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摘要：随着世界经济的迅猛发展，人们的生活方式正在发生着改变。汽车作为一种便捷的交通工具已经在城市交通工具中占据了主导地位。然而随着能源紧缺、原油涨价以及城市环境污染的日趋严重，传统的燃油式汽车正面临着重大的危机。在这种情况下，车用新能源的开发利用成为业界研究的重要课题。在新能源体系中，电力能源是其中不可或缺的重要组成部分。本文主要对电力能源中电动汽车电池管理系统进行了分析。
关键词：电动汽车 电池管理系统 设计 重要性
一、引言
随着新能源汽车概念的普及，越来越多的电动汽车进入人们的日常生活中。区别于传统燃油车，电动汽车上最主要的三个部件分别是电池、电机和电控，其中动力电池作为电动汽车动力的核心，起着极其重要的作用。而作为动力电池、整车控制以及电机的连接，电池管理系统的重要性不言而喻。
二、系统设计
目前电动汽车的电力补充方式有三种，分别为220V交流慢充、直流快速充电和电池快换。220V交流慢充又分为家庭式充电与充电桩充电两种方式。家庭式充电为使用家用供电插座（即两相三线交流220V），一般充电时间为3～6小时。它可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，适用于电池容量不大的乘用电动车。其优点是可延长电池的使用寿命，且不需要增加额外的充电设备，对电网的改造最小。但充电时间较长，且用电量统计困难。
充电桩充电是使用220V/32A供电能力的充电桩充电，一般充电时间为3～6小时，适用于乘用电动车进行充电。其优点为充电地点更具有灵活性[1]，且易于统计用电量。但需增加充电设施，需要专用充电场地。直流快速充电是以较大电流短时间为电动汽车提供充电服务，在几十分钟内就可充电70%～80%。
快速充电适用于日平均里程大于电池的续驶里程的车辆，如大型商用车及乘用车紧急充电。其优点为充电时间较短，但对电池寿命影响较大（寿命降低50%以上）[2]。电池快换是在服务站更换电池。车上的电池会被卸下并换上充满电的电池，而整个换电过程只需要几分钟，而换下的电池将会在充电间内充电，充满电后，这个电池组会被用到下一辆来换电的车上。
其优点为换电时间短，可实现规模化，生产成本降低，电池维护方便，电池可以在用电低峰进行充电。但需增加换电设施，建设大型换电站，人力、物力成本高，电池库存管理复杂。电池若出现损坏，责任难以区分。上述三种充电方式各有优缺点，至于哪种能源补给模式更有利于新能源汽车的长远发展，最终还是需要市场来确定主导模式。但从技术与商业化运营方面综合考虑，就目前情况看，直流快速充电对电池寿命的影响无法解决。电池快换对基础设施及运营体系要求太高，且需要很大的投入[3];在经营上，电池损坏或造成高压安全事故时责任划分问题无法解决。220V交流慢充除去充电时间较长外没有技术及运营方面的瓶颈，综上，220V交流慢充技术应该为近阶段电动汽车能源供给的主流方式，因此本文设计开发了以220V交流慢充为核心的智能充电系统，开发了围绕该系统的硬件接口、软件控制策略和故障容错控制策略。
三、电池管理系统在电动汽车上的重要性
电池管理系统对电动汽车的影响，总起来说是对电动汽车电池组寿命的影响。一般来说影响电池寿命原因可以分为内部因素和外部因素，内部因素主要由电池生产阶段所决定，电池生产完成后已经无法改变。而外部因素则是后期电池使用维护过程所决定的，这其中起到决定性影响的是电池管理系统。电池管理系统对电动汽车的影响主要体现在以下几个方面：
1.热管理的影响
电池组的温度对电池性能有着很大的影响，尤其是高温和低温都直接决定电池组的循环寿命。电池管理系统可以通过散热系统以及加热组件来控制温度，在高温时通过开启散热风扇或者水冷系统将电池组温度降低，低温时则通过开启加热片或者加热膜来升高电池组的温度。
2.充放电控制的影响
众所周知，充电控制方式对电池寿命也具有非常重要的影响，过充与过放都有可能永久性损坏电池组。电池管理系统通过与充电设备或者充电站之间的通讯交互，获得合适的充电电压、充电电流，在整个充电过程中时刻监测电池的电压、温度信息，并将电压、电流作为反馈信息，调节充电电流，以满足电池的满充状态。
