摘要：能源和环境问题的逐渐加剧，使得电动汽车的研究逐渐成为热门。作为电动汽车关键部分的BMS，决定了电动汽车电池组能够安全，有效运行。本文BMS的应用现状，重点从电池建模与SOC算法设计、均衡串联电池组策略、安全控制和数据通信，三个方面探讨了BMS在电动汽车中的应用，具有重要意义。
关键词：BMS；电动汽车；应用；
1.引言
随着环境污染和能源短缺问题的逐渐加剧，电动汽车取代汽柴油车成为必然趋势。而电动汽车的一个重要部分就是电池管理系统，简称BMS，作为电动汽车的重要系统，BMS直接决定了电动汽车的动力、安全和舒适型[1]。BMS能够使电池组可靠安全、运行，防止因为使用不当导致的电量浪费和电池的损坏，从而使电池的使用寿命和工作效率显著提高[2]。所以开发BMS在电动汽车中的应用具有重要意义。
2.BMS的应用研究现状
限制电动汽车使用和发展关键因素是电池，而决定电池使用的关键点就是BMS，所以将BMS应用到电动汽车中的研究是各个国家都非常重视的课题。相对于国外发达国家，我国的BMS研究起步较晚，研究水平相对较低[3]。但是我国的BMS研究水平进步非常快，一些国内企业，比如上汽、比亚迪和奇瑞等，都在BMS研究中取得了重大进展。而且，一些高校的研究水平也是非常不错的，比如湖南大学研发的集中式结构的BMS，如图1所示[4]，相比于别的BMS，它借助的是电压隔离开关，从而达到物理隔离各个子系统的目的[5]。结构独立的子系统设计，能够提高各系统的自由度，而且系统也具有更高的可靠性。
图1 集中式结构的BMS
3.探讨在电动汽车中应用BMS
3.1 电池建模与SOC算法设计
（1）电池建模
电池实际运行工况与电池具备的充放电特性关系密切，而且受内部环境和外界环境的影响，呈现的关系非常复杂，并不是简单的线性关系。所以，建模的关键性基础是准确分析电池工作特点。建模合适的话，不仅工作量小，还能够准确模拟动态的电池工作特性。另一方面，随着电池工作状态的变化，模型参数也在逐渐变化中，所以，要得到能够精准反应电池性能的模型参数，还应该对模型参数不断进行修正。电池不同，则化学性质也不同，工作状态的电器特性也随之变化。以锂电池为例，考虑到其充放电的特性在自身工作环境和外部环境不同时，与实际工况是非线性关系，所以准确分析电池工作状态，对于选择合适建模具有决定意义，而完成建模，才能保证BMS功能完全体现。
电池建模的概念是，用一定的数学关系描述影响电池的因素与工作特性之间的关系，常见的有三类模型：等效电路、电化学和数学模型。这三类模型各有特点，以等效电路模型为例，它是以电池的工作原理为基础，利用电路网络对电池的工作特性进行描述。等效电路模型的特点是：数学建模能够清晰表达其物理意义，方便辨识模型参数，所以这种模型具有广泛的应用范围。对于电动汽车来说，在进行等效电路模型模拟时，选用戴维宁模型，能得到较好的仿真效果，而且复杂程度不高。如图2所示，戴维宁模型的基础是内阻等效。充放电时，用电阻模拟电池两端电压，同时还有阻容并联电路，包括极化电容和电阻，用于充放电时对模拟电池两端渐变性电压。另外还需要对开路电压进行辨识，也就是总共四个参数。
图2 戴维宁等效电阻模型
（2）SOC算法设计
SOC是指在一定的电池放电倍率条件下，剩余电量与额定容量之间的比值。对于BMS来说，保证其功能实现的关键是估算电池组SOC，常见的估算方法有开路电压法和安时积分法等。辨识开路电压时，需要建立开路电压——SOC曲线，按照图3所示的试验流程进行充电和放电两个方向试验。得到的实验数据借助Matlab Cftool工具进行拟合，得到拟合的开路电压——SOC曲线。当端电压是已知数的时候，可根据开路电压和内阻得到电阻，进而得到极化电压。模型参数建立完毕，最后进行电池建模仿真，检验模型参数的精确度是否符合要求。
图3 开路电压——SOC曲线试验流程
3.2均衡串联电池组策略
（1）均衡策略建立的必要性
为了保证电动汽车有足够的续航能力，电动汽车的动力电池一般由多个单节大容量电池串联组成。当串联的电池组发生一致性恶化时，能量释放将 大幅度减小，电动汽车的续航能力将会下降，甚至还会引起其它的安全隐患。所以研究出一个高效的均衡策略，对于降低电池差异，提高充放电效率和电池安全性能非常关键。
组成电动汽车电池组的单个电池单体之间常常会 因为制造工艺限制，并不是完全相同，而是不可避免的存在一定程度的性能差异。这种差异的主要体现是，实际的工作电压、容量和内阻等不是完成相同。电池组在处于放电状态时，有些电池单体因为容量小或者具有相对较大的充放电率，这种情况下，这类电池单体将成为电池组的负载而不是能量供体。这种时候出现的现象是容量较高的电池单体向容量低的电池单体供电，一旦发生这样的异常现象，电池组的工作效率将会大幅度降低，最终，电池组将会失去正常工作的能力。而且，还有可能发生电池极性翻转的现象，这种情况对电池的损坏将是毁灭性 的。同样情况下，电池组在进行放电时，容量小的电池单体或者充放电效率高的电池单体将会较早完成充电，但是由于电池组还未完成充电，所以这部分完成充电的电池单体将跟随整个电池组继续进行充电过程。一旦电池单体发生过度充电或过度放电时，电池单体的性能将会迅速变差，容量减少，甚至无法正常工作。
