纯电动汽车电池管理系统关键技术研究

纯电动汽车电池管理系统关键技术研究

俞美鑫

奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽芜湖  241000

摘要：电动汽车中，动力电池是一种主要的能源形式，对整车而言，它是至关重要的组成部分，动力电池的品质直接关系到纯电动汽车的整体性能和稳定运行，新能源汽车的绝大多数能量都来自于动力电池，在安全、有效地管理动力电池方面是其中的核心技术之一。汽车电池系统在运行时主要负责采集电量信息和实现过程电能保护的效果，在功能上保障了电池的安全性，利用电力线路中的电压和电流控制来实现电池温度的调节，根据实时的运行状态，及时对电池系统进行管理和调控。文章就纯电动汽车电池管理系统关键技术展开了相关研究。

关键词：纯电动汽车；电池；管理系统；关键技术

引言：

在当前全球能源危机下，电动汽车可以减少对石油资源的依赖，显著降低汽车尾气排放，对抗温室效应。转型过程中，电池作为电动汽车的核心组件，其性能直接决定了电动汽车的整体效能。因此，电池管理系统确保了电池的安全运行和最大化利用，通过精细管理提升了整车的性能。随着技术的发展，高效且可靠的电池管理系统是电动车技术进步的基石，对推动全球电动车行业的发展具有重要意义。

一、电池管理系统主要功能

电池管理系统（BMS）是纯电动汽车的核心组成部分，负责维护电池组的安全性、可靠性与效率，通过一系列精密的功能确保电动汽车的顺畅运行。如图1所示。电池信息的采集是BMS的基础功能，通过专门的采集板，BMS能够实时监控每个电池单元的工作电压、环境温度和充放电电流，数据经总线传输至主控芯片，为整个系统的决策提供原始输入。依托基础数据，主控芯片进而运用算法来精确估算出电池组的剩余电量。

在电池的充放电管理方面，BMS通过电气控制功能预防和解决诸如过充、电池间电量不均衡和过放等问题，如果处理不当，可能会缩短电池的使用寿命并降低其工作效率。系统采用均衡技术来调整单体电池之间的电量，通过实时监控和相应的控制策略，确保每个电池单元都在最佳状态下运作。一旦监测到电池工作异常，系统会立刻采取措施，切断电源或调整工作参数，以防止过热、过压等潜在的危险情况，确保电动汽车及其乘客的安全。

此外，BMS还包括数据通信显示功能，经过处理的电池信息如SOC估算结果和电池均衡状态通过CAN总线传递给车辆的其他控制系统，同时，信息通过串口通信被反馈至车辆的显示界面，允许驾驶员和维修技术人员对电池状态有即时的了解和评估，提升了电动汽车的整体用户体验。

图1：电池管理系统简图

二、纯电动汽车电池管理关键技术分析

1.锂电池参数分析

通过细致的电化学分析，我们能够深入理解电池内部反应，将这些信息应用于改善SOC模型的准确性。使用数学模型来模拟电池内部的化学反应是一种常见做法，其中基尔霍夫定律在状态方程的构建中发挥着重要作用，帮助我们根据电池的充放电行为以及外界因素综合预测电池的性能。Rint模型，作为电池模拟的一种等效电路方法，利用电池内部电阻的变化及电压变化来描述电池的基本状态，不仅简化了电池行为的表示，还为电池状态的动态展示提供了依据，从而在BMS的交互界面上清晰地呈现电池的即时状况，极大地促进了电池管理的效率。

2.电路基本情况

在纯电动汽车电池管理系统中，电压变化的监控可以揭示SOC与电压值之间的关系，进而通过电池放电后静置的时间来判定电压的变化情况。在电池静置后电压达到稳定状态，通过实验曲线分析，可以得到电池在不同充放电状态下的内阻值，包括放电时的电阻Rd和充电时的电阻Rc。电阻值随着放电电流I1和充电电流I2的变化而变化，从而使我们能够准确把握电池的欧姆电阻R0的状态。

3.锂电池SOC估算

在实施SOC估算时，常用的方法包括开路电压法和积分法，两种技术各有特点，合理利用可以大幅提升电池管理的效率和准确性。开路电压法依赖于电池电压与SOC之间的固有关系，通过在电池放电后进行短暂静置，测得的静态电压即开路电压，能较好地反映电池的荷电状态。在实验中显示出较高的一致性，尤其是在充放电初期和终期，电压与电池能量消耗的相关性极强，为SOC的准确估算提供了可靠依据。然而，开路电压受到环境温度等外界因素的影响较大，特别是在极端温度条件下，可能会导致估算结果的偏差。

积分法则通过计算一定时间内的电流积分来估算SOC，主要关注电流的实时变化，并结合电池组的额定容量，从而得出荷电状态。可以连续追踪SOC的变化，在实际应用中可能因累积的测量误差而导致估算不精确，因此需要对电流变化趋势进行调整以确保估算的准确性。

三、电池管理系统的总体设计

1.电路设计

由于单体电池之间的不一致性和重复充放电过程中性能的衰减，通常采用均衡电路。均衡电路分为能耗型和回馈型两种主要形式：①能耗型均衡电路通过并联分支将电压较高的电池多余能量进行有效分流，实现能量的平衡；②回馈型均衡电路则利用能量转换器将偏离的能量传递给电池组中其他电池或特定电池。

此外，电池管理系统还包括精心设计的升压电路，这种电路将开关电源的直流输出转换为适合电池充电所需的电压和电流，并根据电池的充电状态实时调整，以确保最优充电效果。通过电压监控电路，升压电路输出的电流和电压信息能够被精确反馈给CPU，允许系统准确把握和调整充电过程中的电压和电流，从而实现对电池充电速度和功率的监控与调整，确保了电池组的一致性，最终促进了整个电动汽车系统的稳定运行和性能优化。

2.主控模快设计

主控模块是电池管理系统的控制核心，包括电压和电流检测、热管理、故障诊断、电池保护以及均衡控制等。主控模块有效接收并处理来自电池的电压、电流及温度数据，及时进行分析并根据诊断结果调整相应的系统模块，确保电池组的性能和安全。在技术选择上，采用MPC 5644 A作为主控处理器，凭借其强大的处理能力和高效的运算性能，充分满足电池管理系统对高速数据处理的需求，优化整体系统性能。

3.软件设计

电池管理系统的软件设计对于确保整体功能的精确执行非常重要，主要负责处理和计算关键参数信息，如电池的温度、电压和电流等。软件设计中采用DS2672处理芯片，以其强大的功能支撑系统自主完成复杂的数据分析和控制任务。为了提高系统的可维护性和防止功能混乱或数据遗漏，可以采用模块化设计方法，细分为多个功能模块，每个模块独立负责特定的任务，既优化了性能，也简化了系统的维护升级过程，确保了软件架构的效率。

结语：

电池管理系统作为保障电动汽车性能与安全的核心技术，随着技术的不断进步，BMS的设计正在向着更加智能化、高效化发展。从电路设计的精确性到软件的高度集成，每一步进步不仅推动了电动汽车技术的革新，也为整个交通工具的能效提升与环保目标的实现贡献力量。随着物联网和人工智能技术的融合应用，电池管理系统的功能将更加多样化，其智能化程度也将达到新的高度，进一步推动纯电动汽车行业的持续健康发展。

参考文献：

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[2]徐俊芳,赵丰,张艺伦.某纯电动车热管理系统匹配设计与分析[J].内燃机与配件, 2023(1):103-105.

[3]陈琦龙,孙建国,陈凯,等.纯电动汽车电池管理系统国内外研究现状和发展趋势[J].现代车用动力, 2022(1):7.