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电动汽车电池管理系统应用与分析

电动汽车电池管理系统应用与分析（总19页）

研修班毕业论文

电动汽车电池管理系统应用与分析

授课老师：

邓亚东

专业：

车辆工程

姓名：

石琪

完成日期：

2017年6月15日

摘要

随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。

作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统（ＢＭＳ），是电动车产业纯的关键。

，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多的关注。

我国对电动车的发展极为重视，早在1992年就把电动车的开发发展列入国家的“八五”重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入的研究开发，在BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近，研制产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用。

但电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力蓄电池管理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上也将提出更高的要求。

关键词：

BMS纯电动汽车 动力电池锂电池can通讯单片机

Abstract

withtheoilprice,theenergyshortage,theincreasinglyseriousurbanenvironmentpollution,analternativetooildevelopmentofnewenergyusemoreandmoreattentionbygovernments.Inthenewenergysystem,batterysystemsisoneoftheindispensableimportantcomponent.Inrecentyears,withthelithiumbatterypoweredelectricbicycle,hybridcars,electricvehicles,fuelcellautomobile,bythemarketmoreandmoreattention.ThedevelopmentofelectricvehicleinChina,agreatimportanceinearly1992,thedevelopmentoftheelectriccarinnationaldevelopmentof"five-year"keytorch-planprojectsofbatterymanagementsystem,andchargingmachinesystemforthelong-termin-depthresearchdevelopment,inBMSgainedgreatbreakthrough,andforeignlevelalsoapproaches,theresearchproductsinpureelectricandhybridelectricvehiclegotalotofuse.Butbatterymanagementtechnologyisstillnotmature,electricvehiclesandthedevelopmentofindustrializationofmotivebatterymanagementsystem,withthehugemarketdemand,buttechnologywillalsoputforwardhigherrequest.

Keywords:

BMSpureelectricvehiclepowerbatterylithiumbatteriescancommunicationmicrocontroller

第一章绪论5

1.1前言5

1.2池管理系统在国内外的发展概况及存在问题5

第二章电池管理系统组成7

2.1电池管理系统7

2.2电池管理系统实现的功能7

第三章电池管理系统的原理9

3.1管理系统的结构的原理9

3.2充电管理9

3.3电池管理系统管理策略12

3.4SOC电量检测12

结论14

参考文献15

第一章绪论

1.1前言

随着能源紧缺、石油涨价、城市环境污染的日益严重，替代石油的新能源的开发利用越来越被各国政府所重视。

所以说随着各国対新能源汽车的推广，电动汽车会被越来越多的关注，电池系统是电动汽车的关键部件，由于电动汽车的显著特点和优势，各国都在发展电动汽车。

根据汽车的使用特点，其实用的动力电池一般应具有比能量高、比功率大、自放电少、工作温度范围宽、能快速充电、使用寿命长和安全可靠等特点，因此，电池管理系统对电动汽车的性能起到了决定性的作用。

1.2电池管理系统在国内外的发展概况及存在问题

近年来，我国的汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。

但是我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两位数字的百分比增长，预计到2010年进口依存度将接近50%。

因此大力发展新能源汽车，用电代油是保证我国能源安全的战略措施。

因此大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。

车用动力蓄电池是电动汽车产业化的关键。

电动汽车电池管理系统（BMS）是电动汽车中一个越来越重要的关键部分，近年来已经有了很大提高，但在采集数据的可靠性、SOC的估计精度、均衡技术和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。

所以，大部分企业在电动汽车研制中曾遭遇尴尬，车用动力电池不仅是制约电动汽车规模发展的技术瓶颈，而且是电动汽车价格居高不下的关键因素，其成本占整车成本的30%～50%。

因此，动力BMS的性能对电动汽车使用成本、节能和安全性至关重要。

我国在这方面的研究还刚刚起步,即使美国等汽车工业发达国家的研制工作也不完善我国在“十五”

期间设立电动汽车重大研究项目，积极推进BMS研究、开发和工程化应用，取得了一系列的成果和突破。

在电动汽车领域，我国与发达国家的科技水平差距不是很大，决定电动汽车产业成熟度的关键因素是动力电池技术，目前中国企业在电池技术方面处于领先地位，已经成为世界最大的车用动力电池供应国。

