摘要：随着环境污染和能源危机的加剧，节能环保的电动汽车成为汽车行业未来发展的趋势。本文论述了纯电动汽车电池管理系统的设计及应用。
关键词：纯电动汽车；管理系统；设计；应用
作为电动汽车的核心部件-电池管理系统，不仅可以实时采集、监控和显示电池单元的电压、温度、电流等参数，并根据所采集到的参数估算出剩余电量SOC，而且可以对异常电池进行报警保护，并将故障信息上传给整车控制器，从而提高车用电池组的安全性，在一定程度上降低了纯电动汽车的运行成本。
一、电池管理系统简介
电池管理系统（BMS）即BatteryManagementSystem，通过检测动力电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。电池管理系统拓扑图结构主要分为主控模块和从控模块两大块。具体来说，由中央处理单元（主控模块）、数据采集模块、数据检测模块、控制部件（熔断装置、继电器）等构成。一般通过采用内部CAN总线技术实现模块之间的数据信息通讯。
二、电池管理系统分析
1、系统结构。在纯电动汽车中将动力电池分组串并联形成整车高压电源为整车提供动力源，如某客车厂研制开发的某型号电动客车共使用了540块锂离子电池，将3块电池并联形成组，最后将180组电池串连，装在9个电池箱中。从整车角度考虑，设计电池管理系统采用分布式网络控制系统结构。系统中在每个电池包中布置电池测控模块，各个电池测控模块通过CAN总线与电池管理系统中央控制器连接在一起形成整个系统，通过CAN总线接口与整车控制系统进行通信。
2、系统功能分析
1）参数检测。实时采集电池充放电状态。可以通过检测电池的总电压、电池的总电流量、每包电池的温度和单体模块电池的电压这些数据来对电池的状况做出分析。
2）剩余电量（SOC）估算。对于传统汽车而言，其可前进的行程可以通过燃料的剩余量来判断，而对纯电动汽车，对继续前行路程则可以通过电池电量的多少来判断。电池管理系统应有一套完善的算法对电流、电压，温度等数据进行计算分析，让司机对能够前行多少距离有一个准确的判断。
3）充放电控制。电量不能无限充下去，也不能还没有充满，就停止充电，应根据电池荷电状态来对电池进行充放控制，所以对这个问题，也需首要解决。可以设置某个参数，通过这个参数来控制电量。比如某个单体电池的电压过高，这会影响整个电池组的正常使用和性能发挥，这时候系统就应将继电器切断，停止充电。
4）热管理。这个系统主要是用来检测温度，实时监控每个电池的温度，当温度过高的时候，通过风扇，液冷或其他散热装置使温度降低，以保证电池正常运行。
5）均衡控制。每个电池都会存在个体差异，这些差异使电池在使用过程中会朝着越来越严重的方向发展，不一致性会越来越严重。这时就需要电池管理系统对此做出判断，并能够自动地对这个问题进行均衡处理。
三、电池管理系统硬件设计
电池管理系统主要功能包括数据采集、通信、安全控制、热管理、SOC估算等。参考典型的BMS结构框图，设计出电池管理系统结构框图。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该电池管理系统以飞思卡尔单片机MC9S12XEP100为核心处理器，具有12位A/D、内部EEPROM、CAN控制器等功能模块，凌特6803为前端采样芯片，有利于简化系统设计，提高系统可靠性，降低成本。系统硬件主要包括数据采集、通信、安全控制、热管理等模块。
1、数据采集电路设计。电压、电流及温度测量准确度将直接影响到SOC估算的精度。母线总电压检测是通过电阻分压到隔离运算放大器，然后经过采样电路采样，之后通过基于LM258的放大电阻转化成O-5 V电压，送往单片机的A/D端口，这样用隔离运放检测母线总电压的方式可以保证单片机安全工作。对电池单体电压进行采样时，必须对地进行隔离。本设计中，使用凌特6803对电池单体进行采样，不但可集成化设计，而且提高了系统的可靠性。电流的采样通过霍尔电流传感器实现。输出的信号经分压、比较、放大后进入MCU进行处理。
2、通信模块设计。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而在汽车电子中得到了广泛的应用。系统的微处理器MC9S12XEP100带有CAN控制器，同时以TI 1051芯片为CAN隔离总线收发器，电池管理系统通过CAN与整车控制器（VCU）等其他控制模块进行通信。为保证通信质量，同时CAN专用电源对信号地和模拟地进行了隔离。
3、安全控制模块设计。电动汽车动力电池总电压一般在250-800V，因此必须设计安全控制模块。同时，在电池接入车辆前，将一个大电阻R通过预充继电器接入电池母线，并检测其他参数，确保车辆运行正常后再断开预充继电器，闭合母线继电器，将电池直接接入车辆。绝缘检测模块用来检测系统漏电故障，若有绝缘问题，绝缘检测模块向CPU发送中断请求。CPU响应中断，切断母线继电器，并将故障信息发送给整车控制器（VCU）。
4、热管理模块设计。电池包的位置及外部条件都可能导致不均匀的温度分布。温度分布不均会引起电池单体之间的电压不均衡，从而影响电池及整车的性能。电池温度平衡的主要方法是通风处理和使用散热板，采用有限元方法对并行通风和串行通风进行分析，结果表明并行通风的效果要明显高于串行通风。本设计中，在电池包的不同位置共安置了12个温传感器。每隔200 ms，系统就通过总线对MC9S08DZ60进行采样，当检测到任一点的温度或温度变化率高于设定值时，启动风扇或液冷系统。仅当所有点的温度及其变化率都低于设定值时，停止变速风机。
5、硬件抗干扰设计。汽车其他设备和充电时的强电磁干扰，会使电池管理系统出现大量数据误采集情况。因此采取以下防干扰措施：①在电池包和汽车之间以及电池管理系统电源接口电路中接入高频滤波旁路电容，消除共模干扰；②主板和从板之间用隔离CAN收发器进行通讯，防止通讯干扰。
四、电池管理系统的应用
根据电动汽车的运行环境的复杂程度，选择抗干扰措施作为系统硬件的基础，软件设计也同样采用了抗干扰的设计方式。为了防止程序失效，确保系统的稳定工作，在软件设计的过程中选用了滤波、冗余、软件陷阱等技术。系统软件都选择模块化程序设计，中央控制器程序选择C语言编写，按照系统拥有的功能，将其分为若干子程序，其中包括：SOC估算子程序、标定子程序、信号监控与报警子程序、故障分析子程序等；对于系统标定程序，则选择VC++进行研发，选用模块化程序进行设计，软件的主要功能有：数据实时采集与保存、继电器输出、系统参数标定、数据和曲线显示（包括实时动态曲线、历史盐线）等。
五、结语
纯电动汽车能产生的污染是最低的，因为纯电动汽车的动力系统主要是靠动力电池来提供的，这是我国目前实现产业化生产的一个发展项目，随着环境问题日益严峻，这个项目具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1]齐铂金，郑敏信.电动汽车电池管理系统抗干扰设计[J].工业控制计算机，2015．
[2]南金瑞，王建群.纯电动汽车电池管理系统的设计及应用[J].大学学报，2016．
[3]王辉，梁骁.纯电动汽车电池管理系统研究与设计[J].测控技术，2016．
论文作者:张晓烽,王彬,曹婧
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/27
标签：电池论文; 管理系统论文; 系统论文; 模块论文; 电动汽车论文; 电压论文; 温度论文; 《基层建设》2018年第15期论文;