原创 车用动力电池管理系统的设计（欢迎讨论,文中的图不好上传，先不传了）

车用动力电池管理系统的设计

【摘要】 本文从设计车用动力电池管理系统（BMS）的必要性入手，对BMS作了需求分析，设计了针对车用动力电池的电池管理系统。文中着重地介绍了BMS子系统中电池均衡系统及其保护电路的设计方法，同时介绍了电压采集及温度控制等电路。

【关键词】 车用动力电池，电池管理系统，电池均衡

A Design of Power Battery Management System for Vehicle<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Tsinghua UniversityAbstract]: The necessity of power battery management system for vehicle is presented, and a battery management system is developed. This article focuses on cell equalization and its protection circuits in the subsystem of  BMS, and also circuits of voltage and temperature is recommended.

Key words:  Power Battery, Battery Management System, Cell Equalization

1  前言

车用动力电池管理系统（Battery Management System，简称BMS）是电动汽车中一个重要的关键部分，是一个处于监控运行及保护电池关键技术中的核心部件，能给出剩余电量和功率强度预测、进行智能充电和电池诊断安全等功能集合的综合系统。其中BMS的核心部分是对电池的均衡进行管理。

为电动汽车提供动力能源的大容量蓄电池常称作动力电池。车用动力电池一般由多个单体电池串联组成一个模块，又称电池组，例如由280 个1.2V的单体镍氢电池组成336V 的车用电池组。实践表明单体电池寿命远长于电池组，研究发现这是由于串联电池组的使用处于不均衡状态，蓄电池的不均衡状态会随着充放电循环不断加剧，受损最严重的电池单体寿命减损引起所在的电池组寿命减损，从而减损整个电池系统的寿命。虽然电池组由同样规格的单体电池组成，但由于单体电池制造过程中性能的分散性和使用过程中电池组内部环境的非均匀性等原因，随着使用时间的增加，单体电池之间的性能差异将逐渐拉大^[1] ，若不采取措施将造成某些单体电池过充电，某些单体电池过放电，过充和过放不仅影响电池寿命，对于电池容量也是一个威胁。实际上一组蓄电池中的实际放出的容量是由实际容量最小的那块单体电池所决定的。当这个单体电池容量告罄时，其他单体电池也无法继续工作,从而损坏电池组，另外过充过放还可能产生大量的热量引起电池燃烧或爆炸，因此采取均衡技术来补偿电池性能的差异是非常必要的^[2]。

因此，蓄电池的均衡性管理，是BMS的核心部分。

目前已经有许多对BMS的研究工作，其中美国在这一领域处于领先地位，国内也对电动车的发展十分重视，在“十一五”规划中电动汽车被列为国家“863”科技攻关项目。针对电动汽车的电池管理系统，也有了一定程度的发展。目前主要是一些高校依托自己的科技优势，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同开展研究，都取得了一定的成果，但同时也存在一些问题，如系统的扩展性和移植性问题。即现行的管理系统只是针对某种车型，当电池箱个数增加或电池电压等级改变时，该管理系统需要重新设计^[3]。本文设计的管理系统考虑了这一方面。

BMS核心部分的均衡手段目前有许多种，主要包括如下方法^[2]：

l  ICE能耗式均衡：将过剩的能量消耗掉以避免电池受到损害。对于输出功率较大的应用场合如电动汽车，为了减少能量损失和提高电池效率，必须采用非能耗均衡技术。

l  双向反激直流－直流转换器均衡：每个电池单元跨接一个双向反激直流－直流转换器。由于电路带有大量感性元件、结构复杂、电路体积大等缺陷，降低了其实用性。

l  同轴多绕组变压器均衡：采用同轴多绕组变压器(CWT)的进行充放电均衡。理论上同轴多绕组变压器均衡可以完全实现蓄电池充放电均衡,控制也比较简单。但在实际应用中，变压器的寄生效率，尤其是变压器的漏磁，会导致各个端电压并不相同，各电池模块会造成能量紊乱。

l  电流转向器均衡：双向非能耗式电流转换器均衡方案可以实现一定的实验性均衡效果，但由于电路结构复杂、能量损耗大等缺陷，限制了其实用性。

l  升降压直流一直流转换器：升降压直流一直流转换器均衡方案可以实现一定的实验性均衡效果，但由于能量转移过程中损耗较大，局限了均衡效果的实现，降低了其实用性。

l  控制单体电池放电技术：控制灵活，可以通过控制每一个电池单体的放电波形。缺点是功率开关使用太多，通断电频繁，功率开关需要选用成本更高的产品，另一方面也使发热过大。

