ＢＭＳ下電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)探析

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摘要：BMS系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中的核心系統(tǒng)，也是提供動(dòng)力的主要部件，能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和在線監(jiān)測(cè)，從而獲取汽車電池系統(tǒng)溫度、電流、電壓等具體參數(shù)和相關(guān)信息。另外，BMS系統(tǒng)還能夠?qū)﹄姵剡\(yùn)行狀態(tài)和電池組離散性進(jìn)行科學(xué)控制，一旦電池組出現(xiàn)故障或潛在隱患，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒相關(guān)人員采取措施進(jìn)行處理?；诖?，對(duì)BMS系統(tǒng)進(jìn)行概述，分析其在電動(dòng)汽車中的作用和工作原理，并探索控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路和軟硬件設(shè)計(jì)方法，為推動(dòng)BMS系統(tǒng)深化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：BMS系統(tǒng)；電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；控制

BMS的全稱是電池管理系統(tǒng)，屬于電動(dòng)汽車中的一個(gè)子系統(tǒng)，主要作用是監(jiān)測(cè)和控制電動(dòng)汽車運(yùn)行狀況，并對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行有效管理。管理范圍包括電池溫度檢測(cè)、充電過(guò)程監(jiān)管、電量估算等方面。電動(dòng)汽車中的電池組相對(duì)復(fù)雜，在監(jiān)督控制方面存在一定難度，并且涉及到諸多關(guān)鍵技術(shù)，想要將影響電池組穩(wěn)定運(yùn)行的潛在隱患和干擾因素控制在源頭，就要在了解電池管理重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮BMS系統(tǒng)控制作用，從而為電動(dòng)汽車穩(wěn)定運(yùn)行提供動(dòng)力保障。

1BMS系統(tǒng)概述

電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和電控技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)，統(tǒng)稱為“三電”，其技術(shù)水平直接影響電動(dòng)汽車的速度、續(xù)航里程等情況。只有當(dāng)三種技術(shù)有效協(xié)調(diào)、相互配合，才能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車安全運(yùn)行提供保障。一旦其中某一技術(shù)存在短板，將會(huì)直接降低車輛性能。其中電機(jī)技術(shù)和電池技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車性能帶來(lái)的影響尤為顯著［1］。如：汽車動(dòng)力與電機(jī)功率大小息息相關(guān)，動(dòng)力電池的儲(chǔ)存能力直接決定汽車?yán)m(xù)航里程。同為“三電”的電控技術(shù)為什么能夠與電池技術(shù)和電機(jī)技術(shù)相提并論，成為研究人員需要深入探索和分析的主要課題。具體來(lái)說(shuō)，電控技術(shù)是電池管理系統(tǒng)中的最核心功能，也稱為BMS系統(tǒng)，如果不具備該系統(tǒng)，將會(huì)大幅度降低動(dòng)力電池充電、放電效率，同時(shí)縮短動(dòng)力電池使用壽命。如果將電動(dòng)汽車中的電池組比作一支軍隊(duì)，那么BMS系統(tǒng)就是帶領(lǐng)軍隊(duì)前進(jìn)的領(lǐng)導(dǎo)，其存在能夠使電池組運(yùn)行達(dá)到事半功倍的效果。將BMS系統(tǒng)應(yīng)用到電動(dòng)汽車管理中，能夠保證所有電池在可運(yùn)行范圍內(nèi)有序工作，避免電池組出現(xiàn)溫度過(guò)高、過(guò)充和過(guò)放等問(wèn)題。電池中的單芯容量相對(duì)較低，想要確保電池具備較高的續(xù)航能力和運(yùn)行水平，需要上百甚至上千電芯組成電池系統(tǒng)。為確保所有電芯在合適區(qū)間內(nèi)工作，需要依賴于BMS系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。新時(shí)期背景下，我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，促進(jìn)各種類型電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。但與此同時(shí)，電動(dòng)汽車起火事故也隨之增多，引起了廣大消費(fèi)者恐慌，并對(duì)電動(dòng)汽車安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。當(dāng)前，與HEV電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，目前電動(dòng)汽車大多應(yīng)用的BEV或PHEV電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)也對(duì)電池運(yùn)行的安全性和續(xù)航力提出較高要求，為了滿足這一需求，需要優(yōu)先選擇使用BMS系統(tǒng)。所以，在我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)不斷拓展的同時(shí)，BMS系統(tǒng)也迎來(lái)了廣闊發(fā)展機(jī)遇。

