纯电动汽车分布式电池管理系统的设计与实现

根据电池状态分别采用相应的 SOC 计算方法 。 当电池停止工作后 ， 电流为零 ， 无极化现象 ， 其 SOC 值与开路电压有很好的对应关系 ， 可直接获得 SOC
104 C1 GND1 GND1 4 R7 10K ∞ +5V1 R9 2 3 C33 104 C9 104 GND1 GND1 0-1.25V
· · · · · · 测量板 n
CAN02 CAN03
测 量 板 01
高压模块板
测 量 板 02
进行 SOC 估算 。 当电池模块的单体电压下降到放电 截止电压时 ，SOC 复位为 0 ； 当电池模块的单体电压 上升到充电截止电压时 ， 认为电池已经充满 ， 此时
图1
分布式电池管理系统结构
SOC 置为 100 %[6]。
由于电池包处于不同状态时 ，的剩余电量特性差 别很大， 本系统采用开路电压法和安时积分法相结合 的 SOC 估算方法 ， 使用卡尔曼滤波法进行修正 ， 估 算精度误差控制在 5 % 以内 。
[5]
检测和通信接口等电路。 高压模块采用
PIC33FJ128GP804 作为处理器 ； 电压检测使用电压 跟 随 器 电 路 将 测 得 的 信 号 通 过 运 放 LTC2464 传 输
R38 R39 R40 100k 100k 100k R41 6462 3.3k
4
8
5 6
R37 1K
AN4 C39 1uF
AN12
V 时 ，启 动 均 衡 功 能 ；当 电 池 模 块 的 最 大 电 压 与 最 小电压之差大于 20 mV 时 ， 启 动 LTC6802 的 均 衡
（Haima Car Co. Ltd ） 【Abstract 】The paper presents a distributed battery management system （BMS ）, which consists of three subsystems:
the main control module, high voltage module and distribution measurement module, including circuit design, SOC estimation, total voltage and current measurement, equilibrium management and charging strategy. This paper presents the total voltage & current measurement circuit and the flowchart of equilibrium strategy. The practical application shows that the system is characterized by stable operating, good extension and precise SOC estimation.
主题词： 纯电动汽车 分布式电池管理系统 荷电状态 均衡管理 中图分类号： U469.72 文献标识码： A 文章编号： 1000－3703（2013 ）11－0059－04
The Design and Realization for BEV's Distributed BMS
Tao Yinpeng
பைடு நூலகம்
GND3
ADUM1411
图4
总电流采集电路
用动态均衡策略。
C32 0.1 uF C34 4.7 uF 3 2
R30 R31 R32 R33 100k 100k 100k -3.3k
图 6 以锰酸锂电池为例来说明分布测量模块
VLL R28 1K C35 1uF AN3 AN11
U18A 1 LMC 6462
GND2 4.7uf C61
C30 104 GND3
7 11 GND GND
U14 LTC2462 R18 R19 R20 R21 9 3 10k 10k 10k 10k 10 IN+ CS 4 1 INSDI PEFOUT 5 8 PEF(-) SCLK 6 2 COMP SDO
+
SPISDI1
GND3
VCC
GND1
GND1
图3
总电压采集电路 汽 车 技 术
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新能源技术 · ·
+5V3 104 C20
Rtl 5.8k 7
samp-
+5V3
GND2 R22 100 C23 CBB105 100
samp+
samp+ R26
1 2 3 5
+5V2
U12AD 620AN
∞
1.3k GND2 -5V2 C60 4.7uf GND3
新能源技术 · ·
纯电动汽车分布式电池管理系统的设计与实现
陶 银鹏
（海马轿车有限公司 ）
所提出的分布式电池管理系统由主控模块 、 高压模块和分布测量模块 3 个子系统组成 。 内容包括主要电 【摘要】 路的设计实现 、SOC 估算 、 总电压和总电流测量 、 电池模块的均衡管理 、 充电管理等 ， 并给出了总电压 、 总电流测量电 路和均衡管理策略流程图 。 该电池管理系统运行稳定 ， 可扩充性好 ， 对电池组的 SOC 估值预测准确 。
[2]
b. 计算 ： 根据检测到的数据计算电池的 SOC 、 SOH （State of Health, 健康状态 ）、 放电及充电功率限
制 、电池寿命 、车辆剩余续驶里程等 。
c. d.