从上面几种方法看，各种均衡电路都有一定的优缺点，均衡电路的选用或另行设计是本文讨论的重点。

2  BMS的系统结构

2.1  BMS设计需求

在参考了国内外的论文与专利的基础上，我们认为BMS设计时的系统输入部分必须包含估算电池的荷电状态（SOC，State of Charge）所需要的物理量。一般情况下， SOC是电池性能差异的集中反映，均衡电池的SOC 无疑是最有效的均衡措施。但由于SOC 受放电率、温度、循环次数等多个因素的影响,其估算精度不高^[4]。但SOC的估算需要知道各节电池电压、温度、总电流、总电压等，因此这些内容是在BMS设计中必须要考虑的。在对电池进行SOC估计的基础上，实现对电池的均衡、散热就需要输出负载。同时考虑到扩展通用性，必须实现总线结点式的可扩展网络设计，考虑到汽车工业的需求，应采用CAN网络通讯方式。

从上面的分析来看本文所开发的电池管理系统需要实现以下功能和要求：

l  实现整车电池、各节电池电压、温度、总电流、总电压的检测和处理功能

l  采用CAN2.0标准接口，满足整车接口和协议技术要求

l  完成故障诊断，数据处理与存储

l  电池箱温度风机控制节点

l  电池均衡

2.2  BMS系统结构

图1所示为BMS的系统结构框图。

整个系统包括一个整车级BMS通讯控制器，若干个BMS主控制器，每个主控制器下又挂有若干子控制器。

整车BMS通讯控制器的主要功能是通过与各BMS主控器的通讯获得当前各分箱电池状态的信息，并进行汇总通过整车CAN网络对整车控制器负责，同时要对各个分箱的电池状态进行协调，以保证各箱状态的一致均势。另外该通讯控制器具有较大容量的数据存储器，如FLASH或其他存储设备，以方便进行信息的读取处理，为研究和诊断提供大量的数据基础。

整车BMS通讯控制器通过BMS_CAN主网络与各BMS主控器进行通讯，通讯的主要内容是整车BMS通讯控制器获取各BMS主控器发送的单箱温度、SOC、电压、电流及健康状态SOH（State of Health）并传回各箱平均的温度、SOC、电压、电流作为各BMS主控器的控制目标。

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图1  BMS的系统结构框图

图2给出的是BMS主控制器的功能模块。事实上每个BMS主控制器是与电池箱体随行为。备用FLASH的作用是在一些较小的应用场合下只用一个电池箱体，此时BMS主控制器要同时扮演整车BMS通讯控制器的作用，即与整车通讯且保存电池数据。图中M为风扇电机，用来控制电池箱体的温度，R为继电器，用以控制电源功率的输出。

图2 BMS主控制器

主控制器通过BMS_CAN子网络与BMS子控制器通讯，其通讯内容包括整车BMS主控制器获取各BMS子控制器发送单片电压、单片温度、支路电流并传回各节点平均单片温度、电压、电流作为各BMS子控制器的控制目标。

图3给出了BMS子控制器的功能模块图，每个子控制器设计为对16节单体电池的管理。BMS子控制器有三个输入量，电流、电压及温度，有一个控制量，即均衡控制。同时与BMS主控制器有CAN网络接口。

图3 BMS子控制器

3  电池均衡方案

3.1  双向隔离DC/DC均衡电路

本文已提到蓄电池的均衡性管理是BMS的核心部分，均衡电路设计的可行性与成本是要着重考虑的部分。在综合考虑了文献2及其他文献的各种方案后，采用了双向隔离DC/DC均衡电路。原理如下图4所示。

图4 双向隔离DC/DC均衡电路原理图

图中仅是一种原理上的示意。其工作过程如下，当BMS子系统检测某一节电池电压过高时，就通过IO口选通该节电池的开关使之与副边相连，在选择合适的变压器线圈下，利用副边的PWM占空比控制mosfet在主边反激出充电电压给整个电池系统充电，此时不需对主边的mosfet进行控制，因为此时电流直接通过二极管。同理当BMS子系统检测某一节电池电压过低时，通过IO口选通该节电池的开关使之与副边相连，此时利用主边的PWM占空比控制mosfet在副边激励出充电电压给该节电池进行充电，此时不对副边的mosfet控制。

实际电路图可分为几个部分如下图5、6、7、8所示。

图5均衡电路

图5给出均衡电路的实际情况，主边两个网络标号为BV16和BATGND是串联电池的正负极，副边VT和TGND是与继电器开关相接的如图8所示，通过继电器与任意所需的单片电池正负极相连。图中两边均采用了两个mosfet 管并联使用，其目的是为了增大电流通过能力（在进行均衡时电流可达10A左右）。

