电池管理系统在电动汽车中的应用

第23卷第3期

2010年6月

山东科学SHANDONG SCIENCE Vol．23No．3Jun．2010

收稿日期：2010-

04-15作者简介：于良杰（1977-），男，工程师，从事实时系统，汽车电子的研究。E-

mail ：embedlinux@126．com 文章编号：1002-4026（2010）03-0087-05电池管理系统在电动汽车中的应用

于良杰1，乔昕2，张许峰2，邓楠

2（1．山东省科学院自动化研究所，山东省汽车电子技术重点实验室，山东济南250014；

2．北京尚能联创科技有限公司北京10029）

摘要：本文介绍了电池管理系统（Battery Management System ）的发展以及应用在电动汽车中所面临的前端数

据采集、电池均衡管理、SOC 电量计量、实时通信以及电池绝缘监测等关键问题。

关键词：电动汽车；电池管理系统

中图分类号：U468．3文献标识码：B

随着人们环保意识的增强以及能源的日趋紧张，电动汽车受到国家和民众的广泛关注。电动汽车是全部或者部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，因此，电池系统作为电动汽车的动力系统在整个电动汽车

的研究和发展中具有举足轻重的作用。电池系统一般分为电池和电池管理系统两个部分。就电池而言，

铅酸、镍氢、锂离子或锂聚合物电池在电动汽车的研究中都有应用。锂离子电池由于其比能量大、放电电压高、循环寿命长、无记忆效应、具有快速充电能力、自放电速率小、具有多种安全保护措施、密封良好，无泄漏现

象、

环保等众多优点，使得其在未来电动汽车中的应用前景非常广阔。就电池管理系统而言，在锂离子电池被广泛关注之前，已经有学者针对铅酸和镍氢电池开展了电池管理系统的研究，这些研究包括数据采集、SOC 估算、实时通信、均衡、绝缘监测等。由于锂离子物理特性相当活跃，过充、过放更容易对锂离子电池带来损坏，这就对电池保护系统的性能提出了更高的要求。一个好的电池管理系统可以确保车辆的行驶安全、增加电池使用寿命、提供给驾驶员有用的信息、减少能源消耗等，是电动汽车的一个重要组成部分。

国外对电池管理系统的研究已经有几十年了，并取得了一定的成果。我国对电动汽车电池管理系统的研究还处于起步阶段，目前清华大学、北京理工大学、同济大学、北京航天航空大学在电动汽车的电池管理系统上取得了一定的研究成果，并应用于奥运大巴的项目中。

总的来说，电池管理系统按照实现方式可以分为两大类：一类是基于芯片的电池管理系统；另一类是基

于分立式器件的电池管理系统。基于芯片的电池管理系统一般将前端采集电路、

均衡电路以及电量计量算法、通讯功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能，如德州仪器在电池管理IC 领域的bq 系列芯片［1－2］，凹凸科技的OZ890电池管理芯片［3］等，具有更小的体积、更高的集成度等优势；基于分立器件的电池管理系统，有基于纯硬件和基于软硬件协调工作的解决方案，而软硬件协调工作方案由于实现更灵活、功能更完善，被广泛采用，如各院校和科研单位开发的电池管理系统、北京市中天荣泰科技有限公司的智能电池管理系统等，分立器件方案在产品设计的灵活性上占有一定优势。

无论是采用芯片还是采用分立器件搭建系统，都要面临一些电池管理系统需要解决的关键问题，而这些问题也被国内外学者广泛的研究，他们包括前端数据采集、数据存储、保护功能、均衡管理、电池健康状态、电量计量和实时通信，针对不同的应用需求可能还需要内置充电管理、后备态管理、绝缘监测等功能，其结构见

