新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)解析

李杰才

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于汽車的需求逐步提高，這極大促進(jìn)的汽車行業(yè)的發(fā)展。能源的枯竭使得新能源汽車逐步走進(jìn)我們的視野。電池管理系統(tǒng)（BMS）是新能源汽車重要組成部分，在確保行車安全的同時(shí)，提高運(yùn)行效率，進(jìn)而提升鋰電池使用壽命。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋰電池；管理系統(tǒng)

一、新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)簡述

新能源汽車有四大組成部分，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制組、整車控制技術(shù)、汽車供電電池組和鋰動(dòng)力電池管理系統(tǒng)。新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）俗稱電池保姆或電池管家，是連接車載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要樞紐。主要功能就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。

二、新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)特點(diǎn)

電池管理系統(tǒng)無論在車輛運(yùn)行過程中還是在充電過程中都要可靠的完成電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，并通過總線的方式告知車輛集成控制器或充電機(jī)，以便采用更加合理的控制策略，達(dá)到有效且高效使用電池的目的。一個(gè)成功的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)需要具備以下一些基本特點(diǎn)：

（1）完善的系統(tǒng)功能

BMS具備電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、故障分析和定位、SOC 估算、數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲和數(shù)據(jù)庫管理等功能。

（2）檢測精度高

電壓檢測方面，BMS采用浮地的電壓檢測結(jié)構(gòu)和采用專用雙積分ATD芯片，充分考慮充電時(shí)電網(wǎng)的交流紋波影響，有效地解決了共地的問題，避免了累積誤差，使得電壓檢測的精度達(dá)到0.5%；溫度檢測方面，在保證溫度誤差在±0.5℃的范圍內(nèi)的前提下還充分考慮溫度傳感器的可擴(kuò)展性；電流檢測方面，采用全范圍、等精度的傳感器和高精度專用集成芯片，滿足電流檢測和能量累積的需要，使得電流檢測的精度達(dá)到0.5%。

（3）接口簡單

為便于用戶使用，BMS在保證上述功能的同時(shí)，對外輸出接口進(jìn)行了簡化，對外連接只包括電源線和通訊線。

（4）齊備的輔助設(shè)備

為了簡化用戶的操作和增強(qiáng)系統(tǒng)的直觀性，電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了便攜式故障診斷和數(shù)據(jù)存儲儀，實(shí)現(xiàn)了故障的診斷和定位，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場解決電池故障的能力。

三、新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)檢測指標(biāo)

一般要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：首先，準(zhǔn)確估測動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)，即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。

其次，動(dòng)態(tài)監(jiān)測動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)。在電池充放電過程中，實(shí)時(shí)采集電動(dòng)汽車蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。同時(shí)能夠及時(shí)給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性，使剩余電量估計(jì)模型的實(shí)現(xiàn)成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進(jìn)一步優(yōu)化和開發(fā)新型電、充電器、電動(dòng)機(jī)等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。

最后，實(shí)現(xiàn)單體電池間的均衡，即為單體電池均衡充電，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。均衡技術(shù)是目前世界正在致力研究與開發(fā)的一項(xiàng)電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

四、新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋰電池在使用過程中，工作溫度、電流、電壓要控制在合理范圍內(nèi)，并實(shí)時(shí)關(guān)注鋰電池狀態(tài)參數(shù)。過放電或過充電都會對其使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，并帶來一定的安全隱患。鋰電池管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：狀態(tài)估計(jì)、故障診斷、數(shù)據(jù)顯示、安全管理、熱管理（溫度控制）、數(shù)據(jù)采集（溫度、電壓、電流）、能量管理（充電機(jī)、負(fù)載）、數(shù)據(jù)通訊（上位機(jī)、整車控制器）等。

為了使鋰電池能在相對安全的環(huán)境下運(yùn)行，特別是數(shù)量較多的電池進(jìn)行串聯(lián)時(shí)，對鋰電池管理系統(tǒng)來說，就提出了更高要求。要能夠精確采集電壓、電流數(shù)據(jù)。系統(tǒng)穩(wěn)定性要強(qiáng)，且具備一定的抗干擾能力。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要盡肯能短，并能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。當(dāng)所需處理的數(shù)據(jù)較多時(shí)，鋰電池管理系統(tǒng)要具備強(qiáng)大的處理功能。

在對能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，上層的主控制器為DSP，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制與計(jì)算任務(wù)，主要包括報(bào)警處理、數(shù)據(jù)處理、充放電控制、均衡管理、計(jì)算荷電狀態(tài)以及對鋰電池的電壓、電流溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集等。

底層的控制器則由單片機(jī)組成。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對均衡單元、電壓以及溫度進(jìn)行采集，并將實(shí)時(shí)采集信息通過CAN通訊傳送到主控制器DSP中。主控制器DSP根據(jù)所傳的單體電池狀態(tài)、鋰電池電壓及電流溫度、電池電量等數(shù)據(jù)，對下層的控制器進(jìn)行控制，對運(yùn)行過程及充放電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

鋰電池管理系統(tǒng)中的開關(guān)量較多，為了確?？刂破飨到y(tǒng)和低邊開關(guān)系統(tǒng)能夠有效隔離和電平匹配，要將微控制器XMC4500指令先通過SN74LV4245進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再進(jìn)入TLE6220的輸入端進(jìn)行繼電器的控制。

結(jié)束語

新能源汽車鋰電池管理系統(tǒng)是新能源汽車技術(shù)的重要組成部分，能夠直接影響新能源汽車的安全運(yùn)行。將電池電壓溫度、充放電控制、計(jì)算主控制器荷電狀態(tài)進(jìn)行分離控制，能有效實(shí)現(xiàn)鋰電池管理系統(tǒng)監(jiān)測，并使新能源汽車產(chǎn)業(yè)更加快速的發(fā)展。

（作者單位：湖南人文科技學(xué)院）