)源，對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池更是整車的唯一能量來(lái)源。電池管理系統(tǒng) （BMS）主要負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)力電池的狀態(tài)采集、充放電控制和故障判斷等，該系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對(duì)整車安全性和續(xù)駛里程等起著決定性作用［2-3］。

本文以三元鋰電池為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了一款電池管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池狀態(tài)的采集，電池荷電狀態(tài)（SOC）、電池總壓和絕緣電阻的計(jì)算，能根據(jù)電池狀態(tài)判斷電池是否發(fā)生故障并對(duì)繼電器進(jìn)行控制。

1 電池管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在本文中，采用“一主多從”的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)。主控 （BCU）主要功能包括采集電池總壓和總電流、計(jì)算絕緣電阻、SOC和控制高壓上下電，發(fā)送電池的各項(xiàng)信息至上位機(jī)，滿足上位機(jī)的顯示需要；從控 （BMU）用來(lái)采集單體電壓和溫度，并執(zhí)行電池單體的被動(dòng)均衡，從控通過(guò)內(nèi)CAN與主控通信。

2 電池管理系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計(jì)

2.1 單體電壓和溫度采集

根據(jù)實(shí)際需求，不同電池包內(nèi)單體數(shù)量各有不同，從幾串、十幾串甚至到幾百串，為了保證電池包及整車能安全穩(wěn)定地運(yùn)行，必須對(duì)單體電壓和溫度進(jìn)行精確采集，當(dāng)BMS判斷電池單體狀態(tài)出現(xiàn)異常，可以立即采取相應(yīng)的處理措施［4］。

在本文中，BMU單體電壓和溫度采集功能的流程如圖1所示。

圖1 單體電壓和溫度采集流程圖

2.2 動(dòng)力電池總壓計(jì)算

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池總壓高達(dá)幾百伏，而一般芯片的模擬量采集電壓不超過(guò)5V，因此，在本文中采用電阻分壓法來(lái)采集電池總壓，采用高精度電阻根據(jù)電池總壓范圍設(shè)計(jì)分壓電路，使接入芯片的電壓滿足使用要求，在程序中對(duì)采集到的電壓值按分壓電阻比例進(jìn)行還原計(jì)算，即可得到動(dòng)力電池的總壓值。

2.3 動(dòng)力電池總電流和SOC計(jì)算

電流不僅可以作為電池過(guò)放電或過(guò)充電的依據(jù)，更重要的是目前Ah積分法計(jì)算SOC直接使用該電流值，因此，保證電流測(cè)量精度至關(guān)重要。

SOC是指電池的荷電狀態(tài)，一般使用電池實(shí)際剩余容量占額定容量的百分比來(lái)表示［5］。目前，SOC的計(jì)算一般采用安時(shí)積分法，通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行積分即可求得電池實(shí)際充電或放電容量，再依據(jù)額定容量值即可求出電池的SOC。

開(kāi)路電壓法是利用電池開(kāi)路電壓與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在電池靜置一段時(shí)間采集到單體電壓后對(duì)電池SOC進(jìn)行修正。

在本文中，采用了安時(shí)積分法作為SOC計(jì)算的基本算法，在進(jìn)行安時(shí)積分時(shí)，根據(jù)電池健康程度和電池溫度作為補(bǔ)償，并使用開(kāi)路電壓法作為SOC修正。

2.4 絕緣電阻計(jì)算

電動(dòng)汽車的高壓可達(dá)幾百伏，若行駛過(guò)程中出現(xiàn)“漏電”情況，對(duì)人的生命安全會(huì)產(chǎn)生巨大威脅，因此，BMS必須具備電動(dòng)汽車絕緣電阻計(jì)算功能［6］。在本文中，計(jì)算絕緣電阻的原理如圖2所示。

圖2 絕緣電阻計(jì)算原理

根據(jù)圖2，絕緣電阻計(jì)算步驟如下。

1）以動(dòng)力電池搭鐵點(diǎn)②為參考，測(cè)出動(dòng)力電池電壓VB。

2）閉合開(kāi)關(guān)1，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)2，測(cè)出③點(diǎn)電壓VP。

3）斷開(kāi)開(kāi)關(guān)1，閉合開(kāi)關(guān)2，測(cè)出③點(diǎn)電壓VN。

根據(jù)測(cè)量的VB、VP、VN和定值電阻R，即可求得RP、RN（即是正極和負(fù)極對(duì)車架的絕緣電阻值）。

3 測(cè)試仿真

BMS高壓上下電試驗(yàn)是使用CAN報(bào)文收發(fā)設(shè)備模擬整車控制器發(fā)出上下電指令，觀察繼電器動(dòng)作、狀態(tài)和電壓變化情況來(lái)確認(rèn)功能是否正常，BMS高壓上下電試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。BMS充放電與SOC驗(yàn)證試驗(yàn)是使用充放電設(shè)備控制電池先放電一段時(shí)間，再充電同樣時(shí)間，觀察電流和SOC變化確認(rèn)功能是否正常，BMS充放電與SOC驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖3可以看出，電池總壓采集正常，BMS可以根據(jù)整車控制器的上下電指令執(zhí)行正確的上下電動(dòng)作。

從圖4可以看出，在恒流充、放電的工況下，BMS可以進(jìn)行正確的電流采集和SOC計(jì)算。

圖3 BMS高壓上下電試驗(yàn)

圖4 BMS充放電與SOC驗(yàn)證試驗(yàn)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了“一主多從”分布式結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際使用設(shè)計(jì)了包括電池電壓采集、電流采集、SOC計(jì)算、絕緣電阻計(jì)算等功能。使用充放電設(shè)備和三元鋰電池搭建了BMS測(cè)試臺(tái)架，完成了臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)功能的可行性。雖然該電池管理系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)，但在電池?zé)峁芾砗凸收显\斷方面還有較大欠缺，對(duì)于成熟的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，該部分功能的實(shí)現(xiàn)可能更具有意義，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究，開(kāi)發(fā)出具有完整功能的電池管理系統(tǒng)。