目前主要是一些高校依托自己的科技优势，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同进行了如下研究：

电池动态参数采集的稳定性和精度的提高；车载电池SOC的估测；电池模型的研究；电池组均衡控制的研究；BMS与充电机进行CAN通讯，实现协调控制和优化充电；车载电池组箱体空间和机械结构设计及合理的散热控制；电池故障分析与在线报警、BMS自检及处理。

在国外，比较典型的BMS如：

现在正在开展基于智能电池模块（SBM）的BMS研究,即在1个电池模块中装入1个微控制器并集成相关电路,然后封装为一个整体,多个智能电池模块再与1个主控制模块相连,加以其它辅助设备,就构成1个基于智能电池的管理系统；EV1BMS的功能和特点包括：

单电池的电压监测；分流采集电池组的电流；过放电报警系统；高压断电保护；电量里程预算等；BatOpt系统是一个分布式系统，包括中心控制单元（MCU）和监控模块。

监控模块通过twowire总线，向MCU传输每个电池工作信息，MCU在收集信息后，对电池进行优化控制；BATTNIANBMS强调不同型号动力电池组管理的通用性，其最大特点是：

通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的方法，来管理不同型号的电池组。

目前进行电动汽车研发的主要企业有一汽、上海大众、东风汽车、长安汽车、奇瑞汽车、吉利汽车、比亚迪汽车、上海华普、上海通用等企业。

然而,除奇瑞和比亚迪外,其他企业在电池管理领域没有或仅有很少的专利申请。

究其原因,一方面,一些电动车研发企业还没有将研发重心放到电池管理系统上；另一方面,国内企业在知识产权保护上意识不足,还没有自己的专利技术。

目前,我国一些企业已经就电池管理系统技术申请了专利。

在电池管理领域专利申请量排前六位的国内企业有:

比亚迪、奇瑞汽车、深圳市比克电池有限公司、中兴、天津力神电池股份有限公司和华为。

第二章电池管理系统组成

2.1电池管理系统

管理系统（BMS）主要有以下几部分组成：

数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块）、显示单元、均衡单元检测部件（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。

中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成，大部分将均衡模块与检测模块设计在一起，显示单元由显示板、液晶屏、键盘及上位机组成。

一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。

BMS的主要工作原理可简单归纳为：

首先数据采集电路采集电池状态数据，再由电子控制单元进行数据处理和分析，再根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，向外界传递信息。

BMS电池管理结构

2.2电池管理系统实现的功能

池管理就是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余容量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最往状态。

一般褥言电动汽车电池管理系统簧实现以下几个功能：

3.2.1准确估测动力电池放电状态（StateofCharge），随时预测电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的荷电状态，使电池的SOC值工作范围控制在30％--70％。

动态监测动力电池组的工作状态：

实时采集电动汽车蓄电池组中每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池包总电压。

防止电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。

当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池使的用寿愈。

当电池组的温度过高，及时报警，保证蓄电池正常工作。

建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

3.2.2电动汽车动力电池组的热平衡管理：

电池热管理系统是电池管理系统的有冷却部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装使电池处于正常工作温度范围内。

电池热管理的重点是通过分析传感器显示的温度和热源的关系，确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置，使电池箱具有有效地热平衡与迅速教热功能，通过温度传感器测量温度帮箱体电池温度，确定电池箱体的阻尼通风孔开闭大小，以尽可能的降低功耗。

目前，在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于：

（1）如何根据采集韵每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量较精确豹数学模型，即准确估测电动汽车蓄电港的SOC状态。

3.2.3FE动汽车储能电池的快速充电技术及均衡充电技术。

这项技术是目前世界正在致力研究与开发的另一项电池管理系统的关键技术。

除了计算电池SOC，电池管理系统的另一个重要作用就是实时监控电池组的各项参数，将电池报警信息实时反映给驾驶员。

第三章电池管理系统的原理

3.1管理系统的结构的原理

电池单体检测模块完成对电池单体的电压和现场温度采集，然后通过RS--485总线传输到电池组综合管理器中；综合管理器能够采集电池组的电压、电流和环境温度，并针对电池组剩余电量SOC预测算法完成软硬件实现。