2電動(dòng)汽車中BMS系統(tǒng)的作用

BMS系統(tǒng)是電動(dòng)汽車電池包中的重要組成部分，同時(shí)，電池包也是為電動(dòng)汽車安全運(yùn)行提供動(dòng)力的核心能量源。其通過(guò)金屬殼體進(jìn)行包絡(luò)，并構(gòu)成完整的電池包［2］。近年來(lái)，在科技迅速發(fā)展背景下，電池中的電芯組成結(jié)構(gòu)也積極采用了模塊化設(shè)計(jì)方式，并逐漸向集成化趨勢(shì)發(fā)展，通過(guò)對(duì)電池包進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化，全面提高了其控制管理性能。另外，BMS系統(tǒng)中的電氣部件和線束能夠?qū)﹄姵剡B接路徑進(jìn)行監(jiān)督控制和安全保護(hù)，有利于提高電芯管理水平，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車通訊目標(biāo)，并滿足信息交換需求。在電動(dòng)汽車運(yùn)行中，BMS系統(tǒng)的主要功能是對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督和控制，其主要監(jiān)控任務(wù)包括以下幾個(gè)方面：a．盡可能規(guī)避電池包或電芯受各種因素影響被損壞；b．保證電池在合適溫度和電壓范圍內(nèi)有序工作［3］；c．在保證電池運(yùn)行穩(wěn)定、安全基礎(chǔ)上，為電動(dòng)汽車運(yùn)行提供保障。

3電動(dòng)汽車中BMS系統(tǒng)的運(yùn)行原理

無(wú)論電動(dòng)汽車應(yīng)用哪種鋰離子電池，都需要通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)兩種方式將單體電池組成電池組，使其形成動(dòng)力電池，以此來(lái)為電動(dòng)汽車運(yùn)行提供動(dòng)力支撐。在電池組實(shí)際運(yùn)行中，只有確保所有單體電池穩(wěn)定運(yùn)行，才能夠充分發(fā)揮電池組儲(chǔ)能作用。例如：特斯拉電動(dòng)汽車在生產(chǎn)制造中主要使用18650鋰離子電池，其中“18650”代表單體電池的規(guī)格，其長(zhǎng)度和直徑分別為65mm和18mm。一輛每小時(shí)消耗85kW功率的的特斯拉電動(dòng)汽車搭載的動(dòng)力電池，至少需要7000節(jié)單體電池提供動(dòng)力。一輛電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池由如此多的單體電池組成，其中每節(jié)單體電池都需要單獨(dú)制造。加上電化學(xué)特征的影響，導(dǎo)致部分二次鋰離子電池投入使用后儲(chǔ)存性能存在一定差異。在動(dòng)力電池充電過(guò)程中，需要從一個(gè)充電口為所有電池充電，如何能夠在所有電池充滿的情況下不損害電池性能，成為汽車制造行業(yè)需要深入研究和探索的重要課題，而采用BMS系統(tǒng)能夠有效解決以上困惑。結(jié)合BMS系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，一般需要通過(guò)控制模塊和檢測(cè)模塊對(duì)電池組進(jìn)行管理［4］。其中檢測(cè)模塊工作內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，即通過(guò)傳感器，對(duì)電池使用過(guò)程中的單體電池或電池組電流、電壓、溫度等信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從而為電池組管理提供準(zhǔn)確依據(jù)?？梢哉f(shuō)沒(méi)有這些準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)信息作為支撐，那么電池系統(tǒng)管理也就如同紙上談兵，沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義。結(jié)合傳感器收集到的各種數(shù)據(jù)，能夠使BMS系統(tǒng)根據(jù)不同單體電池的實(shí)際情況，對(duì)電池充電進(jìn)行合理分配，在充電過(guò)程中如果某一單體電池電量充滿，可以及時(shí)停止，避免持續(xù)充電對(duì)電池造成損害。同時(shí)，在BMS系統(tǒng)運(yùn)行中，還能夠采用狀態(tài)估算方式，掌握所有電池單體的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)SOH、SOC等管理方式有效提高電池利用率。雖然這一管理過(guò)程通過(guò)文字?jǐn)⑹鰜?lái)看較為簡(jiǎn)便，但足以突出BMS系統(tǒng)的精華和特點(diǎn)，這也是當(dāng)前BMS廠家致力于攻克的技術(shù)難關(guān)?，F(xiàn)階段，電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)主要有兩種模式，一種為主動(dòng)式均衡管理模式，另一種為被動(dòng)式均衡管理模式。兩種管理模式具備各自的優(yōu)勢(shì)和缺陷，管理方式都是通過(guò)采集單體電池或電池組電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)信息，將其傳送給預(yù)算模塊［5］，而后經(jīng)過(guò)處理形成運(yùn)行指令，并通過(guò)CAN通訊系統(tǒng)傳送到電動(dòng)汽車中央控制單元，以此完成控制管理工作。當(dāng)前，我國(guó)主流電動(dòng)汽車使用的BMS系統(tǒng)大多具備被動(dòng)均衡管理技術(shù)，同時(shí)兼具主動(dòng)均衡技術(shù)儲(chǔ)備。BMS廠家所提供的配置單中，主動(dòng)均衡技術(shù)通常為“選配”功能。這是因?yàn)楸粍?dòng)均衡技術(shù)本身具有裝機(jī)量大的特點(diǎn)，在主流汽車市場(chǎng)占據(jù)地位較高，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出主動(dòng)均衡技術(shù)。由于我國(guó)汽車行業(yè)起步較晚，所以目前生產(chǎn)的電動(dòng)汽車依然以中低端產(chǎn)品為主，從配置和成本等角度進(jìn)行分析，使用被動(dòng)均衡技術(shù)更加劃算。隨著汽車產(chǎn)品性能、質(zhì)量的不斷提高，對(duì)BMS系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，這也意味著未來(lái)發(fā)展中主動(dòng)均衡技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為主流。隨著汽車電氣化水平的不斷提高，BMS系統(tǒng)也會(huì)在HEV電池、低壓?jiǎn)?dòng)電池、PHEV電池等電池系統(tǒng)中廣泛使用。由于低高壓系統(tǒng)之間存在較大差異，并且不同車場(chǎng)、不同應(yīng)用平臺(tái)的電池系統(tǒng)不盡相同，加上不同企業(yè)具備自己的風(fēng)格和設(shè)計(jì)理念，所以在未來(lái)發(fā)展中高低壓系統(tǒng)之間的相似性也會(huì)日益突出。

