电动汽车用锂离子电池管理系统的模块化设计

电动汽车(包括混合动力、纯电动)对电池管理系统的设计提出了特殊的要求,在详细分析了电动汽车对锂离子电池管理系统(batterymanagementsystem,BMS)的要求的基础上，本文介绍了一种电动汽车用锂离子电池管理系统的实现方法，该方法具有模块化设计，电压、电流精确测量，集成故障诊断功能等特点。

HEV（HybridElectricVehicle）、PHEV（Plug-inHEV）、FCV（FuelCellVehicle）、EV（ElectricVehicle）的动力的一部分或者全部是来自于电机的，所以被称为电动汽车辆家族，这些车辆可以高效率的利用能量。虽然有多种电池是可能的候选对象,但目前最具竞争力的是镍氢电池和锂离子电池，由于锂离子电池能量密度和功率密度都比镍氢电池高，目前成为国际各大公司研发的重要方向。

电池管理系统从结构上可分为集中式和分布式两大类,分别适合于不同的电池组结构形式。集中式的电池管理系统适合于单体电池数目不多、结构紧凑的电池组,分布式的电池管理系统适合于单体数目较多、分布比较分散的电池组。

本文提出了一种使用数据采集专用芯片的电池管理系统方法的分布式电池管理系统，具有电池信息采集、电池荷电状态SOC估计、电池安全管理以及和整车通信的功能。

在使用电动汽车动力锂电池时，须使电池工作在合理的电压、电流、温度范围内。否则，不仅可能会显著缩短电池寿命，还可能会带来安全性的事故。

另外,由于目前锂离子电池的生产工艺的制约,各单体电池之间不可防止地会存在差异性,电池在长期使用过程中,电动汽车的各种运行工况工况会加剧它们之间的差异,表现为单体电池之间容量、电压和内阻的差异和由此而产量的对电池SOC计算的差异，所以还必须设计均衡电路来保证电池的安全工作状态和能量效率利用的最大化。

虽然各单体电池串联工作,在其使用过程中充电和放电电流相同,但由于电池一致性的差异以及通风散热条件的不同,其电池工作时所处的温度变化也会不同,电池管理系统还应能监控电池包/箱中温度场的分布情况并及时给出报警或要求调整电池工作电流的信号。

综上所述,电池管理系统要具有如下功能：

1)容量预测：在实时充放电过程中，能在线监测电池容量/能量，并能随时给出整个电池系统的剩余容量。

2)在电源接通时，对系统自检，若一切正常，发出可以正常工作信号，若有问题，发出故障信号，并切断强电开关。

3)过流、过压、温度保护：在电池（包括系统整体和各个模块）发生过流、过压、和温度超标时，能将电池的充放电回路切断，给出声光示警信号，并通知给整体管理系统。当被保护电池的保护因素消失，则保护功能要取消。

4)与整车通讯：采用CAN总线的方式与整车管理系统进行通讯。

5)故障预警：在电池使用过程中，随时记录电池使用参数，通过一定的数学模型并判断电池的有效性，若发现系统中有电池失效或是将要失效或是与其它电池不一致性增大，则要有声光示警并通过通讯方式通知到整车管理系统。

6)充电控制：当电池的荷电量不足时，根据当前电压，对充电电流提出要求，满足限压变流的充电方式，并能记录充入的电量，当达到或是超过设定的电压或荷电量时，停止充电请求。

系统结构

电池管理系统的构成由电池管理单元（BatteryControlUnit）、电池组（由若干电池模块串联而成）和接线盒组成，如图2所示。

电池管理系统拓扑结构

为实现上述功能要求,本文提出了一种电池管理系统拓扑结构及其实现方法,如图3所示,该图表示了基于菊花链和SPI总线的管理系统结构。

电池管理系统由1个主控制器（Master）和N个模块控制器（Slave）组成。6节电池为一个电池模块,每个模块由Slave管理,各Slave之间通过菊花链连接，最后一个Slave通过SPI总线与Master通讯，发送数据并接受其命令。

主控制器（Master）的功能

(1)与Slave之间、车辆其他控制器之间的通信;

(2)电压和电流测量;

(3)SOC的估算;

(4)最大可充电能量和可放电能量的计算;

(5)Fail-Safe安全模式

(6)自动断开（过充、过放、过流、过压、短路等）

(7)OBD

模块控制器（Slave）的功能

(1)单体电池电压、温度测量;

(2)与Slave（或Master）通信

(3)控制均衡电路。

通信方式

模块控制器采用了ADI7280电池模块监视芯片，它最多支持50个模块以菊花链式的机构串联，同时还具有SPI总线，可以与主控制器通信。

均衡电路方法

均衡电路分为主动式和被动式。本文采用的是被动式的均衡电路，放电电流为电池容量的1%。

SOC计算方法

方法中的SOC的估算采用以下方法:在电池输出电流足够小、累计时间足够长(具体电流和时间值要通过试验测得)时采用OCV值来估算SOC,其他情况下要通过计算电流积分来估算SOC。SOC的估算值的准确程度与下面几个参数有关:OCV和SOC之间的对应关系的准确程度、电流积分值计算的准确程度、单体电池的电压测量精度等。

常用的SOC估计方法有安时计量法、开路电压法、内阻测量法、神经网络法等。开路电压法是最简单的方法，但只适用于电池长时间开路或恒电流放电的情况。卡尔曼滤波器算法的优点是对SOC初始误差不敏感，特别适用于电流波动剧烈的电动汽车应用环境。本文采用的是开路电压法和卡尔曼滤波器相结合的方法。

OBD

传统汽车的车载诊断系统（OBD）一般包括功能监控、错误检测、记录、存储故障信息、读取数据等、EOL、ReProgram、VIN识别等功能[5]。对电动汽车来说，电池是重要的组成部分。为了更好的管理和维护电池，本文设计的电池管理系统带有OBD功能。