山东科学2010

年图1电池管理系统的组成图1。针对电动汽车电池管理系统而言，又以前端数据采

集、电池均衡管理、SOC 电量计量、实时通信以及电池绝

缘监测最为关键。

1前端数据采集

像其他电池应用领域一样，在电动汽车系统中，前端

数据采集是整个电池管理系统的基础和关键，尤其是对

于锂电池而言，采集的精度和速度对电池的使用寿命乃

至整个系统的安全可靠运行至关重要。采集的数据主要

包括：各电芯电压值、总电压值、充放电电流值以及温度信息。

1．1电压的测量

在电压采集中主要关心的是电芯电压的采集精度和采集速度，采集精度决定了电池管理系统是否能够在过放、过充保护点准确地保护电池；采集速度决定了是否能在过充、过放保护点快速的实行保护；另一个需要解决的问题是电压的共地问题

［4］。

1．2电流的测量

电池组充放电电流的精确测量对于充放电过流保护以及电池组剩余电量的估计具有极为重要的意义。在不同的应用场合会对电流测量有不同的要求，大电流充电、大电流放电以及涓流充电都会遇到，因此要求电流测量在较宽测量范围内保证一定的精度。

1．3电池温度的测量

电池的性能受温度的影响很大，研究温度对电池工作状态的影响具有十分重要的意义，因此温度的测量

也是优化电池管理系统的重要内容。目前典型的测温方法包括：热敏电阻（包括铂电阻）、

模拟式半导体传感器、数字式半导体传感器。2均衡管理

电池在串接使用时，由于电池质量、批次等自身的原因以及在使用过程中个别电芯的损坏，使得电池组在长期使用后，各电芯的容量会有差异，在无均衡管理的情况下，这种差异会随时间变得越来越大，造成在同

样电流情况下，

容量大的电芯处于浅充浅放状态，电芯容量衰减缓慢，有更长的使用寿命；而容量小的电芯总是处于过充过放状态，电芯容量衰减加快，寿命缩短

［5］。由于电池组的寿命是由最差电芯寿命决定的，从而导致电池组整体寿命随之下降［6］。

作为减小电池组内电芯不一致性的有效方法，均衡充电得到了较为深入的研究，国内外都出现了一些巧妙的均衡充电方案。均衡方案一般分为两类：一类是耗散型均衡方案，这种方案通过电池管理系统上的电阻，消耗电压过高电芯的能量达到平衡电池组内各电芯容量的目的［7］，该方案适合于低功率应用场合，如电动自行车、电动工具等；另一类是非耗散型均衡方案，非耗散型均衡方案采用电容或电感做为储能原件，利用

常见的电源变换电路作为拓扑基础，

采取分散或集中的结构，实现单向或双向的充电方案，常见方案包括：利用电力电子变流技术均衡方案、开关电容均衡方案，其中变流技术均衡方案又包括：分散式直流变换均衡方案、集中式均衡变换器方案以及分流器均衡方案等

［8－12］，非耗散型方案适应于大功率应用、高充放电倍率的

场合，尤其适用于电动汽车的应用。3SOC 电量计量

SOC 电量计量对于任何使用电池的系统来说都具有实际的意义，其最重要的功能是提醒使用者电池还剩下多少能量，以便用户做出相应的处理措施。美国先进电池联合会（USABC ）在其《电动汽车电池实验手

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98第3期于良杰，等：电池管理系统在电动汽车中的应用

册》中定义SOC为：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值［13］。在已知的SOC估算算法中，有些是在试验环境下测试电池性能的，有些是在实用环境下估算电池剩余容量的。在实用环境中，SOC剩余电量估算精度取决于采用何种算法，由于采用算法的不同，电池剩余容量的估算，易受负载电压检测精度、电流检测精度、充放电循环次数、自放电率、放电倍率和温度的影响。往往采用多种算法相结合的办法，抵消上述影响因素对单一SOC估算方法造成的显著影响。目前SOC的估算方法主要包括：

3．1放电实验法

放电实验法采用恒定电流进行连续放电，放电电流与时间的乘积即为剩余电量［14］。放电实验法在实验室中经常使用，不适用于在实际中实时估计剩余电量。

3．2Ah计量法

Ah计量法（安时法）是最常用的SOC估计方法，通过电流在时间上的累加估计当前电池组的剩余容量。Ah计量法容易受电流测量精度、充放电循环次数、自放电率、充放电倍率和温度的影响，其中电流检测精度、放电倍率和温度成为影响SOC估算的主要因素。