此外。

电池组综合管理器还带有RS一485通讯接口和CAN通讯接口．前者完成对电池单体检测模块的数据交换。

后者完成对整车综合控制器的数据交换，并且其自带液晶显示单元和键盘单元，可以实时显示电池单体电压和电池组的状态信息。

利用放大电路中的正反馈和负反馈，这里的电池组单体电压采集是通过一种压控恒流源电路加以实现的。

压控恒流源电路

根据输入信号可分解为差模信号和共模信号的原理。

如果利用差动放大电路来采集单体电池电压．尽管不同节点上电池的参考点不同，但由于差动放大电路对共模信号的抑制作用。

处于低电位节点处的电压就被抑制。

而差动放大电路仅对单体电池电压进行放大．使得相邻电池节点处的电池都具有一个共同的参考点，所以可以实现对长串电池组单体电压的测量。

在该电路中。

就是利用上述原理把被检测的电压差（即单体电池端电压）转换成电流的形式长距离传输而不受外界干扰．且传输精度高，适合不同电压级别的微机接口电路．以便数据采集和转换，为实际使用带来了方便和灵活性。

3.2充电管理

充电管理就要利用合适的方法充电，适时监测电池的状态以确保电池安全充电和良好的效率。

以下是几种比较安全有效的充电方式。

恒压充电：

加恒定电压于电池两端，充电的电流是I=（V-E）/R，V是指外部电源供给电池的充电电压，E是指电池的电动势，R是指它的内部电阻。

在刚开始给电池充电的时候电动势是很低的，而电池的电流会很大，电动势随着充电的继续进行会升高，于是充电电流会减小，最后充电就停止了。

因为在充电的后期充电的电流变小，控制电池的过充电会变得很简单。

该充电法把电流与电动势相关到了起来，但是电池的电动势是电池里面的物理和化学变化的反映，所以该方法用来充电是非常好的，于电池恒流充电来说会有更多的优点。

由于恒压充电也存在一些缺点，首先在最开始充电的时候电流会很大，但是到了充电的末期会随着电池电动势升高电池的电流变得很小，不容易完全将充电设备利用起来，充电电压的很小一个变化会导致电流非常大的变动。

电化学过程与电池的电流之间由电动势变动所反映的绝非仅有线性关系，所以只根据线性关系来研究并不太合适。

恒流充电：

该充电法调整外部充电机的电压，调节串联电池的电压，为的是使充电过程中的电流不在出现变化。

恒流充电法控制起来很简单，因为电池的接受能力会因为充电过程的继续会慢慢减小的，等到了充电快要结束的时候，充电电流的主要用处变成了电解水，会出现很多气泡，影响电池使用状态和寿命，所以一般选阶段充电的方法。

恒压恒流充电：

为防止恒压充电开始时的电流太大，导致温度增加的太大会给电池带来严重的伤害，充电过程中一般将电流控制在在一范围内，这就是恒电压恒电流流的充电方式。

横流阶段是把限流值为恒值的充电方式，因此也称作恒压限流充电，如图所示。

涓流充电：

为给蓄电池组在放电过程结束后给它内部的化学物质一个恢复过程，这个时候需要以某种中程度上相对来说较小的电流来给电池充电，在它的端电压增达到某一数值后，然后用恒压恒流充电方法采用大电流来给电池充电，即为涓流充电。

涓流充电的时候能使电流恒定而且数值比较小，随着电池状态恢复，整流器的电压会随着电池状态而升高，因此涓流充电实际上是跟恒流充电非常相似的充电方法。

3.3电池管理系统管理策略

1）SOC策略是电池管理系统的核心策略，SOC的估算为整车控制策略提供支持，是整车判断电池的是否可以充电或放电的依据。

纯电动汽车上，多采用AH计量加拐点修正的方法对SOC进行估算，这需要电池管理系统电流采样功能有很高的精度，同时还需要有很准确的SOC一OCV曲线，才能能保证SOC估算的准确;而混合动力汽车电池一般处于浅充浅放的状态，多采用卡尔曼滤波等对SOC初值要求不高的算法，保证SOC估算误差在一定范围内。