3.状态采集以及保护机制的影响
电池组状态采集在整个电动汽车运行过程中都是极其重要的一项内容，电池管理系统能否及时有效的采集电池运行状态除了对电动汽车的行驶产生影响外，还影响着驾驶人的生命安全。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆电池管理系统如果不能及时反馈电池组信息，继电器等执行系统将不能及时响应，严重时会导致电池热失控、高压电击等严重事故。
四、电池管理系统结构
电池管理系统根据其拓扑结构主要分为三种构型，分别是集中式系统、半分布式系统和分布式系统。
1.集中式系统
所谓集中式，是将整个电池系统的电压采集功能以及温度采集功能集中在一块管理系统板上，由整车控制器直接控制高压继电器。大部分低压的HEV以及特种车都采用这样的结构。这种结构的优点是结构比较简单，成本较低，但缺点是可扩展性较差，只能适用于较小的电池组。
2.半分布式系统
是将采集功能集成在电池组上，管理系统与采集模块通过线束进行连接。这种方式主要用于模组排布比较奇特的电池系统，优点是整个系统的部件较少，缺点是成本较高。
3.分布式系统
将电池模组的采集功能与管理功能分离，整个系统形成电池组管理单元、电池管理控制单元、高压继电器控制单元，这种方式的优点是可以将模组装配过程简化，采样线束简单，并且在电池系统较大时，这种模式优势更加明显。缺点是成本高，电池组管理单元需要单独的MCU进行管理控制，独立的CAN总线需要将各个模块的信息整合发送给电池管理控制单元。但是由于其良好的可扩展性，在越来越多的电动汽车上得到应用。
五、电池管理系统设计的实现
1.元器件选型
处理器芯片：R8C/23 群瑞萨单片机。
电压采集：ADS1146IPW数模转换器。
温度采集：CD4051BM。
均衡控制：74HC595。
CAN通信：SN65HVD1050。
U盘读写：CH376。
显示屏：DMT80480T070_18WT液晶触摸屏。
语音报警：WTH080，LM386。
2.硬件设计
由于电动汽车用电环境复杂，有很强的电磁干扰从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作。为了减小电磁干扰采取如下措施：（1）在瑞萨单片机和CAN总线收发器之间加入高速光耦隔离器，同时增加共模电感，热敏电阻等保护措施，电路图如图2所示；（2）为了避免底线窜扰问题，将单片机工作电源与电动车电源地线进行隔离；（3）数字温度传感器使用屏蔽电缆封装，并将屏蔽地搭铁，CAN总线选用屏蔽双绞线；（4）PCB板制作尽量加大线间距，以降低导向间的分布电容并使其导向垂直，以减小磁场耦合，减小电源线走线有效面积及选用性价比高的器件等。
3.软件设计
在SOC的估算上采用的是现在比较成熟的方法。根据电动汽车的工作状态（驾驶、静置、充电），分别采用安时法、开路电压法进行SOC估算，在采用安时法简单有效的基础之上，在特定条件下采用加权安时法进行SOC校正，消除安时法带来的累计误差。
在软件设计过程中采用了多种抗干扰设计：数字滤波算法、冗余法、软件陷阱发、看门狗等技术，防止程序失序，保证系统正常运行。
六、结束语
对于电动汽车而言，动力电池是其最为重要的构成部分，而对于动力电池来说，电池管理系统则是必不可少的，所以，电池管理系统对于电动汽车整体表现与安全可谓至关重要。加大对电池管理系统的研究开发力度，提高电池管理系统的可靠性对于新能源汽车的发展影响不可忽视。
参考文献:
[1]谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].广州：中山大学出版社，2011，11：4-8.
[2]黎继刚.锂离子动力电池管理系统的研究与实现[D].浙江：浙江理工大学，2010.
论文作者:刘希智
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/12
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