4BMS系統(tǒng)的主要構(gòu)型

4．1集中式BMS系統(tǒng)

集中式BMS管理系統(tǒng)是將所有采集電壓、溫度等參數(shù)的裝置集中在一塊BMS板中，使其對(duì)電動(dòng)汽車的繼電器控制盒進(jìn)行直接控制。當(dāng)前，絕大多數(shù)的HEV都是這種集中式結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)踐來(lái)看，集中式BMS結(jié)構(gòu)具有成本低、集成化特點(diǎn)，并且將設(shè)備集中在一起，能夠?yàn)橥ㄐ盘峁┍憷?。但與此同時(shí)也存在一定缺陷，就是單體采樣線束較長(zhǎng)，為采樣工作增加難度，增加了導(dǎo)線設(shè)計(jì)復(fù)雜程度w。

4．2分布式BMS系統(tǒng)

分布式BMS系統(tǒng)是將電池組不同功能分離開(kāi)來(lái)，使整個(gè)系統(tǒng)形成不同控制器形式，即S－Box控制器、整車控制器、電池管理控制器、單體管理單元等形式。例如：日系的Outlander和Models及德系的13、18等就是典型的分布式BMS系統(tǒng)。

5基于BMS的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

5．1BMS系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)主要由主控模塊、顯示模塊、采集模塊和均衡模塊構(gòu)成。在整體設(shè)計(jì)中，可以遵循以下思路：a．采集模塊。需要在電池箱中安裝相應(yīng)數(shù)量的單體電池和風(fēng)扇控制裝置，并設(shè)置溫度測(cè)量點(diǎn)。b．均衡模塊。如果電池箱中的單體電池電壓存在差異，并且超出標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)充電電池低于規(guī)定值時(shí)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行自動(dòng)化均衡控制。c．主控模塊。該模塊主要對(duì)下層面進(jìn)行監(jiān)督控制，即對(duì)電池組總電壓和總電流進(jìn)行監(jiān)督、檢測(cè)和控制。并使用CAN總線與其他模塊相連接，實(shí)現(xiàn)快速通信、信息傳遞基本目標(biāo)。d．顯示單元。選擇合理尺寸的顯示器，借助主芯片實(shí)施控制方案，確保能夠通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)督電池組運(yùn)行狀況，使其始終在穩(wěn)定環(huán)境下安全運(yùn)行［7］。