电动汽车的电池组在工作时，单体电流无法成为均衡的依据，电池组在进行充放电过程时，电池单体具有各不相同的放电电压。随着电池组不断增长的充放电时间，电池单体将发生压差值变大的现象，在即将完成充放电时，不同的电池单体将形成特别大的电压差值。所以，充放电过程中，电池组的均衡数据可用总电压和电流计算。
（2）均衡策略的设计方法
在设计均衡策略时，要同时考虑均衡的效率和电路的复杂程度。但是目前均衡器的发展还寻在一定的缺陷，结构复杂、体积偏大、效果差、制造成本高。而且大部分的均衡策略都是在BMS发现不一致现象后，再被动的展开均衡控制。这种被动均衡控制控制复杂且效率低，所以越来越多的学者倾向于研发控制简单、效率高的主动均衡控制。对旁路电阻进行分流均衡，是一种出现比较早的能量消耗型均衡。采用的方式如图4所示，每节电池同时并联一个电阻，由开关控制电阻电路的导通状态，用于消耗多余的能量。在电池组处于充电状态时，如果BMS发现某个单节电池容量相对较大，将会采取措施打开闭合端电池开关，形成回路，将多余电量均衡掉，避免过冲现象发生。但这种方式的均衡效率不高，且无法高效利用多余电量，造成能量消耗，不符合电动汽车的节能理念。
图4 旁路电阻分流均衡示意图
（3）主动均衡策略设计
将被动均衡改为主动均衡策略，主动均衡的原理如图5所示。在对电池组进行充电时，总输出电流为ic，充电时，均衡单元会对每个充电电池进行监测，并实施管理。均衡单元会根据每节电池的状态调节各自的充电电流为ibi，以确保所有电池都处于充电状态。当BMS处于主动均衡控制条件下时，整个电池组处于一致性的工作状态，这时，电池的性能最佳。
图5 主动均衡示意图
3.3 安全管理和数据通信
（1）电池管理系统安全设计
当电动汽车的电池使用不合理时，极易发生电池着火危险，甚至有可能爆炸，所以借助电池管理系统，合理安全的使用电池也是一个非常重要的问题。BMS中的保护模块是保障电池组得以安全可靠运行的关键，主要承担过流保护以及过压保护。当电池出现工作电流比额定电流高时，将会损害电池，甚至可能发生危险，所以过流保护是必不可少的部分。当电池处于充电状态时，如果充电电压发生突然升高现象，电池的局部电路有可能发生损坏。在这种情况下，安装过压吸收电路在电池的两端，防止出现电池输出端电压突然升高问题。
（2）电池管理系统的硬件和软件设计
对于电动汽车的BMS来说，受到电磁干扰或者电子噪声的干扰是非常常见的，严重的时候，还会对BMS的正常运行造成影响。所以在进行BMS的硬件设计时，要遵循一般的设计原则，提高系统对干扰的抵抗能力。对于BMS来说，为满足系统功能的实现，必须同时具备硬件和软件两部分系统。只有具备良好的硬件，才有系统功能实现的前提，而具备了软件，系统稳定运行才有保障。
硬件和软件系统的组成如表1所示。软件系统的工作步骤为：BMS进入工作状态后，系统先初始化，设置完成主控芯片寄存器，进行芯片的时钟、终端和AD转换等的设置；如果前一次SOC数值读取失败，转而根据开路电压法获取初始值，再借助最小二乘法得到在线值，最后得到SOC估算值；然后BMS会变为主循环状态，监测实时电压、温度等参数，并判断是否需要均衡，诊断故障并进行处理。
表1 BMS硬件和软件系统组成
（3）电池管理系统的通信设计
BMS通信模块主要为了保证各功能模块之间能够相互通信而设计的，它包括的硬件部分有SPI、CAN和串口通信电路。软件部分，以串口通信为例，包括四个步骤：①初始化控制寄存器，包括状态、波特率和控制，具体操作是设定一个波特率目标以及中断级别等；②串口启动数据接收；③通信数据读取；④如果发生错误，通过接收连续的使能位清零来实现错误清除。
4.结论
综上所述，环保能源在全球范围内推广使用将成为一种必然，而作为新能源的代表应用，电动汽车也将成为发展的必然，所以研究BMS的应用非常有必要。BMS在电动汽车中充当了管家兼保姆的角色，对于电池寿命的增加，汽车安全性能的提升具有重要意义。为了不断提升电动汽车发展水平，逐渐替代汽柴油车，实现节约能源、保护环境的目标，我们将会继续在BMS在电动汽车中的应用领域投入更多的精力和财力。
参考文献：
[1]刘建，王忠东，徐晴，等．工频电磁场对智能电能表干扰仿真分析研究[J] ．电测与仪表，2015，52（6）：16~22．
[2] 尹忠东，王 帅，张元星，等．充电设施对电池管理系统保护需求响应评估[J] ．电力系统自动化，2017，41（22）：133~137．
[3] 黄菊花，何剑平，曹铭．电动汽车电池管理系统抗工频磁场设计[J] ．电测与仪表，2016，53（23）：106~110．
[4] 钱立军，赵明宇，张卫国．一种电动汽车充电安全预警模型设计方法[J]．电网与清洁能源，2016，32（12）：114~119．
[5] 陈如尹，赖松林．基于事件触发的充电机与BMS通信设计[J] ．电子技术应用，2017，43（5）：67~73．
论文作者:杨科
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
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