通镶电潦梭】Ｉ： ２０１８年５月２５日第３５卷第５期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１８，Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．５ ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０１８．０５．０３８ 电动汽车电池管理系统的研究发展 尹天成 （青岛大学自动化与电气工程学院，山东青岛２６６０７１） 摘要：汽车方便了人们的出行，却也加剧了环境的污染和能源的枯竭，而电动汽车的出现解决了这个问题。电动汽车 以其能源的多样性和排放的清洁性迅速成为国内外汽车行业发展的潮流和研究的热点。电池管理系统作为整个电动汽 车的动力来源，同样是国内外各高校和汽车公司研究的重中之重。文中主要介绍了电池管理系统的结构与功能，阐述了 国内外ＢＭＳ的发展历史和研究现状，分析了ＢＭＳ未来发展的方向。 关键词：电动汽车；电池管理系统Ｓ０Ｃ估算；电池均衡 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＹＩＮ Ｔｉａｎ－ｃｈｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｓ ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ ｔｒａｖｅｌ，ｂｕｔ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｔ ａｌｓｏ ａｇｇｒａｖａｔｅｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｈａｕｓｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｓｏｌｖｅｓ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｈａｖｅ ｒａｐｉｄｌｙ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏＣＵＳ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ａｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｉｓ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｔｏｐ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｄｏ－ ｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ａｎｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｐａｎｉｅｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂａｔ— ｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＢＭＳ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＢＭＳ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ＳＯＣ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｂａｔｔｅｒｙ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ０ 引 言 从１８８５年出现第一辆三轮汽车至今，汽车产业飞 速发展，现在汽车已经成为家家户户必备的工具。汽 车一方面方便了我们的生活，另一方面却也对环境造 成了破坏，另外，其对燃油的使用也造成了世界能源的 枯竭，而电动汽车的出现解决了以上问题。 