电动汽车电池管理系统应用与分析

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

with the oil price, the energy shortage, the increasingly serious urban environment pollution, an alternative to oil development of new energy use more and more attention by governments. In the new energy system, battery systems is one of the indispensable important component. In recent years, with the lithium battery powered electric bicycle, hybrid cars, electric vehicles, fuel cell automobile, by the market more and more attention. The development of electric vehicle in China, a great importance in early 1992, the development of the electric car in national development of "five-year" key torch-plan projects of battery management system, and charging machine system for the long-term in-depth research development, in BMS gained great breakthrough, and foreign level also approaches, the research products in pure electric and hybrid electric vehicle got a lot of use. But battery management technology is still not mature, electric vehicles and the development of industrialization of motive battery management system, with the huge market demand, but technology will also put forward higher request.

Keywords:BMS pure electric vehicle power battery lithium batteries can communication microcontroller

目录

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two wire 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；BATTNIAN BMS 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。

充电负载放电信号流

人机接口通信功能温度控制

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(State of Charge），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。

3.2.3 FE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。

U,i

t 0 充电电压

充电电流

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