5．2硬件設(shè)計(jì)方法

a．采集模塊硬件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)是BMS系統(tǒng)的核心部分，想要充分發(fā)揮其控制作用，就要合理選擇硬件設(shè)施。具體來(lái)說(shuō)：在CPU選擇過(guò)程中，可以選擇CAN控制模塊中的DSPIC30F等芯片，同時(shí)選擇型號(hào)為MCP2551的CAN收發(fā)器，利用CAN總線，將控制系統(tǒng)連成一體，為快速通信提供保障。另外，在電池電壓取樣過(guò)程中，可以擇優(yōu)選取12位精度的ADS7841，通過(guò)差分采樣方式，盡可能規(guī)避各種干擾因素。差分采樣方式能夠使電動(dòng)汽車的電池組和檢測(cè)電路相互分離。為了保證溫度測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，可以選擇型號(hào)為DS18B20型號(hào)的溫度傳感器，并對(duì)電箱中的溫度測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，由于其運(yùn)行過(guò)程中所處環(huán)境不盡相同，所以用電環(huán)境也存在復(fù)雜性特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)受到電磁波干擾，容易影響在線監(jiān)督檢測(cè)效率和質(zhì)量，導(dǎo)致BMS系統(tǒng)無(wú)法正常作業(yè)。對(duì)此，可以將高速光耦隔離器設(shè)置在CAN收發(fā)器和CPU芯片之間，如此能夠增設(shè)瞬變二極管，使二者共模供電。此外，單片機(jī)工作電源在運(yùn)行過(guò)程中，需要與地線隔離開(kāi)來(lái)，如此可以有效規(guī)避地線竄擾事故發(fā)生。b．主控模塊硬件設(shè)計(jì)。主控模塊主要包括兩部分：第一，與上文分析的采集模塊相通，為了避免各種干擾因素，需要在硬件設(shè)計(jì)中采用各種防干擾措施，確保電池在各種環(huán)境下依然安全運(yùn)行；第二，對(duì)電源總電流進(jìn)行合理采樣，并進(jìn)行二檔設(shè)計(jì)，確保將電流控制在合理范圍內(nèi)，測(cè)量精度應(yīng)在0．5％范圍內(nèi)［8］。主要設(shè)計(jì)方式如下：選擇DC24V±30％供電電源，電壓測(cè)量范圍的精度為0750V，允許誤差范圍在0．5％以內(nèi)；SOC估算精度控制在8％以內(nèi)，運(yùn)行溫度控制在－25？70°C范圍內(nèi)。c．顯示模塊硬件設(shè)計(jì)。顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)需要從三個(gè)方面分析：第一，選擇型號(hào)為SAM9263的芯片，該芯片屬于汽車級(jí)別芯片，能夠充分保證BMS系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)全面落實(shí)ARM方案，對(duì)電源進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；第二，在上位PC之間連接CAN總線，通過(guò)光耦隔離器做好防干擾工作，同時(shí)分別設(shè)計(jì)主板與核心板；第三，顯示器選擇真彩觸摸屏，并進(jìn)分辨率高，且易于操作。d．電池采集樣路。該環(huán)節(jié)是BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要環(huán)節(jié)之一，可以通過(guò)差分輸入方式設(shè)置電池電壓，同時(shí)安裝光耦繼電器完成切換工作。電路設(shè)計(jì)相對(duì)于其他設(shè)計(jì)而言較為筒單，并且能夠提高測(cè)量精度。在溫度取樣過(guò)程中，可以選擇總線方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并盡可能少的使用傳感器設(shè)備，以節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

5．3軟件設(shè)計(jì)方法

5．3．1主控模板設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)供電后，需要設(shè)計(jì)人員做好系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置各種參數(shù)，同時(shí)對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化和科學(xué)設(shè)置。完成后進(jìn)入主循環(huán)，在此過(guò)程中要準(zhǔn)確檢測(cè)電流，并對(duì)SOC進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，對(duì)總電壓進(jìn)和絕緣性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，判斷是否存在故障情況，將相關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存［9］。5．3．2數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)方法。對(duì)SOC進(jìn)行估算，該工作能夠直接決定數(shù)據(jù)處理結(jié)果是否準(zhǔn)確。從整體方面進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)處理和SOC估算對(duì)整個(gè)BMS系統(tǒng)運(yùn)行起到?jīng)Q定作用。具體包括以下內(nèi)容：充分了解溫度、電壓、電流、充放電功率的最大值和最小值，這需要設(shè)計(jì)人員通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算得出具體數(shù)據(jù)。對(duì)于SOC估算而言，需要采用按時(shí)計(jì)量方式，運(yùn)用電池的OCB和SOC相連形成的曲線，對(duì)SOC進(jìn)行校正。5．3．3從控模板設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)上電完畢后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對(duì)其中的重要參數(shù)進(jìn)行賦值。對(duì)于各種外設(shè)，在將其設(shè)置在合理位置的基礎(chǔ)上，也要做好初始化工作。完畢后在主循環(huán)單元完成以下操作，首先對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，而后進(jìn)行均衡控制，接下來(lái)檢測(cè)溫度，并完成熱管理工作。

6結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)涉及到BMS的企業(yè)越來(lái)越多，在一定程度上增加了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。結(jié)合企業(yè)發(fā)展情況來(lái)看，呈現(xiàn)出兩級(jí)分化嚴(yán)重的問(wèn)題，并且大部分企業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)此，需要企業(yè)加大創(chuàng)新力度，進(jìn)一步創(chuàng)新BMS系統(tǒng)，使其在電動(dòng)汽車中發(fā)揮更大作用。

作者:詹大琳 黃麗瑩 盧欣欣 單位:江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院