2）充放电管理是电池管理系统参与整车进行能量管理，很好的充放电管理策略能在保证电池安全使用的条件下为整车提供最大的能量限值。

在纯电动汽车上，合理的充电管理能加快电池的能量补给;混合动力汽车，充放电管理能确保整车能量的最优利用。

现阶段分区间、多条件的功率控制基本能满足整车能量控制需求。

3）对于电池组有多种均衡方法，但受成本、均衡器大小、均衡控制等的影响，实现实时在线均衡难度较大。

采用小电阻在线均衡的办法，解决了温升过高，控制难度大的问题，在有效处理电池内阻和极化电压影响的情况下，能对电池起着一定的均衡作用。

4）电池组热管理为电池的运行提供良好的运行环境。

根据不同电池的温度特性，通过电池管理系统可靠的温度测量和对冷却风机或加热电阻的控制，使电池组温度处在其最优状态。

热管理策略为电池温度测量功能、温度点的选择、电池箱体及软件策略等的设计提出了要求。

5）准确的故障判断能及时发现电池运行中不安全的情况，保证电池运行的安全。

可行的故障处理策略是实现这一要求的保证，也为电池管理系统软件平台设计提出了设计要求。

故障报警一般根据电池管理平台和电池状态提出，可分为电池管理系统平台自身的故障和电池运行状态的故障。

电池管理系统平台自身的故障主要根据其功能来进行划分，这主要为电池管理系统平台自身故障诊断而设置。

3.4SOC电量检测

在锂离子电池管理系统中，常用的SOC计算方法有开路电压法、库伦计算法、阻抗测量法、综合查表法[3]。

（1）开路电压法是最简单的测量方法，主要根据电池开路电压的大小判断SOC的大小。

由电池的工作特性可知，电池的开路电压与电池的剩余容量存在着一定的对应关系。

（2）库仑计算法是通过测量电池的充电和放电电流，将电流值与时间值的乘积进行积分后计算得到电池充进的电量和放出的电量，并以此来估计SOC的值。

（3）阻抗测量法是利用电池的内阻和荷电状态SOC之间一定的线性关系，通过测出电池的电压、电流参数计算出电池的内阻，从而得到SOC的估计值。

（4）综合查表法中电池的剩余容量SOC与电池的电压、电流、温度等参数是密切相关的。

通过设置一个相关表，输入电压、电流、温度等参数就可以查询得到电池的剩余容量值。

综合几种方法，采用库伦计算法比较合适。

（1）用C表示锂电池组从42V降到32V时放出的总的电量。

（2）用η表示电流i经过时间t后，放出的电量与C的比值。

其中CRM为剩余电量。

令ΔCi=i×Δt，表示t时间内电池组以i放电的放电量；或者是以i充电的充电量，剩余电量实际上是对ΔCi的计算以及累加。

设定合适的采样时间Δt，测定当前的电流值，然后计算乘积，得到Δt时间内剩余容量CRM的变化量，从而不断更新CRM的值，即可实现SOC电量的检测。

结论

电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”

等三个要求上。

要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。

氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。

但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。

铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。

锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。

中国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。

电动汽车其他有关的技术，近年都有巨大的进步，如：

交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走向实用化。

我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，中国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。

中国现今人均汽车是每1000人平均10辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全球水平---每1000人有110辆汽车，中国汽车持有量将成10倍地增加，石油进口就成为大问题。

因此在中国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。

目前，人们在不断寻求可再生的绿色能源代替传统的一次性能源。

蓄电池在充电和使用过程中无污染，必将成为汽车能源发展的一大趋势电池管理系统是新能源汽车必备的重要零部件!

与动力蓄电池组共同构成电池系统!

为新能源汽车提供动力,单体动力电池要保持一致性很难!

需要用电池管理系统来补充,可以说电池管理系统使动力电池在电动汽车上的使用成为了可能!

因此电池管理系统是动力电池和电动汽车产业快速发展的关键'电动汽车电池管理系统的发展必将带来电动汽车产业的发展。

参考文献

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