通信 ：BMS 内部和外部 都 需 要 通 过 可 靠 的 保护 ： 涵盖故障诊断和故障处理两方面内
通信方式发送数据 。 容 ，包括过压 、欠压 、过流 、低温 、高温和短路 ，以及协 调电池安全和车辆运行安全 。
调用开路电压 法估算程序
调 用 有 Kalman Filtering 修正的估算 程序
调用安时积分 法估算程序
SOC 值
图2
SOC 计算流程
3.2
高压模块设计 高压模块包括总电压检测 、 电流检测 、 绝缘阻抗
CAN 通信 ， 并为高压模块控制板和分布测量模块提 供 3 路 12VDC 电源 。 3.1.2 SOC 算法
[4]
GP610 作 为 处 理 器 ； 电 源 部 分 使 用 TPS5420D 和 NCP565D2T33G 作为电源芯片 ， 为系统提供正常工
作所需的电压 ； 使用光耦 AB26S 作为外围输出控制 的隔离 ； 此电路有 3 路 CAN 接口 ， 采用 CTM1040 作 为 CAN 收发器模块 ， 使用 MCP2515 作为 CAN 收发 器与处理器间的通信转换 ， 分别与整车控制器 、 监控 上位机、 高压模块控制板和分布测量模块板进行
是在电动汽车使用过程中具有检测电池能量的消耗 量并预测电池剩余电量等功能的综合性电子控制系 统 。 制约电动汽车普及的关键因素是车载动力电池 技术的相对落后 ，尤其是 BMS 的相对落后 [1]。 实践表 明 ， 在电动汽车使用过程中 ， 良好的 BMS 可以有效 维护电池组的一致性 ，实时监控电池的运行状态 ，准 确估算剩余电量等 ， 还可向整车控制提供必要参数 以便于对电动汽车的运行工况进行智能调节 。 本文 综合国内 、外的一些先进成果 ，设计并实现了一种分 布式电池管理系统 。
2
2.1
总体方案设计
设计标准 本文的电池管理系统依据汽车行业标 准 QC/T
897-2011 《 电动汽车用电池管理系统技术条件 》 设
计 ， 该标准规定了电动汽车用电池管理系统的术语 与定义 、要求 、试验方法 、检验规则 、标志等 。
QC/T 897-2011 标准要求电动汽车电池管理系
统具有以下功能 ：
VCC
8 6
R23 值为 1.3k
R23 C8 R36 104 1.3k C25 C26 104 104 GND3 GND3 C20 104
GND3
10uFB2
GND3 +5V3 C21 104 16 15 14 13 12 11 10 9
VLL U13 VDD2 GND2 VOA VOB VOC VID GTRL2 GND2 VDD1 GND1 VIA VIB VIC VOD GTRL1 GND1 C5 1 2 3 4 5 6 7 8 104 SPISCS2 SPISDO1 SPISCK1 D2 IN4148
Key words：BEV ， Distributed BMS ， SOC， Equilibrium management
1
前言
电池管理系统（Battery Management System，BMS）
a.
监测 ： 对包括电压 、 电流 、 绝缘阻抗 、 通断情
况 、SOC 等相关参数进行监测及显示 。
3
3.1
电池管理系统设计
主控模块设计 电路设计 主控模块包括系统电源 、 输入检测 、 继电器控制
SOC 计算流程如图 2 所示 。
开始 采集各相关参数
3.1.1
判 断 电 池 状 态 ，调 用
SOC 估 算 程 序
静止状态 转换状态 充放电状态
和通信接口等电路 ， 采用 Microchip 的 PIC24HJ256
10uF B1 12
+
9 10 1 8 2 C13 104 GND1 C14 104
R3 R4 R5 R6 10k 10k 10k 10k
HV_Analog+ 100 R12 HV_Analog-
C10 C11 104 104 GND1 GND1
7 11 GND GND
IN+ INPEFOUT PEF(-) COMP
给处理器 ； 电流检测使用差分放大器电路将测得的 信 号 通 过 运 放 LTC2464 传 输 给 处 理 器 ； 采 用
CTM1040 作为 CAN 收发器模块用来和主控模块通
信 ； 绝缘阻抗检测电路设计在高压模块上 。 图 3、 图 4 和图 5 分别列出了高压模块的总电 压采集电路 、 总电流采集电路和绝缘阻抗检测电路 。
由于电池静止状态和充 、 放电状态之间的转换 状态是一个缓慢的过程 ， 采用安时积分法和开路电 压法来计算状态转换时 SOC 值有较大误差 ， 故需要 对状态转换时的 SOC 进行校正 [7]。
整个电池管理系统分散布置 ， 模块间利用 CAN 总线互相连接 ， 保证了对电池包电压和电流的同步 测量 ， 且分布测量模块的数量可随电池模块数量的 变化随意调整 ， 增强了系统的适应性 。
+5V1 +5V1 U5 LTC2462 CS 4 SDI 5 SCLK 6 SDO 3 GND1 +5V1 C4 U3 104 16 15 14 13 12 11 10 9 1 VDD2 VDD1 2 GND2 GND1 3 VOA VIA 4 VOB VIB 5 VOC VIC 6 VID VOD 7 GTRL2 GTRL1 8 GND2 GND1 ADUM1411 VLL C5 104 SPISCS1 SPISDO1 SPISCK1 D1 IN4148 SPISDI1
利 用 LTC6802 进 行 电 池 包 的 均 衡 管 理 策 略 。 本 系 统采用的均衡控制策略为 ： 在对电池包进行充 、 放 电 时 ， 若 电 池 模 块 最 大 电 压 不 超 过 4 V， 分 布 测 量 模块不启动均衡功能 ； 当电池模块最大电压超过 4
HV_Analog_B+
HV_Analog_B+ C38 4.7 uF U18B 7 LMC
2013 年
第 11 期
·新能源技术 ·
主控模块板
CAN01
整车控制器
值 [6]； 当 电 池 进 入 充 、 放 电 状 态 后 ， 以 静 止 状 态 时 的
监控显示器
SOC 相关参数作为基数 ， 采用安时积分法计算 SOC
值 。 在软件设计时 ， 根据高压模块实时测量的电压 和电流数据计算电池释放或充入的安时数 ， 以此来
e. f. 2.2
优化 ： 电池组的平衡 、 电池容量计算和电池 其他 ： 高压互锁 、绝缘检测 。
寿命优化 。 总体方案 车载动力电池系统工作环境恶劣 ， 常处于强电 磁干扰及脉冲电流的干扰中 ， 集中式电池管理系统 无法满足安全性和可靠性要求 ， 需要采用分布式结 构 ， 即多个分布子系统并联 ， 采用 CAN 总线进行通 信连接 ，组成一个统一可靠的电池管理系统 [3]。 根据电池管理系统的功能 、可靠性和安全性 ，可 将其分为主控模块板 、 高压模块板和分布测量模块 板 ，各模块间采用 CAN 总线通信 ，如图 1 所示 。 — — — 59 —