电动汽车是一种具有能源多元化、能量利用率高、 噪声污染小、排放较清洁的新兴交通工具，推动电动汽 车的发展成为环保行动的有效手段。但作为新兴的技 术，电动汽车也存在一定的缺陷，例如续航里程差、电 池寿命有限、电池能量利用不足等问题，这些都是现阶 段电动汽车研发急需优化的关键技术。这些问题就需 要用到电动汽车的关键部分：电池管理系统ＢＭＳ＿ｌ１Ｊ。 为了对电池组运行状态进行监测和管理，提高电 池的能量利用率和使用寿命，电池管理系统的研发成 为实现该目标的重中之重。电池管理系统的主要功能 是优化电池的工作状态，防止过充、过放以及电池电量 不均等会对电池造成损害的现象出现。电池管理系统 的优劣直接决定电动汽车的续航能力ｌｌ２］。 的信息传递，除此之外，为了给操作者及时显示信息和 发送指令，还需要加入上位机部分［４］。 电池管理系统的主要工作过程：电动汽车运行时， 主控部分通过传感器采集各单体电池的各项信息，如 温度、电量等参数，然后通过通讯模块传到上位机；上 位机通过人机交互界面反馈给使用者；使用者通过各 状态量的显示来分析电池组的运行过程，以此来判断 电池组的运行状态是否良好，电池管理系统是否正常 运行。 ２ ＢＭＳ的主要功能 在国内外电池管理系统的研究中发现，电池管理 系统主要完成以下六大功能Ｌ５］。 ２．１ 数据采集 对电池组状态数据进行实时准确地采集是电池管 理系统运行的前提，因此必须严格保证所采集数据的 准确性。其采集过程一般需要对电池组中各单体电池 的状态量进行采集，如电压、温度等，但是某些电池也 可进行成组采集，如铅酸电池。 ２．２剩余容量（ｓｏＣ）的估算 为了精准地确定电池的电量，方便电池管理系统 的运行控制，进行ＳＯＣ的估算必不可少。而电池的电 量消耗并不是理想状况下的线性变化，因此ＳＯＣ的估 算是研发工作中的难点。国内外对于Ｓ０Ｃ估算算法 的研究从来没有停止，从最开始的开路电压法、内阻法 和安时法，到最近的卡尔曼滤波估计模型算法Ｌ６］、阻 抗光谱法等，各种算法都是基于各自的适应领域研发 的，都有不同的特点和适应性。 ２．３电气控制 电池管理系统的电气控制就是对充电过程和放电 ·１ ＢＭＳ的系统结构 电池管理系统主要分为两大模块：主控和从控 。 其中，主控模块主要包括继电器控制、电流测量、总电 流与绝缘监测和通讯接口等模块。从控模块主要完成 对各种状态量的测量及管理，以及实现不同模块之间 收稿日期：２０１８－１）４－１０ 作者简介：尹天成（１９９３一），男，山东淄博人，硕士，研究方向新 能源汽车电控系统开发。 ９５· 通镌电．海 ２０１８年５月２５日第３５卷第５期 术 Ｍａｙ ２５，２０１ ８，Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．５ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 过程进行控制的技术。电池的放电电流取决于剩余电 量（ｓＯＣ）、电池健康状态（ＳＨＣ）和温度，而控制的关键 是均衡充电。电池组由大量单体电池组成，但由于单体 电池之间的不一致性，会对电池造成损坏，因此采用合 适的均衡充电ｌ＿７］策略，对延长电池组的寿命非常重要。 ２．４热管理 不同的温度条件会使电池表现出不一样的性能。 温度的变化会引起电池组各项参数指标的变化，甚至 导致电池寿命的变化，因此，温度的调节也是电池管理 系统的关键技术。车载空调器的使用是最常用的热管 ｂ．显示最差单体电池的剩余电量； Ｃ．停止状态最劣电池的运行； ｄ．快速检索电池错误使用情况； ｅ．采用ＲＳ－２３２标准与上位机通信。 国内对于电池管理系统的研究起步较晚，但在国 家大力推动支持电动汽车项目的政策下，不论是各大 高校还是汽车企业都在电池管理系统的研发领域取得 不菲的成果，不断追赶并接近世界先进水平。 （１）北京交通大学研发的系统：适用于不同类型 电池以及不同汽车类型，具备ＳＯＣ估算、单体电池电 理手段之一。 ２．５安全管理 电池自身的安全问题作为关系人民财产安全的关 键原则问题，是电动汽车能否普及的直接影响因素。 因此电池的安全管理是电动汽车急需解决的重点难 题，其主要功能应该包括过电压和过电流控制、过充放 电控制以及防止温度过高的控制。 ２．６数据通信 数据通信模块是连接整个系统的纽带，是信息传 递的桥梁。如何实现快速、准确并能抗干扰的通信是 电池管理系统研究的重点。 ３ 国内外ＢＭＳ的发展历史和研究现状 电动汽车最早出现于１８世纪３０年代，而电池管 理系统最早由美国一所大学提出。电池管理系统的发 展始于美国，其研究水平较为领先，另外德国发达汽车 产业也带动了本国电池管理系统的发展。这两国拥有 几个比较知名的系统：美国通用汽车公司生产的ＥＶＩ 电动汽车上的电池管理系统；美国Ａｅｒｏｖｉｒｏｎｍｅｎｔ公 司开发的ＳｍａｒｔＧｕａｒｄ系统；德国Ｂ．Ｈａｕｃｋ设计的 ＢＡＴＴＭＡＮ系统；德国Ｍｅｎｔｚｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｇｍｂｈ和 ＷｅｎｒｅｒＲｅｔｚｌａｆｆ为首设计的ＢＡＤＩＣＯＡＣＨ系统［８］。 （１）美国通用汽车公司生产的ＥＶＩ电池管理系统 的特征 ａ．单电池的电压监测； ｂ．分流采集的电池组电流； Ｃ．过放电报警系统； ｄ．高压断电保护系统； ｅ．电量里程预算系统。 （２）美国Ａｅｒｏｖｉｒｏｎｍｅｎｔ公司研发的ＳｍａｒｔＧｕａｒｄ 系统的特点 ａ．分布式采集电池的电压和温度； ｂ．自动过充电监测； Ｃ．电池历史数据记录系统； ｄ．最差单体电池信息筛选系统。 （３）德国Ｂ．Ｈａｕｃｋ设计的ＢＡＴＴＭＡＮ系统 该系统是针对于电池管理系统应用场所的单一性 而设计，增大其应用范围，只需根据所需性能改变硬 件的跳线以及软件的参数，电池管理系统即可适用于 不同的应用环境。 （４）德国Ｍｅｎｔｚｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｇｍｂｈ和Ｗｅｎｒ— ｅｒＲｅｔｚｌａｆｆ为首设计的ＢＡＤＩＣＯＡＣＨ系统的主要特点 ａ．对单体电池电压进行非线性测量； 压检测、电池均衡等功能； （２）北京理工大学研发的电池管理系统：采用分布 式结构 ３，以单片机为核心，实现迅速、准确地实时监 测功能； （３）北方交通大学的系统：完善电气控制功能，结 合电池管理技术和电池类型，对电池的充放电过程进 行合理有效的控制，可在一定程度上延长电池寿命。 在汽车企业方面，长安汽车公司的电池管理系统 由主控制电路板和采集电路板组成，可以通过采集电 池组的总电压和总电流实现对电池管理系统的控制； 比亚迪汽车公司的电池管理系统采用分布式结构，也 可以完成对总电压和总电流采集来完成控制，并具有 ＳＯＣ估算及热管理等功能。 ４ ＢＭＳ的未来发展方向 虽然电动汽车电池管理系统发展很快，但是毕竟 发展时间较短，ＢＭＳ还有很多关键技术需要完善： （１）ＳＯＣ算法的精确度：作为衡量电池组运行状 态的重要指标，如何选用更加完善的ＳＯＣ算法，采集 各单体电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建 立比较精确的数学模型依旧是需要攻克的关键点； （２）电池组的均衡性：解决电池组内单体电池间的 不平衡是电池管理系统的主要任务，如何均衡、补偿不 同电池间差异，降低对电池组的损坏，延长电池寿命 也是需要不断完善的核心技术ｌ１。］。 参考文献： ［１］卢兰光，李建秋，华剑锋，等．电动汽车锂离子电池管理 系统的关键技术Ｊ－Ｊ］．科技导报，２０１６，３４（６）：３９—５１． －Ｉ２］吴永乐，吴钦木．电动汽车蓄电池管理技术［Ｊ］．电源技 术，２０１７，４１（８）：１２２５—１２２８． ［３Ｊ辛酤，葛元月，薄伟，等．基于单片机的纯电动汽车 电池管理系统设计ｔ－Ｊ］．农业工程学报，２０１４，３０（１２）： １６３—１７（）． ［４］廖晓军，何莉萍，钟志华，等．电池管理系统国内外现状 及其未来发展趋势［Ｊ］．汽车工程，２００６，２８（１０）：９６ｌ一 ９６４． Ｅｓ］申彩英，李兴全，王奇，等．电动汽车电池管理系统上 位机设计Ｊ－ｊ］．现代车用动力，２０１６，（１）：４２—４５． ［６］张辉，李艳东，李建军，等．电动汽车动力锂电池组电 源管理系统设计［Ｊ］．