动力电池管理系统技术研究概述

申晓康，张超，朱谱

（长安大学，陕西 西安 710064）

动力电池管理系统技术研究概述

申晓康，张超，朱谱

（长安大学，陕西 西安 710064）

文章主要就动力电池管理系统的主要技术进行概述，如检测单元的设计、SOC的估计以及能量均衡等。通过对各个技术要点的分析，总览动力电池管理系统的基本功能模块及各个功能模块的设计方法。

电池管理系统；检测单元；SOC；能量均衡

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-19-03

1、电池管理系统（BMS）研究意义

随着人们对环境污染问题以及能源危机问题的重视，电动汽车逐步走入人们的视野，并渐渐走进人们的家庭。而电动汽车的相关技术也在迅猛的发展。其中，动力电池作为电动汽车的能量来源，其性能相当程度上决定了电动汽车的性能。而电池管理系统（battery management system，简称BMS）的优劣又直接决定了动力电池组的性能[1]。

BMS的主要功能有：

（1）电池状态监测与分析。包括对电压、电流、温度的监测；对电池剩余电量的估计；对电池老化状态的估测等等。

（2）电池安全保护。包括过流保护，过充过放保护，过温保护等等。

（3）能量控制管理。包括电池的充电控制管理，放电控制管理以及能量均衡管理等等。

2、电池管理系统的组成

电池管理系统包括主控单元、监测单元等[2]。其基本结构如图1：

图1

3、监测单元的设计

监测单元的主要任务是对单体电池的电压、电流以及温度进行检测，保证电压采集的精度是电池管理系统了解电池状态的基础。对于同一种电池来说，在一定温度下，其开路电压（OCV）与电池的荷电状态（SOC）之间有着明确的函数关系[3]，所以精确的电压的监测对于我们进行SOC估算，以及均衡管理有着重要的意义。

其中电压的检测方法包括：

3.1 电阻分压法

即通过采集分压电阻上的电压信号，来计算单体电池的电压，如图2。 这种方法简单易行，成本比较低，但由于分压电阻的精度问题，导致采集的电压精度不一致，影响电池的均衡；并且分压回路会消耗动力电池的电量。

图2

3.2 继电器开关阵列及差分运放法

即通过继电器阵列控制接在单体电池两端的开关，循环采集电压信号在经过差分运放将信号传递给AD转换器，如图3。这种方法优点在于解决了电阻分压的能量消耗问题，差分运放也可以一定程度上消除高压共模信号的影响，但是传统的继电器存在寿命短、体积大等问题，而如果采用性能良好的光电继电器则会带来成本上的负担。

图3

3.3 专用集成芯片

前面两种方案都存在共同的问题，就是需要大量的连线，所以会存在电磁干扰，绝缘保护等问题，因此，专用集成芯片很好的解决了这一问题，现今很多厂商有针对电动汽车电池管理系统的IC产品，如Linear（凌力尔特）、TI（德州仪器）、ADI（亚德诺）、Infineon（英飞凌）、O2 Micro（凹凸科技）、Maxim（美信）等等。

4、SOC的估计

SOC, state of charge，即电池的荷电状态。 SOC是BMS系统的重要参数，精确的SOC估测对汽车的安全性能及使用性能有重要的意义。

SOC的估测方法：

4.1 电流积分法（CC法）

这是计算SOC最常用的方法，即电流对时间积分即为释放的电量。此方法的缺陷在于因为电流是测量量，存在误差，随着时间的推移，误差积累会越来越大。

4.2 开路电压法（OCV法）

OCV与SOC有明确的函数关系，因此理论上可以用单体电池的OCV-SOC曲线来估测SOC。然而，此方法并不现实：

首先，开路电压是在电流为零的前提下，而电动汽车汽车在使用过程中是始终有电流存在的。

其次，即使电动汽车在使用过程中有短暂的停留，并且忽略掉部分用电器的微弱电流，由于锂电池电压有滞回特性（即电压有一段时间的回弹），所以这时候如果用直接测量的电压来估测SOC也会存在偏差。

4.3 一种折中的方法

即在电动汽车行驶过程中用电流积分法，并设置一个电流门限值及时间阈值，当电流小于电流门限值的时间大于时间阈值时，就通过测量的“OCV”进行SOC校正。

但是，这同样存在问题。即会产生SOC的跳变，如果直接显示的话，需要相应的提示，否则当驾驶员不了解释的话，会以为出了故障。

4.4 基于电池模型的一些算法

这些方法在于利用测量的数据，通过计算、优化来估算SOC的最优值。包括模糊控制算法，神经网络算法，以及卡尔曼滤波等。

5、能量控制与均衡

均衡的意义：

同一种电池有其共性，但是每一块电池又有其个性，所以每一块电池的老化程度，包括其充放电特性会有不同，所以就会存在“短板效应”。即会出现充电过程可能存在一个充满，其他不满；放电过程，一个放到阈值，其他还有很多的的现象。这严重影响了充放电效率及能量利用率!并且如果不进行均衡，其不一致性会越来越明显，“短板效应”则会越来越严重！因此，均衡是很必要的。但实际上品质较高的同一批量的电池的一致性较好，所以有人采用实时均衡的方案，也有的采用非实时均衡的方案。

均衡的方法：

从均衡的意义可以看出，我们实际要均衡的是电池的SOC。单体电池的OCV与SOC有明确的函数关系，因此我们可以通过控制单体电池的OCV来进行均衡。

5.1 耗散式均衡

即给电池并联电阻，将电压高的单体电池进行放电，从而实现SOC的一致。这种方法简单易行，但会造成电量的浪费，并且有发热问题。

5.2 非耗散式均衡

即利用电感、电容等储能元件，将电压高的单体电池的电量转移给电压低的单体电池。这样有效地避免了电量浪费，但其逻辑控制电路较复杂。常用的非耗散式均衡如DC-DC转换器法，即通过变压器来实现电压的控制。

6、结束语

以上是电池管理系统的总要功能模块的概述，然而一个好的BMS还要包括精确的热管理系统，良好的信息通讯系统，以及对电池老化状态（SOH,State of Health）进行准确的估计等等[4]。同时，良好的电池pack的设计有利于BMS的设计与优化[5]。

因此，电池管理系统的设计涉及到方方面面，只有把每一部分都做好，才能保证BMS做到精确控制，从而提高整车性能。

[1] 毛俊.电动汽车动力电池管理系统的开发[D].哈尔滨工业大学,2015.

[2] 毛旭彤，耿海州，董峰.集中式电动汽车电池管理系统设计[J].电子测量与仪器学报,2015.07.011.

[3] 谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].广州:中山大学出版社,2011.

[4] 谭晓军.电池管理系统深度理论研究[M].广州:中山大学出版社,2014.

[5] 谭易.动力型锂电池成组技术研究[D].武汉理工大学,2013.

Overview of power battery management system technology

Shen Xiaokang, Zhang Chao, Zhu Pu
( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

A This paper mainly summarize the major technologies of BMS,such as the design of the monitor unit,the estimation of SOC and the energy balancing,and so on.Taking an overview of the basic function modules of the BMS and knowing about the design methods of the modules.

BMS; monitor unit; SOC; energy balancing

U462.1

A

A1671-7988(2017)01-19-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.008

申晓康，（1991.12）男，硕士学位，长安大学汽车学院在读研究生。