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电池管理系统及其发展方向zz
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电池管理系统及其发展方向
动力电池
一、BMS功能组成部分概述
目前所设计的电动汽车用BMS通常包含以下功能组成部分:数据采集、剩余容量（SOC）的估算、电气控制（充放电控制、均衡充电等）、热管理、安全管理和数据通信。
（一） 数据采集
在BMS中，采集到的数据是对电池作出合理有效管理和控制的基础。因此，数据的精度、采样频率和数据过滤就非常重要。鉴于电压、电流、温度的动态变化特征，采样频率通常应不低于1次/s。锂离子电池的安全性要求高，对电压敏感，所以必须采集每个单体电池的电压，监测到每个电池的温度。镍氢电池和铅酸电池对电压和温度的采集精度要求不像锂离子电池那样高，有时为简化BMS的结构，对电压和温度成对或成组采集。例如有些镍氢BMS在每组由10个单体电池组成的电池组中设置5个电压测量点；而对于温度测量，每个电池组设置1个测量点。
（二） SOC的估算
电池剩余容量（SOC）的确定是BMS中的重点和难点。由于电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性，使准确估计SOC具有很大难度。传统的SOC基本估算方法有开路电压法、内阻法和安时法等。近年来又相继研发出许多对电池SOC的新型算法，例如模糊逻辑算法模型、自适应神经模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光谱法等。
开路电压法适用于测试稳定状态下的电池SOC，在电动汽车行驶过程中不宜单独使用。开路电压法通常用作其它算法的补充。内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。但电池的内阻受多方面的因素影响，测量结果易受干扰，可信度不高。再加上这种方法比较复杂，计算量大，因此在实际应用中比较困难。安时法通过对电流积分的方法记录从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量，再根据充放电的起始SOC状态，就可以计算出蓄电池的SOC。该方法最为直接明显，而且简单易行，在短时间内具有较高精度，但长时间工作时有较大的累积误差。
实际应用中，安时法是目前最常用的方法，且常与其它方法组合使用，如安时内阻法、安时开路电压法。这些组合算法通常比单纯使用安时法精度更高。各种智能算法和新型算法由于还不是很成熟，有些复杂算法在单片机系统上难以实现，所以在实际应用中还不多见，但这是未来发展的方向。
开路电压法适用于测试稳定状态下的电池SOC，在电动汽车行驶过程中不宜单独使用。开路电压法通常用作其它算法的补充。内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。但电池的内阻受多方面的因素影响，测量结果易受干扰，可信度不高。再加上这种方法比较复杂，计算量大，因此在实际应用中比较困难。安时法通过对电流积分的方法记录从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量，再根据充放电的起始SOC状态，就可以计算出蓄电池的SOC。该方法最为直接明显，而且简单易行，在短时间内具有较高精度，但长时间工作时有较大的累积误差。
实际应用中，安时法是目前最常用的方法，且常与其它方法组合使用，如安时内阻法、安时开路电压法。这些组合算法通常比单纯使用安时法精度更高。各种智能算法和新型算法由于还不是很成熟，有些复杂算法在单片机系统上难以实现，所以在实际应用中还不多见，但这是未来发展的方向。
（三）电气控制
电气控制需要实现的功能有:控制充电过程，包括均衡充电；根据SOC、电池健康状态（SOH）和温度来限定放电电流。电气控制中需要结合所使用的电池技术和电池类型来设定一个控制充电和放电的算法逻辑，以此作为充放电控制的标准。
在BMS中，均衡充电是非常关键的一个环节。动力电池一般由多节较大容量单体电池串联而成。但由于单体电池之间存在不一致性，这会降低电池组的使用水平，严重影响电动汽车的性能，危及电动汽车的安全。例如，在湖南大学研发的EV23中发现，当没有采用均衡充电时，电池经过多次的充放电之后，10个单体电池为1组的镍氢电池组间电压差最大约为2V。
均衡充电的方案有多种，选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。美国托莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。这种方案是通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电，硬件设备比独立均衡简单，但效率相对较低。北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用一种电池组均衡充电保护系统方案，实现均衡充电和电池保护的综合运用。
（四）安全管理和控制
电池自身的安全问题，尤其是锂离子电池在过充电时会着火甚至爆炸，因此电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构当前所面临和必须解决的难题，它直接影响电动汽车是否能够普及应用。BMS在安全方面主要侧重于对电池的保护，以及防止高电压和高电流的泄漏，其所必备的功能有:过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池。
这些功能可以与电气控制、热管理系统相结合来完成。许多系统都专门增加电池保护电路和电池保护芯片。有些智能电池模块的电路设计还具有单体电池断接功能。安全管理系统最重要的是及时准确地掌握电池各项状态信息，在异常状态出现时及时发出报警信号或断开电路，防止意外事故的发生。