电源技术，２０１６，４０（７）：１４０７— １４１１． （下转第９８页） 通馋电潦 ２０１８年５月２５日第３５卷第５期 】Ｉ： Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ 流电阻的阻值相对于温度的稳定性就显得尤其重要。 ３．１ 分流器的物理组成 表面上来看，分流器就是一个小电阻。在精度要 求不高的情况下，甚至可以用一定长度的导线简单的 与被测元件串联焊接在一起来实现。但是像这样将分 流元件接入测量电路，连接点焊料和连接机械细节的 变化都会影响其阻值。 分流电阻任何给定横截面内的电流密度应当保证 几乎均匀，才能维持分流器物理性质的稳定性。这样 可以防止在分流器内部出现比其他区域温度更高的热 点。甚至使分流器部分区域达到退火点温度，而永久 性改变分流器的阻值。 大多数精度较高的分流电阻由三个不同部分组 成：其中两个区域是铜制的端子，用于接入电路，另外 个区是分流电阻的有效部分。两个端子区之问用电 阻段均匀连接。 精密分流器的阻性部分材料必须具有受温度影响 小的阻抗特性ｌ７ｊ。爱德华·华盛顿开发的锰铜合金是 精密分流器最常用的合金，凶为其电阻温度特性非常 适合。 ３．２分流器中的散热 电阻散发的热量在给定电流条件下，与其阻值成 正比，因此要减少分流器散发的热量只能减小它的电 阻。然而，这也会使分流器上的电压信号变小，更容易 受到一些误差的影响，使其精度劣化。 ３．３分流器测量方法中的误差源 在测量过程中，不仅环境温度会造成影响，被测电 流也会加热分流器，从而影响它的阻值。虽然分流元 件的电阻部分是用低电阻温度系数（ＴＣＲ）的材料做 的，温度对其阻值影响较小，但过高的工作温度仍会使 阻值发生变化，虽然很小，但其偏离校准值依然会产生 增益误差。 在分流电阻结构中，连接端子和检测导线的材料 般与分流电阻的阻值部分材料不同，因此会存在所 谓的热电误差，它会影响偏移误差，即当实际电流为零 时仍报告有电流读数。由于分流电阻的热效应可以通 过一定方式进行测量和表达，一些基于分流电阻的系 统可以通过温度补偿减小电阻热效应导致的偏移和增 益误差。在任何情况下，当设计一个基于分流电阻的 一一电流测量系统时，要选择漂移和误差尽量小的元件。 ４ 总 结 几种测量技术的比较见表１。 表１测量技术的比较 测量直流大电流需要考虑的因素有很多，其中最 基础的是测量精度和成本问题。测量精度决定了产品 的可用性，成本决定产品的效益。此外，还存在其它重 要的因素包括：工作环境，尤其是环境的温度变化；功 耗和尺寸决定产品的灵活性；耐用性指过载、瞬变和无 激励工作时的情况，是产品质量的体现。要考虑在极 端工作条件下所有可能的误差源，才能尽可能的补偿 可能出现的误差，从而提高测量的精度。 参考文献： ［１］李Ｅ２３黄俊，彭中华．直流大电流测量技术研究［Ｊ］．仪表技 浩．直流大电流传感器的研究［Ｄ］．武汉：华中科技 术，２０１０，（６）：２７—２９． 大学，２００４． ［３］冯德勇．直流大电流测量方法分析［Ｊ］．科技风，２０１５ （１９）：２２—２２． ［４］张正纲．直流大电流测量技术研究ＥＤ］．保定：华北电力 大学，２０１４． ［５］童歆，全江涛，徐菁，等．基于电阻取样法测量变压 器中性点直流电流的传感器设计与应用［Ｊ］．电力自动化 设备，２０Ｉ５，３５（１１）：１６９ １７４． ［６］ 张正纲．直流大电流测量技术应用探究＿Ｊ］．硅谷，２（）１２， （２（））：１ｆ）３—１（）３． （上接第９６页） Ｅ７］李志鹏，赵杨．纯电动汽车电池管理系统及Ｓ（ 精确 ９６４． Ｅｍ］王子平，刘晋霞，于成龙，等．纯电动汽车分布式电池管 理系统的设计＿Ｊ］．电源技术，２（）１５，３９（１２）：２６２０—２６２２． ［１１］郭文进．电池管理系统的设计［Ｊ］．现代电子技术，２０１６， ３９（１（Ｊ）：１４９ １５１，１５５． 估ｔｋＤ］．电源技术，２０１６，４０（５）：１０９０—１０９３． ［８］唐国鹏，赵光金，吴文龙．动力电池均衡控制技术研究 进展ＬＪ］．电源技术，２０１５，３９（１（））：２３Ｉ２ ２３１５． ［９］廖晓军，何莉萍。钟志华，等．电池管理系统国内外现状 及其未来发展趋势［Ｊ］．汽车＿＿厂程，２００６，２８（１０）：９６１一