電動汽車(包括混合動力、純電動)對電池管理系統(tǒng)的設計提出了特殊的要求,在詳細分析了電動汽車對鋰離子電池管理系統(tǒng)( battery management system, BMS)的要求的基礎上，本文介紹了一種電動汽車用鋰離子電池管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，該方案具有模塊化設計，電壓、電流精確測量，集成故障診斷功能等特點。

HEV（Hybrid Electric Vehicle）、PHEV（Plug-in HEV）、FCV（Fuel Cell Vehicle）、EV（Electric Vehicle）的動力的一部分或者全部是來自于電機的，所以被稱為電動車輛家族，這些車輛可以高效率的利用能量。雖然有多種電池是可能的候選對象,但目前最具競爭力的是鎳氫電池和鋰離子電池，由于鋰離子電池能量密度和功率密度都比鎳氫電池高，目前成為國際各大公司研發(fā)的主要方向。

電池管理系統(tǒng)從結構上可分為集中式和分布式兩大類,分別適合于不同的電池組結構形式。集中式的電池管理系統(tǒng)適合于單體電池數(shù)目不多、結構緊湊的電池組,分布式的電池管理系統(tǒng)適合于單體數(shù)目較多、分布比較分散的電池組。

本文提出了一種使用數(shù)據(jù)采集專用芯片的電池管理系統(tǒng)方案的分布式電池管理系統(tǒng)，具有電池信息采集、電池荷電狀態(tài)SOC估計、電池安全管理以及和整車通信的功能。

在使用電動汽車動力電池時，須使電池工作在合理的電壓、電流、溫度范圍內。否則，不僅可能會顯著縮短電池壽命，還可能會帶來安全性的事故。

另外,由于目前鋰離子電池的生產(chǎn)工藝的制約,各單體電池之間不可避免地會存在差異性,電池在長期使用過程中, 電動汽車的各種運行工況工況會加劇它們之間的差異,表現(xiàn)為單體電池之間容量、電壓和內阻的差異和由此而產(chǎn)能的對電池SOC計算的差異，所以還必須設計均衡電路來保證電池的安全工作狀態(tài)和能量效率利用的最大化。

雖然各單體電池串聯(lián)工作,在其使用過程中充電和放電電流相同,但由于電池一致性的差異以及通風散熱條件的不同,其電池工作時所處的溫度變化也會不同,電池管理系統(tǒng)還應能監(jiān)控電池包/箱中溫度場的分布情況并及時給出報警或要求調整電池工作電流的信號。

綜上所述,電池管理系統(tǒng)需要具有如下功能：

1) 容量預測：在實時充放電過程中，能在線監(jiān)測電池容量/能量，并能隨時給出整個電池系統(tǒng)的剩余容量。

2) 在電源接通時，對系統(tǒng)自檢，若一切正常，發(fā)出可以正常工作信號，若有問題，發(fā)出故障信號，并切斷強電開關。

3) 過流、過壓、溫度保護：在電池（包括系統(tǒng)整體和各個模塊）發(fā)生過流、過壓、和溫度超標時，能將電池的充放電回路切斷，給出聲光示警信號，并通知給整體管理系統(tǒng)。當被保護電池的保護因素消失，則保護功能要取消。

4) 與整車通訊：采用CAN總線的方式與整車管理系統(tǒng)進行通訊。

5) 故障預警：在電池使用過程中，隨時記錄電池使用參數(shù)，通過一定的數(shù)學模型并判斷電池的有效性，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有電池失效或是將要失效或是與其它電池不一致性增大，則要有聲光示警并通過通訊方式通知到整車管理系統(tǒng)。

6) 充電控制：當電池的荷電量不足時，根據(jù)當前電壓，對充電電流提出要求，滿足限壓變流的充電方式，并能記錄充入的電量，當達到或是超過設定的電壓或荷電量時，停止充電請求。