3．3开路电压法

电池的开路电压在数值上接近电池电动势。由于锂电池的具有电压平台期，因此在充电初期和末期估算SOC效果较好。开路电压法的显著缺点是需要电池长时静置，以达到电压稳定，这给测量造成困难，同时也不利于实时测量。开路电压法在充电初期和末期SOC估计效果好。

3．4负载电压法

电池放电开始瞬间，电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态，在电池负载电流保持不变时，负载电压随SOC变化的规律与开路电压随SOC的变化规律相似。负载电压法能够实时估计电池组的SOC，在恒流放电时，具有较好的效果。在实际应用中，变化的放电倍率导致电池电压的波动，给负载电压法应用带来困难。与开路电压法相似，这种方法在充放电初期和末期具有较好的估计效果，常与Ah计量法结合使用。3．5其他方法

其他的SOC估计方法包括内阻法、线性模型法、以及这几年出现的神经网络法［15］和卡尔曼滤波法［16］，尤其是卡尔曼滤波法，由于其不仅给出了SOC的估计值，还给出了SOC的估计误差，更适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车电池SOC的估计，受到学者们的关注。

4实时通信

在电池的运行过程中，需要按照要求将电池电压、SOC、SOH等电池运行时的相关状态进行上报。对于将多节电池组串并联使用的系统来说，这种信息的上报包含两方面：一方面是指上报信息到电池管理系统之外，为其他系统提供所需的数据，同时接受其他系统提供的信息，为制定合理的电池管理方案提供依据；另一方面是指各电池组之间的数据交互。针对这些信息的交互，采用何种通讯方式、制定何种通信协议对于实时了解电池的容量和性能、保证电池安全可靠的运行以及为电池系统提供可信的依据成为电池管理系统中一个关键问题。目前应用到电池管理系统中的主要通信手段有：

4．1SMBUS总线

SMBUS总线是由INTEL公司于1995年制定的双线结构的总线，它衍生于IIC总线结构，被广泛用于笔记本的电池管理系统、测温、风扇控制以及电压检测等子系统中。它对于电压水平和时序要求要比IIC总线更加严格，然而分属于SMBUS总线和IIC总线的设备经常可以在同一总线上混合使用［17］。

4．2CAN总线

CAN总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代初提出的串行总线通讯协议，能有效支持具有很高安全等级的分布式实时控制。它的初衷是为汽车内部众多控制器和测量单元通信提供一个串行总线通信标准，以减少因为汽车电子元件大量增加而导致的电子元件间通信电缆大幅增加对汽车可靠性、维护以及成本

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山东科学2010年带来的不利影响。由于CAN总线在实时性、容错性、可靠性、传输距离、传输速度以及硬件成本上的优势，使得它的应用已经从汽车电子领域扩展到船舶运输、机械控制、工厂自动化、楼宇自动化等许多领域。国际标准组织也于1993年将高速CAN总线纳入国际标准ISO11898，1994年将低速容错CAN总线纳入国际标准ISO11519。由于CAN总线在汽车电子中的广泛应用，使得CAN总线几乎成为在电动汽车中交换电池信息的必然手段。许多研究者也将CAN总线通信功能实现在智能电池管理方案中［18－23］。

4．3RS232、RS485总线

除了SMBUS和CAN总线之外，485和232总线由于在工业环境中长期广泛的应用，也是电池组上报信息的主要手段。

5电池绝缘监测技术

电动汽车的电池管理系统，往往需要将多套电池组串联或者并联使用，整个系统中的电芯数量多达几百个，电压根据不同的设计需求也在上百伏，在这样一种高压应用场合，需要对其绝缘性能进行监测，以保证驾驶员及乘客人身安全。在一些针对电动汽车应用中，也将绝缘监测模块纳入电池管理系统中［24］。

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（上接第83页）

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