图
6 PWM驱动电路

图6所示的是PWM驱动电路，其中左边部采用了高低边的驱动芯片IR2110S，而右边则采用了光隔和一个模拟电路实现mosfet的驱动，其原因是左边的驱动的电路部分用以驱动主边，数字地和模拟地是共地的，而与右边的则不是共地的。事实上右边是浮地的，且其相对地的电势是变化的，因此需要采用隔离。

                            图7 4-16译码器选通                             图8 继电器模块

3.2  过流保护电路

为了防止充放电时因异常情况致使电流过大而损坏均衡电路的元件甚至对电池造成不可恢复的损坏，过流保护电路是必不可少的。图9给出了过流保护电路的原理图。采样电阻通过电压放大后与比较器电压比较产生一个信号，当电流过大时切断通过MCU关断PWM输出从而实现对电流的保护。

图9过流保护电路原理图

下面给出其具体电路，事实上我们在变压器主副边均设计了保护电路，其原理完全一致，下面仅对副边的电路进行介绍。

图10 差分放大

图11 比较逻辑

如图10，电路利用0.01Ohm的电阻进行采样，并利用差分放大器对采集电压进行放大，放大倍数为10倍。图11为比较逻辑，考虑到单片电池有充电和放电，因此电流会有反向，采集的电压相对浮地的TGND而言会有正负，因此采用两个比较器，利用分压产生4V的正负电压，通过比较器和图中所示逻辑产生信号，经过推导当电压不在正负4V间，输出的FOT电位为低电平，经过光耦后得到FLTA为低电平，从而通过MCU切断PWM输出，实现对电路的短路保护。

4  测量电路简介

4.1  单片电压采集电路

由于采集的电压比 较多，因此采用巡检技术实现电压的采集，其部分电路如图12所示。

图12单片电压采集方案部分电路

其具体工作原理这里不再介绍，本方案与863项目燃料电池单片电压的采集方案完全相同。若有兴趣请参阅相关内容。

4.2  温度测量电路

电池的工作温度是一个重要的参数。不仅在判断电池安全和热处理方面需要实时采集温度参数，在SOC的计算中温度也是一个重要的影响因素。温度的测量一般有模拟式传感器和数字式传感器两种方式。在本电池管理系统中，若采用模拟式传感器，由于温度采样点多，整个电路结构较为复杂。而且通常为了更好的测量电池温度，在安装时将温度传感器直接连接在电池极柱上。但这样就将温度测量回路与高压系统直接连接在一起，需要对温度测量部分进行隔离，而对模拟信号的隔离肯定会影响测量精度。因此我们采用了DS18B20，这是美国DALLAS公司推出的一种单总线数字式温度传感器。温度测量范围为-55℃—125℃，可编程9—12位A/D转换精度，被测温度用带符号位16位数字量方式串行输出，其工作电源既可外接5V，也可采用寄生电源方式。该温度传感器不需要额外的A/D转换电路，直接将温度值转换成数字量输出至。多个可以并联到根或根线上，只需一根端口线就能与多个通信，占用端口少，可节省大量的引线和逻辑电路。同时其输出信号为数字量，因此便于隔离，并且不会影响测量精度。

图中给出的是外接电源方式的温度电路测量。

图13测温电路方案

5  总结与展望

本文设计了通用的车用动力电池的电池管理系统的系统结构，对BMS下的MCU进行需求的分析。重点设计了BMS子控制器双向隔离DC/DC均衡电路，并分析了它的工作原理，实现了其保护电路的设计，同时对电压、温度的测量也做了简单介绍。

本设计仍停留在原理图阶段，对电路的可行性验证尚未进行，同时原理图电路尚未完善，BMS子控制器的电流采集方案未定。BMS的通讯控制器和主控制器还未进入原理设计阶段，BMS的CAN网络通讯协议没有制定。下一步工作将沿这个方向进行。本文仅是整个BMS设计项目的一个开端，同时也是对近期工作的一个阶段性总结。

参考文献

1   孙逢春,何洪文,陈勇　镍氢电池充放电特性研究,汽车技术,2001 (6).

2   Stephen W. Moore ,Peter J. Schneider A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems Society of Automotive Engineers 2001-01-0959

3   葛少伟 燃料电池客车镍氢动力电池组管理系统的研究,申请硕士学位论文

4   麻友良,陈全世,齐占宁. 电动汽车用电池SOC 定义与检测方法. 清华大学学报(自然科学版) ,2001 (11)

5   张抗抗,微型纯电动汽车整车控制系统与电池管理系统软硬件设计.清华大学综合论文训练

6   吴友宇,梁红 电动汽车动力电池均衡方法研究.汽车工程,2004 年(第26 卷) 第4 期