电池自身的安全问题，尤其是锂离子电池在过充电时会着火甚至爆炸，因此电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构当前所面临和必须解决的难题，它直接影响电动汽车是否能够普及应用。BMS在安全方面主要侧重于对电池的保护，以及防止高电压和高电流的泄漏，其所必备的功能有:过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池。
这些功能可以与电气控制、热管理系统相结合来完成。许多系统都专门增加电池保护电路和电池保护芯片。有些智能电池模块的电路设计还具有单体电池断接功能。安全管理系统最重要的是及时准确地掌握电池各项状态信息，在异常状态出现时及时发出报警信号或断开电路，防止意外事故的发生。
（五）热管理
电池在不同的温度下会有不同的工作性能，如铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池的最佳工作温度为25～40℃。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用能量发生变化，甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。热管理系统的主要任务有:使电池工作在适当的温度范围内；降低各个电池模块之间的温度差异。使用车载空调器可以实现对电池温度的控制，这也是电动汽车常用的温度控制方法。
电池在不同的温度下会有不同的工作性能，如铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池的最佳工作温度为25～40℃。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用能量发生变化，甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。热管理系统的主要任务有:使电池工作在适当的温度范围内；降低各个电池模块之间的温度差异。使用车载空调器可以实现对电池温度的控制，这也是电动汽车常用的温度控制方法。
（六）数据通信
数据通信是BMS的重要组成部分之一。在BMS中，目前数据通信方式主要采用CAN通信方式。有少数公司在电源管理内部采用LIN总线的方式进行连接，在电源管理模块与中央控制芯片之间采用CAN总线。总线
在采用智能电池模块时可以选择使用无线通信方式，或者通过电力载波的方式与主控制器通信。这2种通信方式都可以减少BMS的布线，降低电动汽车内部的电路复杂程度，但其可靠性和抗干扰能力不如CAN总线。
另外，每个BMS基本上都留有与计算机的通信接口，便于在计算机上对电池数据信息进行分析。
另外，每个BMS基本上都留有与计算机的通信接口，便于在计算机上对电池数据信息进行分析。
二．BMS的发展趋势
与电机、电机控制技术、电池技术相比，BMS还不是很成熟。BMS作为电动汽车最关键的技术之一，近年来已经有很大的提高，很多方面都已经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在采集数据的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。
（1）BMS的设计主要有如下技术难点:需要采集的数据量大，精度要求高；电池状态的非线性变化严重制约了SOC的预测精度；内部电路复杂，安全性差，抗干扰能力要求高。
（2）根据对BMS的功能要求和目前研究中的问题可知，如何把握电池内部状态的变化规律，用更有效的方式和采用更适当的算法来正确估算SOC，减小SOC的估算误差，仍将是今后研究的重点。
（3）在BMS的安全管理和控制功能模块设计中，如何解决电池自身的安全性问题，例如:实现电池组均衡充电、避免高电压和高电流的泄漏、防止对人体造成伤害，尤其是在冲力作用条件下（发生碰撞时）对电池安全性的控制等，还需要进行大量的试验研究。
（4）目前的很多BMS应用某一类型的电池时效果很理想，但却难以应用到其它类型的电池上，甚至应用在同种类型的不同厂商的电池，效果也会有一定的差异。
因此，研究开发更具有通用性的BMS已经成为目前的发展方向。
三．基于CAN总线的系统结构框图
系统的结构框图如图一所示，所实现的功能如下：
1. 整组电池SOC值的预测显示
2. 续驶里程的预测显示
3. 总电压测量显示
4. 总电流测量显示
5. 单组电池的端电压测量显示
6. 单组电池的端电流测量显示
7. 充放电状态指示
8. 充放电控制
9. 温度控制
图一：电源管理模块系统框图
单体电池组ECU的结构如图二所示：
图二：单体电池组ECU结构框图
综合图一和图二不难发现，单体电池组的管理和电池管理系统通过CAN总线组成一个整体的管理系统，同时单体电池组又自成系统，这样单体电池组的控制芯片负责处理一些没有争议的信息，对于需要传递到上一级控制系统的信息，则通过CAN总线控制器传递到上一级的控制芯片，这样可以减轻主芯片的处理数据的压力，从而使整个系统更为稳定的运行（主芯片处理的数据越多，则软件系统可能存在潜在的漏洞就会越大）。
关键词汇：
CAN总线：Controller Area Network既控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。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，数据传输速率高，
LIN总线：Local Interconnect Network,是一种低成本的串行通讯网络，相对于CAN总线来说，其成本较低，但速度比CAN总线慢很多，在汽车电子系统中，应用于对通讯速度要求不高的一些局部网络。
ECU：Electronic Control Unit电控单元