系統(tǒng)結構

電池管理系統(tǒng)的構成由電池管理單元（Battery Control Unit）、電池組（由若干電池模塊串聯(lián)而成）和接線盒組成，如圖2所示。

電池管理系統(tǒng)拓撲結構

為實現(xiàn)上述功能要求,本文提出了一種電池管理系統(tǒng)拓撲結構及其實現(xiàn)方法,如圖3所示,該圖表示了基于菊花鏈和SPI總線的管理系統(tǒng)結構。

電池管理系統(tǒng)由1個主控制器（Master）和N個模塊控制器（Slave）組成。6節(jié)電池為一個電池模塊,每個模塊由Slave管理,各Slave之間通過菊花鏈連接，最后一個Slave通過SPI總線與Master通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)并接受其命令。

主控制器（Master）的功能

(1)與Slave之間、車輛其他控制器之間的通信;

(2)電壓和電流測量;

(3)SOC的估算;

(4)最大可充電能量和可放電能量的計算;

(5)Fail-Safe安全模式

(6)自動斷開（過充、過放、過流、過壓、短路等）

(7)OBD

模塊控制器（Slave）的功能

(1)單體電池電壓、溫度測量;

(2)與Slave（或Master）通信

(3)控制均衡電路。

通信方式

模塊控制器采用了ADI 7280電池模塊監(jiān)視芯片，它最多支持50個模塊以菊花鏈式的機構串聯(lián)，同時還具有SPI總線，可以與主控制器通信。

均衡電路方案

均衡電路分為主動式和被動式。本文采用的是被動式的均衡電路，放電電流為電池容量的1%。

SOC計算方法

方案中的SOC的估算采用以下方法:在電池輸出電流足夠小、累計時間足夠長(具體電流和時間值要通過試驗測得)時采用OCV值來估算SOC,其他情況下要通過計算電流積分來估算SOC。SOC的估算值的準確程度與下面幾個參數(shù)有關:OCV和SOC之間的對應關系的準確程度、電流積分值計算的準確程度、單體電池的電壓測量精度等。

常用的SOC估計方法有安時計量法、開路電壓法、內阻測量法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等。開路電壓法是最簡單的方法，但只適用于電池長時間開路或恒電流放電的情況。卡爾曼濾波器算法的優(yōu)點是對SOC初始誤差不敏感，特別適用于電流波動劇烈的電動汽車應用環(huán)境。本文采用的是開路電壓法和卡爾曼濾波器相結合的方法。

OBD

傳統(tǒng)汽車的車載診斷系統(tǒng)（OBD）一般包括功能監(jiān)控、錯誤檢測、記錄、存儲故障信息、讀取數(shù)據(jù)等、EOL、ReProgram、VIN識別等功能[5]。對電動汽車來說，電池是重要的組成部分。為了更好的管理和維護電池，本文設計的電池管理系統(tǒng)帶有OBD功能。

試驗結果

按照以上方案所設計的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)完成,其試驗結果如下：

(1)電流采樣精度偏差: ≤0.5％

(2)單電池電壓采樣精度偏差: ≤0.5％

(3)均衡電路：采用均衡電路, 開路時單體電池最高電壓和最低電壓之差不超過50mV

(4)SOC估算：在0℃到55℃工作溫度內，SOC估算值和實際值最大誤差不超過8%

(5)熱管理：通過對風扇的控制，使電池組的工作溫度在正常范圍內

結論

(1)模塊化設計 采用模塊化設計,模塊間采用菊花鏈連接通信,大大減少了系統(tǒng)的線束,提高了可靠性,這種結構平臺可應用于多種電動汽車。

(2)SOC估算 隨著時間的推移，電池的特性會發(fā)生一些變化，必須通過大量實驗找出電池內阻、端電壓等的變化規(guī)律，才能準確的估算出SOC。

(3)OBD功能 本文采用的OBD系統(tǒng)獨立于發(fā)動機EMS，可以通過PC機讀出電池管理系統(tǒng)的DTC、FFD等數(shù)據(jù)。